CN103873832A - 一种基于发光装置的单工通信与识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于发光装置的单工通信与识别方法，本通信与识别方法通过专用发光装置，并利用多数煤矿已建立的井下有线通信网络和视频采集系统，完成由发光装置到视频接收端的单工通信，实现对人员和设备的识别监控。本通信与识别方法适合煤矿井下巷道环境，通信识别过程简单有效，抗电磁干扰能力强，具有较强的鲁棒性；使用本通信识别方法的通信系统不需在井下单独增加无线通信基站和有线通信网络，具有成本低，系统设备结构简单，易实施等特点；可快速有效地实现对井下工作人员的跟踪监控，便于安全生产管理人员管理。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于发光装置的单工通信与识别方法，该方法涉及图像处理技术和通信等领域。
背景技术
煤矿井下工作人员管理是矿井安全生产的重要保障，煤矿井下人员身份识别的方法主要分为人体特征识别和设备特征识别两种方法，人体特征识别是基于对人的固有的独特特征进行采集、对比分析、判断，主要包括指纹、眼睛虹膜和人脸识别，具体实施方法是在矿井入口处安装识别设备，下井工作人员在下井前和升井后进行识别登记。只能判定矿井口的人员情况，不能对矿井内的人员实时身份和位置进行判定。
目前设备特征识别主要是通过无线通信方式实现，具体技术包括：射频识别技术(RFID)、WIFI、无线传感器网络、GSM、CDMA等。目前实际使用以RFID为主，RFID利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可实现对人员或物体在不同状态下的自动识别和位置监测。典型的射频识别系统主要包括射频卡和读写器两部分。使用RFID识别方式存在以下问题：
1.受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，易出现漏读。
2.无法区分入井人员代刷卡、一人多卡等情况发生。
基于其它无线通信技术的人员定位识别系统解决了RFID卡漏读的问题，但仍存在以下缺点：
1.通信终端设备体积较大、成本较高。
2.系统涉及无线和有线通信系统，在巷道内每隔一段距离就需要安装接入基站，建设周期长。
3.辅助设备多，系统建设及维护成本高。
因此，煤矿安全生产管理需要一种简单可靠、易于实现、建设成本低并可在井下不同区域实现人员识别的新方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种更适合井下巷道环境的、简单有效的识别方法，通过专用发光装置，并利用多数煤矿已建立的井下有线通信网络和视频采集系统，完成由发光装置到视频接收端的单工通信，通过编码信息实现对人员和设备的识别。本发明的识别方法过程包括：使用控制电路控制发光装置的发光源的亮度或颜色变化，摄像机采集包含发光装置的视频，视频接收端自动分析视频中发光装置所发光的亮度值、颜色、亮度变化的次数或亮度变化间隔时间的不同判断发光装置所发送信息的码元，解析不同码元获得信息，实现发光装置到摄像机视频接收端的单工通信，并对发光装置的进行识别。
具体步骤如下：
1.发光装置控制发光源发光，所发光可为不同颜色的光或红外线等肉眼不可见光。
2.发光装置使用控制电路控制所发光的亮度值。
3.视频接收端通过分析视频中发光装置所发光的亮度值、颜色、亮度变化的次数或亮度变化间隔时间的不同判断发光装置所发送信息的码元。
4.视频接收端根据码元的不同获取发光装置所发送的信息。
5.视频接收端根据发光装置所发送的不同信息实现对发光装置的识别。
附图说明
图1发光装置通信识别系统示意图。
图2视频监控系统的视频传输过程示意图。
图3发光装置硬件示意图。
图4实施方案1发光装置LED控制硬件示意图。
图5实施方案1发光装置通信编码原理示意图。
图6实施方案1发光装置通信识别方法步骤示意图。
图7实施方案2发光装置LED控制硬件示意图。
图8实施方案2发光装置通信编码原理示意图。
图9实施方案2发光装置通信识别方法步骤示意图。
具体实施方式
所述通信识别方法需由井下视频监控系统采集井下现场实时图像，由监控终端的识别服务系统实现通信和识别，如图1所示实施例中，井下视频监控系统组成包括：视频管理系统、有线通信网络，视频采集系统。
视频管理子系统包括：
1.视频识别服务器(1)，视频识别服务器负责对视频内的发光装置进行跟踪识别，对每帧视频图像的处理，从而获得发光装置发送的信息。
2.监控终端(2)，生产管理人员通过监控终端(2)查看现场视频，并可从存储服务器调取历史视频回看。
