CN112260755A - 一种煤矿采煤工作面的异构网络通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种煤矿采煤工作面的异构网络通信系统，涉及煤矿井下通信技术领域。包括终端设备、基站及网关设备，终端设备包括无线通信模组，包括LIFI模块和WIFI模块；终端设备，用于根据信号强度自行切换无线传输模式；所述基站至少也包括LIFI模块和WIFI模块；分别用于实现数据信息的双向无线传输通信；网关设备，用于将上行链路或下行链路当前节点信息转换为下一节点设备可识别信息，并发送到下一节点设备。本装置可以打破传统无线电通信技术的制约，兼容不同种类的网络类型，为搭建煤矿智能化工业互联网平台、煤矿大数据平台、矿井综合管控平台等应用场景提供高速可靠的底层数据通信链路。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下通信技术领域，特别是涉及一种煤矿采煤工作面的异构网络通信系统。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，在长时间内的一段时间内仍将是支撑我国经济发展的重要基础。我国智慧矿山的建设工作目前已经进入初级阶段，智能化将是我国煤矿未来发展的主旋律，通信作为煤矿生产最重要的系统之一更是直接影响着煤矿企业整体的效益。
通信系统是实现数据驱动的智能化采煤的重要基石。煤矿井下人员定位及车辆无人驾驶等移动目标监测，硐室无人巡查，井下环境感知，采掘设备状态监测及控制，机械设备远程维护，透明矿井建设等智能化应用场景都需要大带宽、低延时网络的支持。井下无线通信经历了PHS(Personal Handy-phoneSystem，小灵通)，3G，4G，WiFi，LoRa，Zigbee，UWB等通信技术，主要用于井下语音、图像和数据通信功能，其存在一些通信质量、速度等技术短板问题，制约着煤矿井下通信的可靠性。而最新的第五代移动通信技术(5G)在煤炭行业处于初级应用阶段，通信架构、井下覆盖范围、成本、能耗等针对性的技术问题仍处于研究探索过程中。
随着近年来通信技术的快速发展，通信技术已由有线向无线、电通信向光通信方向演进，多种通信技术融合并存、优势互补能够有效克服煤矿应用的瓶颈。高带宽网络、精准定位导航、多网络数据融合亦是下一代网络的必然趋势。
因此，有必要提供以一种可以替代或补充现有短距离无线通信技术劣势，网络兼容性强，可为搭建煤矿智能化工业互联网平台、煤矿大数据平台、矿井综合管控平台等提供高速可靠的底层数据通信链路的煤矿采煤工作面的网络通信系统。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种煤矿采煤工作面的异构网络通信系统，可以打破传统无线电通信技术的制约，兼容不同种类的网络类型，从而可为搭建煤矿智能化工业互联网平台、煤矿大数据平台、矿井综合管控平台等应用场景提供高速可靠的底层数据通信链路。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明实施例提供一种煤矿采煤工作面的异构网络通信系统，包括：终端设备、基站及网关设备；
所述终端设备包括数据采集模块及无线通信模组，所述无线通信模组包括PCB板，在所述PCB板上设有LIFI模块和WIFI模块；
所述基站至少也包括LIFI模块和WIFI模块；其中，
所述LIFI模块与WIFI模块，分别用于实现数据信息的双向无线传输通信；
所述基站的LIFI模块和WIFI模块分别与所述网关设备通过PON或POE或PLC或5G模块连接；
所述终端设备，用于根据信号强度自行切换无线传输模式，所述无线传输模式包括：LIFI模块上下行双向传输、WIFI模块上下行双向传输、及LIFI模块下行传输和WIFI模块上行传输模式；
所述网关设备，用于将上行链路或下行链路当前节点信息转换为下一节点设备可识别信息，并发送到下一节点设备。
可选地，所述LIFI模块包括：发射单元和接收单元；
所述发射单元包括编码调制模块、第一放大器模块、光源驱动模块及LED光源，所述编码调制模块、第一放大器模块、光源驱动模块及LED光源从左到右依次电连接；
所述接收单元包括光电探测模块、第二放大器模块、滤波模块、编码解调模块、基带处理模块及解调解码模块，所述光电探测模块、第二放大器模块、滤波模块、编码解调模块、基带处理模块及解调解码模块从左到右依次点连接。
