CN112636829A - 一种煤矿采煤工作面无线通信数据传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种煤矿采煤工作面无线通信数据传输装置，涉及煤矿井下通信技术领域。包括发射单元和接收单元；发射单元包括编码调制模块、光源驱动模块及LED光源，编码调制模块、光源驱动模块及LED光源从左到右依次电连接；接收单元包括光电探测模块、滤波模块、编码解调模块、基带处理模块及解调解码模块，光电探测模块、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电连接。本装置可以打破传统无线电通信技术的制约，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无线通信数据传输装置。
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，有必要提供以一种新的可以替代或补充现有短距离无线通信技术劣势，为智能化采煤的实现提供高速可靠的底层数据通信链路的煤矿采煤工作面无线通信数据传输装置。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种煤矿采煤工作面无线通信数据传输装置，可以打破传统无线电通信技术的制约，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无线通信数据传输装置，包括：壳体，在所述壳体中设有印制电路板，在所述印制电路板上设有发射单元和接收单元：
所述发射单元包括编码调制模块、光源驱动模块及LED光源，所述编码调制模块、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、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、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电连接。
可选地，所述发射单元还包括第一放大器模块，所述第一放大器模块的输入端与所述编码调制模块的输出端电连接，输出端与所述光源驱动模块的输入端电连接。
可选地，所述发射单元还包括第一聚光模块，所述第一聚光模块设置于所述LED光源出射光路上。
可选地，所述接收单元还包括第二放大器模块，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。
本发明实施例提供的煤矿采煤工作面无线通信数据传输装置，其中的发射单元包括编码调制模块、光源驱动模块及LED光源，接收单元包括光电探测模块、滤波模块、编码解调模块、基带处理模块及解调解码模块。由于所述发射单元用于将接收的电信号转换成可见光信号，并发射给接收单元的光电探测模块，实现了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无线通信数据传输装置一实施例信号流传递关系示意图；
图2是图1中发射单元一实施例结构示意图；
图3是图1中接收单元一实施例结构示意图。
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，为了凸显本发明的发明主旨，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无线通信数据传输装置，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3所示，所述无线通信数据传输装置为基于可见光无线通信(英文为Light Fidelity，简称LIFI)技术的装置。其包括发射单元和接收单元。
还包括壳体，在所述壳体中设有印制电路板，发射单元和接收单元设置在所述印制电路板上。
所述发射单元包括编码调制模块、光源驱动模块及LED光源，所述编码调制模块、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、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、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电连接。
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，所述第一聚光模块设置于所述LED光源出射光光路上。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，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、位于入射光路上。
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。
在一些实施例中，所述发射单元还包括第一放大器模块，用于放大进入的电信号；所述第一放大器模块的输入端与所述编码调制模块的输出端电连接，输出端与所述光源驱动模块的输入端电连接。
为了放大接收端的电信号，所述接收单元还包括第二放大器模块，用于放大电信号，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。
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。
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，液压支架上设有倾角传感器，本发明实施例提供的装置可与倾角传感器集成以实现通信，为了凸显本发明的主旨所在，对该实现通信的方式不作限定。
本装置的发射部分工作流程：
步骤一：倾角传感器将监测的液压支架的数据传送至发射单元的编码调制模块：
步骤二：编码调制模块用于对获取的原始数据进行编码调制处理后，将经过处理的电信号发送到第一放大器模块；
步骤三：第一放大器模块进行电信号放大处理后发送至光源驱动模块；
步骤四：光源驱动模块用于使所述电信号与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，经过聚光模块发送至接收单元，实现信号的电-光转换及信号基于可见光无线传输的任务。
本装置的接收部分工作流程：
步骤五：发射单元发射出的可见光信号经过接收单元中的第二聚光模块汇聚后，进入与LED光源相对设置的光电探测模块；
步骤六：光电探测模块接收并实现信号的光-电转换，将转换后的电信号发送到第二放大器模块。
步骤七：第二放大器模块对所述电信号放大后，经过光电倍增模块的再次放大，形成信号电流进入滤波模块；
步骤八：滤波模块对接收的信号进行滤波处理，去除干扰噪声；
步骤九：信号去噪处理后进入到编码解调模块，编码解调模块进行信号恢复和进一步预处理得到基带信号，发送预处理的基带信号至基带处理模块；
步骤十：通过基带处理模块进行信号的损伤和噪声干扰处理后，得到带通信号，发送至解调解码模块，解调解码模块对接收信号进行解调和解码，恢复原始发射信号，得到液压支架姿态信息数据。
本发明实施例提供的数据传输装置实现了在煤矿井中基于可见光无线通信的数据传输方案，与现有技术相比具有以下优势：
(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。
综上，本发明实施例提供的煤矿采煤工作面无线通信数据传输装置，其中的发射单元包括编码调制模块、光源驱动模块及LED光源，接收单元包括光电探测模块、滤波模块、编码解调模块、基带处理模块及解调解码模块。由于所述发射单元用于将接收的电信号转换成可见光信号，并发射给接收单元的光电探测模块，实现了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。
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 (6)
1.一种煤矿采煤工作面无线通信数据传输装置，其特征在于，包括壳体，在所述壳体中设有印制电路板，在所述印制电路板上设有发射单元和接收单元；
所述发射单元包括编码调制模块、光源驱动模块及LED光源，所述编码调制模块、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、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、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电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射单元还包括第一放大器模块，所述第一放大器模块的输入端与所述编码调制模块的输出端电连接，输出端与所述光源驱动模块的输入端电连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述发射单元还包括第一聚光模块，所述第一聚光模块设置于所述LED光源出射光路上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收单元还包括第二放大器模块，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。
5.根据权利要求4所述的装置，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。
6.根据权利要求1所述的装置，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。
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