3.存储服务器，存储服务器负责视频流存储，并可根据监控终端需要提供所存储的视频。
有线通信网络以光纤为主要传输介质，设备包括：
1.核心交换机(3)，负责所有接入有线网络的设备的管理和数据交换。
2.OLT光线路终端(4)，OLT是PON接入系统的中心设备，通过以太网接口连接核心以太网，通过光纤连接无源分光器ODN，通过ODN与用户终端侧的ONU通信。OLT具有二层／三层交换和光纤端口冗余功能。
3.ODN光分配器(5)，ODN用于光缆接续或PON接入系统的光功率分配，负责连接OLT和ONU。主要功能是分发下行数据和集中上行数据。
4.ONU光节点(6)，ONU为光网络接入系统提供用户侧的标准网络接入接口。
视频采集系统包括：
1.摄像机(7)，负责视频采集，输出标准模拟信号。
2.视频编码器(8)，负责将标准模拟信号数字化，根据网络视频压缩标准进行压缩，并将压缩后的视频数据通过网络传输，视频编码器通过网线与ONU光节点(6)连接。
井下视频监控系统的视频传输过程如图2所示：
1.摄像机(7)采集视频图像，输出标准模拟视频信号(201)。
2.视频编码器(8)数字化视频并压缩，通过网线将压缩后的视频信号传输给光节点(202)。
3.视频信号通过有线通信网络传输到管理系统(203)。
4.管理系统内的核心交换机(3)将视频信号分发给存储服务器，监控终端和视频识别服务器(204)。
发光装置(9)硬件组成如图3所示，具体包括：
充电管理(301)，充电管理芯片选用TP4056，内部采用PMOSFET架构，具有防倒充电路，外部不需加隔离二极管。根据热反馈可自动调节充电电流，在大功率操作或高环境温度条件下能自动限制芯片温度。固定充电电压4.2V，恒流充电阶段的电流可通过电阻设置。。充电电流降至设定值1／10时，充电管理芯片自动停止充电。当移除充电电源后，充电管理芯片自动进入低电流状态，降电池漏电流至2uA以下。充电管理芯片在有电源时也可将供电电流降至55uA置于停机模式。
锂电池(302)，电池使用锂离子蓄电池，锂电池(组)应具有防反接、过充、过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。
电源(302)，电源芯片采用MAX1724EZK33、MAX1724EZK50，由电池电压转换得到3.3V和5V稳定的工作电压，分别为处理器和通信接口供电。
处理器(304)，选择TI公司的MSP430F147单片机，该型号为16位RISC结构，具有32k Flash，1kRAM。MSP430可在1.8～3.6V低电压下工作，系统采用3.3V工作电压。MSP430F147内置精度为12位200kps的A／D转换器，使用其中一路用于锂电池电压检测，当锂电池电压低于3.5V，通过开关控制关闭LED并进入低功耗模式，以保护电池。MSP430F147具有5种低功耗模式，使用LPM4模式时最低功耗可降至0.1uA。
LED驱动(305)，实施方案1如图4所示，实施方案2如图7所示。
通信接口(306)，用于设置发光装置内置编号，采用串口通信方式，通信芯片使用MAX232与MSP430F147连接，由MSP430F147解码。
实施方案1：
如图4所示，LED驱动使用SIPex公司的低压差LED驱动芯片SP7614驱动LED，SP7614是基于灌电流型的降压LED驱动器，在电池电压大于或者等于保护电压时，可保证流过LED的电流恒定，实现恒流驱动，工作状态下LED电流为流过电流设置电阻(401)电流的200倍。处理器通过PWM脉冲控制LED电流使LED闪烁实现信号发送。当锂电池电压低于3.5V，通过对SP7614开关控制口关闭LED并进入低功耗模式。为避免产生电弧或者火花，手动控制开关接在地上。LED采用红外LED，所发光肉眼不可见，在视频图像中可见。
通信编码方法如图5所示。以较为常用的PAL视频格式为例，每秒视频含有25帧，每帧的间隔时间为1／25秒，发光装置闪烁间隔时间为2帧时表示二进制数0，闪烁间隔时间为4帧时表示二进制数1，一次连续发送多位二进制数，这里以一次发送16位二进制数为例，即一次可发送2字节的数据。当发送完毕则LED停止闪烁，在下一次通信之前始终保持亮灯状态，两次发送数据的时间间隔应超过10帧时。接收端可根据连续亮灯的帧数判断这一组16位二进制数据是否已经发送完毕，同时可根据下一次闪烁判断下一组数据开始时间。
视频识别服务器接收识别发光装置发送数据的过程如图6所示，具体过程如下：
1.(601)视频识别服务器将视频信息流还原为视频图像帧序列。
2.(602)对图像帧通过滤波和特征匹配算法进行处理，分割出发光装置图像，实现对发光装置的跟踪定位。
3.(603)每处理检测一帧后帧计数器加1。
