CN104125015A - 一种基于可见光通信技术的井下人员定位方法 - Google Patents

Abstract

一种利用可见光通信技术实现井下人员定位的方法。该方法采用井下相邻照明LED灯之间的不同位置光强强弱的不同以及巷道照明LED灯的编号信息来确定人员位置。本方法的系统设计分为两部分：照明与控制系统和人员定位模块。照明与控制系统能够实时显示井下人员的位置信息并对照明矿灯进行控制。通过照明矿灯以光信号的形式发送照明矿灯自身的编号信息,同时利用位于其照明矿灯周围的PIN光电管接收移动矿灯发出的光信息。人员定位模块用于记录和处理井下人员的位置信息并将井下人员的位置信息通过井下人员自身携带的移动矿灯发送出去。利用本方法实现人员定位不仅兼顾了井下照明需求，而且具有无射频辐射、安全性高的优点。

Description

一种基于可见光通信技术的井下人员定位方法

技术领域

 本发明属于井下定位技术领域，涉及一种利用可见光通信技术实现井下人员定位的方法，尤其是能够在兼顾照明的情况下对井下人员进行实时定位。

背景技术

目前，公知的主流井下人员定位采用的技术方法主要有RFID技术、ZigBee技术、GIS技术以及WIFI技术。

RFID技术即射频识别技术，自20世纪80年代以来得到了迅猛的发展，其应用领域非常广阔。RFID技术的核心是计算机网络、无线电和大规模集成电路。RFID技术组成的系统十分庞大，主要组成部分有电子标签、阅读器、应用接口和通讯网络。当前，RFID技术能够实现双向识别通信。采用这种技术进行人员定位方式的成本高，技术难度大，易受干扰。这种定位方式还需加装专门的读卡器和外置天线。

ZigBee技术适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。基于ZigBee技术的人员定位系统是一个无线定位系统，这个系统由大量的传感器组成。基于ZigBee技术的无线定位模块分为两类：一类是ZigBee模块，另一类是移动定位模块。其中ZigBee模块的锚节点位置已知，是固定的，移动定位模块佩戴在井下人员身上，可移动。

GIS 技术即地理位置系统，用于获取、存储、查询、综合、处理、分析和显示与地球表面位置有关数据的计算机系统。在矿井救护中运用GIS技术，能够实时监控井下人员的位置。通过基于GIS技术的地理信息实时显示、查询井下情况。主要内容是任一时间井下或某个地点的具体人数、人员信息、每个人在井下任一时间的活动轨迹；查询一个或多个人员现在的实际位置，方便调度中心可快速正确地用电话联系该人员；查询有关人员在任一地点的到/离时间和总工作时间等一系列信息，可以督促和落实重要巡查人员。如瓦斯检测人员、温度检测人员、通风人员等是否按时到地点进行各项数据的测试和处理，从根本上杜绝因人为因素而造成的相关事故；可实现多点共享，供多个领导同时在不同地点查看。此外，此项技术还能够了解井下人员每时每刻在巷道中的实时动态分布，并根据井下的实际地理情况制作相应的动态图，使井下情况一目了然。

WIFI技术采用802.11a/b/g标准，它传输速度可达54Mbps,可与多种设备兼容。WIFI技术利用井下以太网络,在井下设立若干基站，通过无线网络覆盖井下巷道,利用WIFI手机、固定电话等终端设备来进行通讯，从而实现井上与井下的语音调度以及井下对井上、井下对井下之间的信息反馈。为生产调度、应急救援、安全监控等提供可靠的依据。

RFID技术、ZigBee技术、WIFI技术以及GIS技术因为采用无线方式进行人员定位，需要额外增加信号发射装置。此外，由于井下的无线信号衰减严重，通过无线方式进行井下人员定位就必须拥有相当数量的信号收发装置。而且，无线定位方式无法做到精确定位，其定位的精确程度往往取决于巷道中信号收发装置的数量。