可选地，所述WIFI模块采用WIFI5或WIFI6通信芯片。
可选地，所述第二放大器模块与所述滤波模块之间还设有光电倍增模块，所述光电倍增模块的输入端与所述第二放大器模块的输出端电连接，其输出端与所述滤波模块的输入端电连接。
可选地，所述光电探测模块包括光电二极管或图像传感器。
可选地，终端设备还包括供电模块及处理器，所述供电模块用于为各个模块供电，所述处理器输入端连接于所述数据采集模块，所述处理器输出端分别连接LIFI模块与WIFI模块。
可选地，所述网关设备包括PON光分路由模块或POE转发模块或PLC转发模块或5G转发模块。
可选地，所述数据采集模块包括：倾角传感器、压力传感器、行程传感器、视觉传感器及激光测距传感器。
本发明实施例提供的煤矿采煤工作面的异构网络通信系统，包括：终端设备、基站及网关设备，其中的终端设备和基站中分别集成了LIFI模块和WIFI模块两种不同网络类型的无线通信方式，可以兼容至少两种不同种类的网络类型，且LIFI模块通信模块可以实现基于可见光无线通信(LIFI)的数据传输通信方式，而可见光无线通信兼具无线和光的特性，具有宽频谱、无电磁辐射及电磁干扰、且绿色节能；使得该数据传输装置在煤矿上通信不受电力电子设备辐射影响，通信信号质量较好；而且宽频谱提升了传输装置的兼容性，可与井下工业太环网、5G、电力线等有线网络结合，实现广覆盖、高速、稳定可靠的信息通信，打破了传统无线电通信技术的制约，从而可为搭建煤矿智能化工业互联网平台、煤矿大数据平台、矿井综合管控平台等应用场景提供高速可靠的底层数据通信链路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明中煤矿采煤工作面的异构网络通信系统一实施例组成结构示意图；
图2是图1中发射单元一实施例结构示意框图；
图3是图1中接收单元一实施例结构示意框图；
图4是图1中终端设备一实施例结构示意框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。本文所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种煤矿采煤工作面的异构网络通信系统，适用于煤矿井中智能化采煤设备间的数据通信，可以为搭建煤矿智能化工业互联网平台、煤矿大数据平台、矿井综合管控平台等提供高速可靠的底层数据通信链路。
如图1至图4所示，所述煤矿采煤工作面的异构网络通信系统兼容了多种网络类型的通信方式。其中，异构网络为通信技术领域的术语，简单说指的是不同类型的无线网络接入系统且智能地实现耦合，利用多模终端智能化的接入手段，使多种不同类型的网络共同为用户提供随时随地的无线接入服务。其包括：终端设备、基站及网关设备。
其中，所述终端设备包括数据采集模块及无线通信模组，所述无线通信模组包括PCB板，在所述PCB板上设有LIFI(英文名Light Fidelity，简称LiFi；是一种利用可见光波谱，例如灯泡发出的光，进行数据传输的全新无线传输技术)模块和WIFI模块；所述基站至少也包括LIFI模块和WIFI模块；在一些实施例中，所述基站还包括照明设备，用于现场照明；其中，
所述LIFI模块与WIFI模块，分别用于实现数据信息的双向无线传输通信；
具体地，所述LIFI模块，用于实现终端、基站与网关设备之间进行双向信息无线传输通信；
所述WIFI模块，用于实现终端、基站与网关设备之间进行双向信息无线传输通信；
所述终端设备的无线通信模组与所述网关设备通过PON或POE或PLC或5G模块连接；所述PON是一种典型的无源光纤网络；POE((Power Over Ethernet))也被称为基于局域网的供电系统(POL，Power over LAN)或有源以太网(Active Ethernet)，有时也被简称为以太网供电。PLC(Power Line Communication)是电力线通信；5G(5th generation mobilenetworks)通信是最新一代蜂窝移动通信技术。
所述网关设备包括PON光分路由模块或POE转发模块或PLC转发模块或5G转发模块。
所述终端设备，用于根据信号强度自行切换无线传输模式，所述无线传输模式包括：LIFI模块上下行双向传输、WIFI模块上下行双向传输、及LIFI模块下行传输和WIFI模块上行传输模式；