4.(604)确定发光装置位置区域后检测每帧图像中的发光装置亮度，用阈值对发光装置亮度进行判断，如亮度低于阈值则判定发光装置闪烁一次并执行(605)，否则执行(609)。
5.(605)根据数据计数器的值判定是否为数据组发送的的第一个二进制数的起始帧，如数据计数器为零则判定为起始帧，执行(606)，否则执行(607)。
6.(606)帧计数器清零，返回执行(601)。
7.(607)如帧计数器为2或3则判定接收二进制数为0，如果计数值为4或5则判定接收二进制数为1，执行(608)。
8.(608)数据计数器加1，并执行(606)。
9.(609)如帧计数器值大于10且数据计数器不为0，则判定已结束数据组发送执行(610)，否则不做处理返回(601)。
10.(610)如接收的16位二进制数据达到16位，则判断接收到一组完整的16位二进制数据执行(611)，否则判定本组数据接收失败执行(613)。
11.(611)解析已收到的数据，获得信息内容，实现发光装置到识别系统上的单工通信。
12.(612)根据发光装置使用记录和通过以上方法获得的发光装置编号实现对发光装置使用人员的身份识别。
13.(613)数据计数器清零并执行(606)。
实施方案2：
如图7所示，LED驱动使用点晶公司的三通道LED恒流驱动芯片DD313，芯片具有过热新电及过电流保护功能；DD313内建三个恒流输出通道，可直接驱动红绿蓝三合一LED管，通过三个外挂电阻分别设定输出电流值；MSP430F147通过三个控制端口分别独立控制三输出通道的开关时间，从而实现对红绿蓝三色的控制，切换频率最高为1MHz。
本方案的通信编码方法如图8所示，本示例使用红色和绿色的LED传输数据，红色亮绿色灭表示二进制1，绿色亮红色灭表示二进制0，红色与绿色不可同时亮。一个字节数据发送过程如下：通信前红色保持常亮；以二进制0为起始位；随后连续发送8位数据位；接着发送一个奇校验位；以1作为停止位。
视频识别服务器接收识别发光装置发送数据的过程如图9所示，具体过程如下：
1.(901)视频识别服务器将视频信息流还原为视频图像帧序列。
2.(902)对图像帧通过滤波和特征匹配算法进行处理，分割出发光装置图像，实现对发光装置的跟踪定位。
3.(903)判断是否已经开始接收新的字节数据，如果已经开始接收继续执行(905)，如果没有执行(904)。
4.(904)根据LED颜色判断是否为起始位，如果为绿色则接收状态标志置位(918)，进入接收当前字节数据状态。
5.(905)判断LED颜色，如为红色执行(906)接收为二进制数1，否则执行(907)接收为二进制数0。
6.(908)位计数器加1。
7.(909)判断位计数器是否大于8，如大于8则表明当前字节的数据部分已经接收完，直接执行(910)。
8.(910)判断LED颜色，如为红色表示当前帧为停止位，执行(911)。
9.(911)位计数器清零，准备接收下一字节数据。
10.(912)接收状态标志复位，直至接收到下一字节的起始位。
11.(913)数据计数器加1。
12.(914)判断数据计数器是否大于指定值，如大于说明当前一组数据已接收完成，继续执行(915)。
13.(915)对接收到的一组数据根据通信协议进行解析。
14.(916)数据中获得发光装置编号与上发的信息内容。
15.(917)数据计数器清零，准备接收下一组数据。
Claims (6)
1.一种基于发光装置的单工通信与识别方法，其特征在于：在矿井中，使用控制电路控制发光装置的发光源的亮度或颜色变化以发送信息，摄像机采集包含发光装置的现场视频，视频接收端自动分析视频中发光装置所发光的亮度值、颜色、亮度变化的次数或亮度变化间隔时间的不同判断发光装置所发送信息的码元，解析不同码元获得信息，实现发光装置到摄像机视频接收端的单工通信，并对发光装置的进行识别。
2.如权利要求1所述的通信与识别方法，其特征在于：发光装置控制发光源发光，所发光可为不同颜色的光或红外线等肉眼不可见光。
3.如权利要求1所述的通信与识别方法，其特征在于：发光装置使用控制电路控制所有发光源所发光的亮度值。
4.如权利要求1所述的通信与识别方法，其特征在于：视频接收端通过分析视频中发光装置所发光的亮度值、颜色、亮度变化的次数或亮度变化间隔时间的不同判断发光装置所发送信息的码元。
5.如权利要求4所述的通信与识别方法，其特征在于：视频接收端根据码元的不同获取发光装置所发送的信息。
6.如权利要求5所述的通信与识别方法，其特征在于：视频接收端根据发光装置所发送的不同信息实现对发光装置的识别。
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