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号，即时序上的‘1’和‘0’来传输信息的。可以实现高速数据传输。一方面，可见光通信技术将通信与照明系统结合起来，在室内可以实现高速上网，然而这仅限于背景光较弱的情况，也就是说室内可见光通信在夜晚或者说全黑的背景的情况下，才能有效的发挥其优点。而井下就是几乎没有背景光的、需要全天照明的一种工作环境，因此，可见光通信的优点可以在井下得到充分利用，在井下使用可见光通信技术既可满足通信需求，又能兼顾照明。另一方面，可见光通信技术作为一种新型的通信技术，与上述的四种定位方式相比，具有抗干扰能力强、安全性与可靠性强、发射功率高、对人体无伤害的特点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的井下定位系统不足，提供一种基于可见光通信技术的新型井下人员定位的方法。

本发明的技术方案

一种基于可见光通信技术的井下人员定位的方法，实现该方法的系统组成有照明与控制系统和人员定位模块两部分；

第一部分，照明与控制系统，包括显示与控制中心和巷道照明系统；

显示与控制中心，用于将巷道照明系统的每个照明矿灯编号、将照明矿灯的编号信息编码并将其发送至巷道照明系统，控制巷道照明系统的每个LED照明矿灯以光信号的形式发送各自的编号信息；

巷道照明系统，包括两个信号放大电路、LED驱动电路、LED照明矿灯以及PIN光电管。信号放大电路用于发射由显示与控制中心输出的信息。LED驱动电路控制LED照明矿灯的明暗变化以表示发送信号‘1’和‘0’，经过编码的信号调制到LED照明矿灯并以光信号的形式发送出去。

第二部分，人员定位模块，包括编号信息接收部分、光强度信息接收部分、 光信号发送部分及中央控制单元；编号信息接收部分包括前后两个PIN光电管、信号放大器和位置信息处理电路；前后两个PIN光电管与垂直方向成45°倾角；光强度信息接收部分包括前后两个光强检测器、强度比较电路、模数转换器、编码器；前后两个光强检测器与垂直方向成45°倾角；光信号发送部分包括LED驱动电路和移动矿灯；当照明矿灯的灯光照射在光强检测器和PIN光电管时，前后光强检测器检测出光强值、前后PIN光电管得出井下人员所处的最近的两个LED照明矿灯的编号信息；

该定位方法具体包括：

第1、显示与控制中心将井下LED照明矿灯逐个编号并编码，控制井下照明系统的每个LED照明矿灯将各自的编号信息以光信号的形式发送出去；

第2、人员定位模块的光强检测器和PIN光电管接收到来自LED照明矿灯的光信号，经过处理后转换为井下人员的位置信息，然后井下人员佩戴的移动矿灯将此位置信息以光信号的形式发送出去；

第3、位于井下LED照明矿灯周围的PIN光电管接收到来自移动矿灯发送的光信号，光信号中包含的井下人员位置信息，此位置信息经过信号线传送至显示与控制中心；

第4、显示与控制中心将井下人员的位置信息解码后通过显示器显示出来,这样就确定了井下人员的实时位置；

本发明的有益效果

由于井下是全天候的照明环境，利用巷道照明系统作为信号发送基站，无需额外安装信号发射装置。采用可见光通信技术发送信息不仅结合了井下照明需求和人员定位需求，而且数据发送速度快，具有成本低效率高的特点。

利用可见光通信技术实现人员定位具有无射频辐射、安全性高、抗干扰能力强的优点。而且利用此人员定位方法能够扩展语音通话功能，具有很好的功能拓展性。

 

附图说明

 图1是系统整体示意图。

图2是本发明的照明与控制系统示意图。

图中1显示与控制中心，2巷道照明系统

图 3 是本发明的人员定位模块示意图。

图中 3 编号信息接收部分，4 光强度信息接收部分， 5 光信号发送部分

6  中央控制单元。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

 