所述网关设备，用于将上行链路或下行链路当前节点信息转换为下一节点设备可识别信息，并发送到下一节点设备；如图1所示，所述下一节点设备包括服务器。
根据上行链路或下行链路的区别，下一节点设备包括的设备有所不同，数据的上游和下游端设备均可以成为下一节点设备。
本发明实施例提供的煤矿采煤工作面的异构网络通信系统，包括：终端设备、基站及网关设备，其中的终端设备和基站中分别集成了LIFI模块和WIFI模块两种不同网络类型的无线通信方式，可以兼容至少两种不同种类的网络类型，且LIFI模块通信模块可以实现基于可见光无线通信(LIFI)的数据传输通信方式，而可见光无线通信兼具无线和光的特性，具有宽频谱、无电磁辐射及电磁干扰、且绿色节能；使得该数据传输装置在煤矿上通信不受电力电子设备辐射影响，通信信号质量较好；而且宽频谱提升了传输装置的兼容性，可与井下工业太环网、5G、电力线等有线网络结合，实现广覆盖、高速、稳定可靠的信息通信，打破了传统无线电通信技术的制约，从而可为搭建煤矿智能化工业互联网平台、煤矿大数据平台、矿井综合管控平台等应用场景提供高速可靠的底层数据通信链路。
具体地，所述LIFI模块包括：发射单元和接收单元；
如图2所示，所述发射单元包括编码调制模块、第一放大器模块、光源驱动模块及LED光源，所述编码调制模块、第一放大器模块、光源驱动模块及LED光源从左到右依次电连接；
如图3所示，所述接收单元包括光电探测模块、第二放大器模块、滤波模块、编码解调模块、基带处理模块及解调解码模块，所述光电探测模块、第二放大器模块、滤波模块、编码解调模块、基带处理模块及解调解码模块从左到右依次点连接。
可以理解的是，由于可见光信号进入自由空间中存在环境光噪声，可以通过发射单元的LED光源与所述接收单元的光电探测模块相对设置，使可见光以最优路径到达接收端，从而减少可见光的损失量及环境光噪声，提高可见光信号传输质量及距离。
其中，发射单元的调制编码模块，主要是用于将原始的数据信号流进行编码调制，并针对可见光信道衰落进行预均衡处理；
光源驱动模块，用于接收调制编码模块传送的经过预处理的电信号，使所述电信号与LED驱动电流耦合，从而将信号加载到LED光源上进行传输发送，实现信号的电-光转换及信号基于可见光无线传输的任务。
其中，LED光源为白光LED光源，主要有两种：蓝光荧光粉LED(P-LED)和红绿蓝LED(R GB LED)。
在本实施例中，加载到LED光源上的信号发送至接收单元。为了提高接收单元接收光的光强、增加光的传输距离，所述发射单元还包括第一聚光模块，所述聚光模块设置于所述LED光源出射光光路上，所述第一聚光模块的输出端与所述接收单元的光电探测模块相对设置。优选地，所述第一聚光模块的实现方式为：在LED光源的出射光路上设有光学透镜，在所述LED光源的外周上设置聚光杯，用于减小光束的发射角，进而提高接收端接收到的光强，且增加了作为信号传输媒介的光的传输距离。
发射单元通过LED光源发射可见光信号后，可见光信号进入自由空间信道传输，并被接收单元中与LED光源相对设置的光电探测模块接收，尽管光信号主要以直射的方式到达光电探测模块，但为了提高接收端光照度、增加传输距离和接收信号信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)，作为一可选实施例，在可见光光电探测模块之前设置第二聚光模块，所述第二聚光模块与所述第二聚光模块可以采用相同的组成元件，所述第二聚光模块例如可以采用聚光透镜、聚光罩等实现可见光聚焦。具体地，所述第二聚光模块设置于所述光电探测模块之前、位于入射光光路上，所述第二聚光模块与所述第一聚光模块相对且同轴设置，所述第二聚光模块还与所述接收单元的光电探测模块相对设置。
光电探测模块接收到可见光之后，进行信号的光-电转换，将可见光信号转换成电信号向下一级传输。
通过对发射单元与接收单元进行改进，在其中至少设置最基本的具有将电信号转换成光信号进行传输，并最终再转换成电信号发送出去的光源驱动模块、LED光源及光电探测模块，使发射单元与接收单元相互配合，实现了可见光无线通信，具有宽频谱、无电磁辐射及电磁干扰、绿色节能等优点。
在一些实施例中，所述光电探测模块包括光电二极管或图像传感器(Imagingsensor)。