具体实施方式  

   基于可见光通信技术的人员定位系统的整体示意图如图1所示。包括显示与控制中心、巷道照明系统和人员定位模块。

如图2所示的照明与控制系统，包括显示与控制中心1和巷道照明系统2两部分，两者通过信号线连接。

显示与控制中心1，包括中央处理单元、模数转换器、编码器、信号放大电路、解码器、数模转换器、显示器驱动电路、显示器。中央处理单元分别双向连接模数转换器、编码器、数模转换器、显示器驱动电路以及解码器；模数转换器同时连接编码器，编码器连接信号放大电路，信号放大电路通过信号线再与巷道照明系统中的输入端信号放大电路连接；解码器同时连接数模转换器；显示器驱动电路同时连接显示器。

巷道照明系统2，包括两个信号放大电路、LED驱动电路、LED照明矿灯以及PIN光电管。输入端信号放大电路和显示与控制中心的输出端信号放大电路连接，并同时连接LED驱动电路，LED驱动电路连接LED照明矿灯；PIN光电管与输出端信号放大电路由信号线连接，输出端信号放大电路连接至显示与控制中心的解码器。巷道照明系统的LED驱动电路与LED照明矿灯相连接。

中央处理单元位于显示与控制中心。中央处理单元控制产生各个巷道LED照明矿灯的编号信息并发送每个照明矿灯的编号信息至照明矿灯各自的LED驱动电路，以其自身的编号信息通过LED驱动电路控制LED照明矿灯自身的亮灭。模数转换器、编码器在中央处理单元的控制下实现照明矿灯编号信息的模数转换和编码。为兼顾照明，编码采用曼彻斯特码，避免照明矿灯长时间处于‘亮’或‘灭’的状态。照明矿灯的编号信息经过显示与控制中心的信号放大电路后，由信号线传送至巷道照明系统。巷道照明系统的信号放大电路对照明矿灯的编号信息进行再放大，经过放大后的照明矿灯的编号信息是以二进制的形式，即‘0’和‘1’的形式存在的信息。以二进制形式存在的照明矿灯的编号信息也就是LED驱动电路的控制信号，不断发送的控制信号形成LED驱动电路的控制流，信号‘1’控制LED照明矿灯的‘亮’，信号‘0’控制LED照明矿灯的‘灭’。在LED驱动电路控制下，照明矿灯高速切换‘亮’与‘灭’两种状态，照明矿灯自身的编号信息就以光信号的形式发送出去。

如图3所示的人员定位模块，包括编号信息接收部分3、光强度信息接收部分4、光信号发送部分5以及中央控制单元6。

编号信息接收部分3，包括前置和后置PIN光电管、与前置和后置PIN光电管连接的信号放大器、与信号放大器连接的位置信息处理电路。

光强度信息接收部分4，包括前置和后置光强度检测器、与前置和后置光强度检测器连接的强度比较电路、与强度比较电路连接的模数转换器、与模数转换器连接的编码器。

光信号发送部分5，包括LED驱动电路和与之连接的移动矿灯。

中央控制单元，分别双向连接编号信息接收部分中的位置信息处理电路，光强度信息接收部分中的强度比较电路、模数转换器以及编码器；光强度信息接收部分中的编码器同时双向连接编号信息接收部分中的位置信息处理电路；编号信息接收部分中的位置信息处理电路同时连接光信号发送部分中的LED驱动电路。

中央控制单元在程序控制下协调人员定位模块各部分的工作。

当井下人员处于某一位置时，一方面，位于人员定位模块的前置和后置的PIN光电管能够接收来自巷道照明系统发送的最近的井下照明矿灯的光信号，即以‘亮’和‘灭’两种状态表示的二进制信息，代表着每个照明矿灯各自的编号信息。照明矿灯的编号信息经过位置信息处理电路就可以知道井下人员的大体位置，即可以确定井下人员所处的最近的两个照明矿灯的编号信息。另一方面，位于人员定位模块的前置和后置的光强感应器能够检测来自最近的两个照明LED灯的各自的平均光强，通过信号放大电路的处理后，在中央控制单元的控制下，强度比较电路能够计算出两个光强度值的比值，根据这个比值就可以判断出人员位于两个LED照明矿灯之间的具体位置。利用模数转换器将所得到的强度比值信息数字化，经过编码器编码，发送至位置信息处理电路。

前面所述的大体位置信息和具体位置信息由位置信息处理电路处理为统一的位置信息，也就是说，经过位置信息处理电路后生成的这条信息记录着井下人员的位置信息。这条位置信息也同样以二进制信号的形式存在，形成LED驱动电路的控制流，使移动矿灯按照这条位置信息的内容实现‘亮’和‘灭’两种状态的高速切换，即以光信号的形式将井下人员的位置信息发送出去。

如图2所示的巷道照明系统，包括信号发送端和信号接收端两部分。信号发送端部分包括信号放大电路、LED驱动电路以及LED照明矿灯。信号接收端包括PIN光电管和信号放大电路两部分。PIN光电管在照明矿灯的周围固定，能够接收到来自移动矿灯的光信号。移动矿灯发送的光信号表示井下移动矿灯携带者的位置信息。照明矿灯周围的PIN光电管接收到来自移动矿灯的光信号，经过信号放大电路放大后，由信号线发送至显示与控制中心。在中央处理单元控制下，解码器和模数转换器开始工作，将井下人员的位置信息解码、模数转换后经中央处理单元处理，生成可用于显示器显示的位置数据，显示器在显示器驱动电路的控制下显示出井下人员的位置及其移动情况。

当多个井下人员移动时，系统能够实时获取每位井下人员的实时位置信息并通过如图2所示的显示器实时显示。这样就实现了对井下人员的实时定位，使井下人员的动态情况一目了然。

Claims (1)

1.一种基于可见光通信技术的井下人员定位的方法，其特征在于：实现该方法的系统组成有照明与控制系统和人员定位模块两部分：

照明与控制系统，包括显示与控制中心和巷道照明系统；

显示与控制中心用于将巷道照明系统的每个照明矿灯编号、将照明矿灯的编号信息编码并将其发送至巷道照明系统、控制巷道照明系统的每个LED照明矿灯以光信号的形式发送各自的编号信息；

巷道照明系统，包括两个信号放大电路、LED驱动电路、LED照明矿灯以及PIN光电管；

信号放大电路用于发射由显示与控制中心输出的信息；

LED驱动电路控制LED照明矿灯的明暗变化以表示发送信号‘1’和‘0’，经过编码的信号调制到LED照明矿灯并以光信号的形式发送出去；

人员定位模块，包括编号信息接收部分、光强度信息接收部分、 光信号发送部分及中央控制单元；编号信息接收部分包括前后两个PIN光电管、信号放大器和位置信息处理电路；前后两个PIN光电管与垂直方向成45°倾角；光强度信息接收部分包括前后两个光强检测器、强度比较电路、模数转换器、编码器；前后两个光强检测器与垂直方向成45°倾角；光信号发送部分包括LED驱动电路和移动矿灯；当LED照明矿灯的灯光照射在光强检测器和PIN光电管时，前后光强检测器检测出光强值、前后PIN光电管得出井下人员所处的最近的两个LED照明矿灯的编号信息；

具体定位方法包括：

第1、显示与控制中心将井下LED照明矿灯逐个编号并编码，控制井下照明系统的每个LED照明矿灯将各自的编号信息以光信号的形式发送出去；

第2、人员定位模块的光强检测器和PIN光电管接收到来自LED照明矿灯的光信号，经过处理后转换为井下人员的位置信息，然后井下人员佩戴的移动矿灯将此位置信息以光信号的形式发送出去；

第3、位于井下LED照明矿灯周围的PIN光电管接收到来自移动矿灯发送的光信号，光信号中包含的井下人员位置信息经过信号线传送至显示与控制中心；

第4、显示与控制中心将井下人员的位置信息解码后通过显示器显示出来,这样就确定了井下人员的实时位置。