所述光电二极管可以为雪崩光电二极管(英文简称APD)。其中，光电二极管多用于高速可见光通信系统，而图像传感器可以用于低速多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，MIMO)可见光通信系统中。
在光电探测模块将转换后的电信号向下一级传输到滤波模块，滤波模块用于滤除信号中的杂波噪声，并将经过滤波处理的电信号继续向下一级传输至编码解调模块。
编码解调模块用于进行信号的恢复和预处理，并将恢复的基带信号发送至基带处理模块；所述基带处理模块用于消除基带信号的损伤和噪声干扰后输出带通信号至解调解码模块；解调解码模块，用于对接收信号进行解调和解码处理，恢复原始发射信号。
具体地，所述基带处理模块与解调解码模块，用于基于数字信号恢复和均衡算法，得到消除损伤和噪声的影响的带通信号，解调解码模块，对所述带通信号进行解调和解码，从而恢复出原始发射信号。
所述第一放大器模块，用于放大进入的电信号。
所述第二放大器模块，用于放大电信号，通过将所述第二放大器模块连接于所述光电探测模块与所述滤波模块之间，可以放大接收端的电信号。
在一些实施例中，所述第二放大器模块与所述滤波模块之间还设有光电倍增模块，用于接收从第二放大器模块放大的电子信号，并将电子信号倍增，得到更多的电子信号出射，形成信号电流；所述光电倍增模块的输入端与所述第二放大器模块的输出端电连接，其输出端与所述滤波模块的输入端电连接。
所述光电倍增模块可以采用现有的光电倍增管，实现电子信号的倍增放大。
所述WIFI模块采用WIFI5或WIFI6通信芯片。
参看图4所示，所述终端设备还包括供电模块及处理器，所述供电模块用于为各个模块供电，所述处理器输入端连接于所述数据采集模块，所述处理器输出端分别连接LIFI模块与WIFI模块。
前述的数据采集模块包括：倾角传感器、压力传感器、行程传感器、视觉传感器及激光测距传感器；用于采集数据并发送至处理器。
为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案与技术效果，现结合煤矿井中具体实现液压支架位置信息数据的传输为例进行说明如下。
其中，液压支架上设有所述终端设备，终端设备包括供电模块，处理器MCU模块，数据转换模块、数据采集模块及无线通信模组，所述数据采集模块采用倾角传感器，用于采集液压支架的姿态信息，所述无线通信模组LIFI模块和WIFI模块。
在煤矿现场设有基站，该基站包括照明设备、LIFI模块和WIFI模块；用于与终端设备及网关设备分别实现无线通信。
本装置的工作流程：
步骤一：倾角传感器将监测的液压支架的姿态信息数据经过数据转换模块传送至处理器MCU；
步骤二：处理器MCU根据无线信号强度自行切换无线传输模式，选择LIFI或WIFI进行传输数据至基站；
步骤三：基站将接收的数据进行光电转换之后发送至网关设备；
步骤四：网关设备将接收的数据继续传送至下一节点设备，例如工作面集控中心。
本发明实施例提供的无线异构网络通信系统，兼容了多种网络类型，在多个网络类型之间可以进行切换，从而保证了通信的质量。
其中，欧洲电信标准协会(ETSI)针对异构网络融合定义了紧耦合和松耦合两种架构，本方案中采用松耦合模式，实现LIFI和WiFi网络的互联互通。
在松耦合模式下，LIFI与WiFi网络分别执行各自的物理层和MAC层协议，两种网络间信令信息通过基站和网关实现基于IP层的融合。
步骤二中，处理器MCU根据信号强度自行切换无线传输模式包括步骤：
(1)设备上电后，检测当前覆盖网络的信号强度；
(2)处理器MCU经过计算得到切换方案，根据得到的切换方案进行LIFI与WiFi网络切换控制。
具体地，还包括：对当前网络的信号强度进行周期性检测，判断是否进行切换。
在一些实施例中，在步骤(2)中，所述处理器MCU经过计算得到切换方案，根据得到的切换方案进行LIFI与WiFi网络切换控制包括：定义切换阈值，基于步骤(1)检测到的当前覆盖网络的信号强度ΔRSS与所述切换阈值进行比较，当ΔRSS值小于切换阈值时，LIFI切换到WIFI网络；当ΔRSS值大于切换阈值时，WIFI切换到LIFI网络。
具体步骤为：周期性检测LIFI网络的ΔRSS值，当ΔRSS小于切换阈值时，启动切换定时器T(定义值)，若LIFI网络的信号强度ΔRSS在定时时间内始终小于切换阈值时，发起从LIFI网络到WiFi网络的切换，否则，继续利用LIFI链路。同样地，连接到WiFi网络后周期性检测LIFI网络的ΔRSS值，若LIFI网络的ΔRSS值在定时时间内始终大于定义的切换阈值，发起切换。
ΔRSS的计算方法如下：
设{RSS(1)，RSS(2)，…，RSS(n)}为最近n次接收信号强度的采样值。ΔRSS为最近n次RSS变化累加和，则：
更具体地，与现有技术相比本方案还具有以下优势：
(1)无电磁干扰。解决了煤矿井下应用大量的电力电子设备，设备使用过程中会产生一定的谐波和电磁干扰，将导致无线信号出现反射、绕射、遮蔽、干扰等现象。基于可见光无线通信方案不受电力电子设备辐射影响。
(2)频谱丰富。由于可见光谱带宽远高于目前在用的无线频谱带宽，具备高速通信能力。另外，射频信号频谱资源紧张，影响通信质量。本实施中通信方案基于可见光无线通信，由于可见光频谱的宽度是射频频谱的1万倍，无需考虑频谱互相干扰的问题，通信质量较好。
(3)低成本广覆盖。井下电缆敷设成本高，维护工作量大，可见光设备可复用现有照明电力线、环网，无需再新建基础设施，有利于系统的小型化、低成本设计。
(4)兼容性强。可与井下工业太环网、5G、电力线等有线网络结合，在井下不同的生产场景，实现广覆盖、高速、稳定的信息通信。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种煤矿采煤工作面的异构网络通信系统，其特征在于，包括：终端设备、基站及网关设备；
所述终端设备包括数据采集模块及无线通信模组，所述无线通信模组包括PCB板，在所述PCB板上设有LIFI模块和WIFI模块；
所述基站至少也包括LIFI模块和WIFI模块；其中，
所述LIFI模块与WIFI模块，分别用于实现数据信息的双向无线传输通信；
所述基站的LIFI模块和WIFI模块分别与所述网关设备通过PON或POE或PLC或5G模块连接；
所述终端设备，用于根据信号强度自行切换无线传输模式，所述无线传输模式包括：LIFI模块上下行双向传输、WIFI模块上下行双向传输、及LIFI模块下行传输和WIFI模块上行传输模式；
所述网关设备，用于将上行链路或下行链路当前节点信息转换为下一节点设备可识别信息，并发送到下一节点设备。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述LIFI模块包括：发射单元和接收单元；
所述发射单元包括编码调制模块、第一放大器模块、光源驱动模块及LED光源，所述编码调制模块、第一放大器模块、光源驱动模块及LED光源从左到右依次电连接；
所述接收单元包括光电探测模块、第二放大器模块、滤波模块、编码解调模块、基带处理模块及解调解码模块，所述光电探测模块、第二放大器模块、滤波模块、编码解调模块、基带处理模块及解调解码模块从左到右依次点连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述WIFI模块采用WIFI5或WIFI6通信芯片。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二放大器模块与所述滤波模块之间还设有光电倍增模块，所述光电倍增模块的输入端与所述第二放大器模块的输出端电连接，其输出端与所述滤波模块的输入端电连接。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光电探测模块包括光电二极管或图像传感器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述终端设备还包括供电模块及处理器，所述供电模块用于为各个模块供电，所述处理器输入端连接于所述数据采集模块，所述处理器输出端分别连接LIFI模块与WIFI模块。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述网关设备包括PON光分路由模块或POE转发模块或PLC转发模块或5G转发模块。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：倾角传感器、压力传感器、行程传感器、视觉传感器及激光测距传感器。
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