CN112769485A - 一种适用于矿下环境的可见光中继系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于矿下环境的可见光中继系统，包括信号发送终端、信号接收终端和信号再生中继模块；其中，信号发送终端用于发送光信号；信号再生中继模块用于将信号发送终端发出的光信号转发至信号接收终端；信号接收终端用于从光信号中提取出原始发送的信息；信号再生中继模块包括主动跟踪系统和信号转发系统；其中，主动跟踪系统用于进行全向扫描以追踪来自不同方向的光信号，进而确定接收光强最强的位置，并将在接收光强最强的位置处所接收的光信号转换为电压信号；信号转发系统用于根据主动跟踪系统输出的电压信号，生成与发送信号一致的再生信号并转发。本发明有效地解决了传输过程中的遮挡问题，同时能够保障信号传播质量和传输距离。

Description

一种适用于矿下环境的可见光中继系统
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种适用于矿下环境的可见光中继系统。
背景技术
近年来，随着人类活动的扩张和地下空间资源的不断开发，面向地下空间的无线通信技术得到了越来越多的关注。针对矿下环境，无线通信技术的使用能够一定程度上保证矿下工作的安全和效率。然而，由于传统射频信号在矿下环境中传播衰减和散射严重、易受干扰等问题的存在，给传统无线通信技术的使用带来了一定程度上的挑战。
可见光通信作为一种利用可见光波段的光作为信息载体的无线光通信技术有望解决苛刻矿下环境中信号传输的问题。它具有丰富的频谱资源、无电磁干扰、适用于相对密闭的空间，并且能够在实现通信的同时提供有效的矿下照明，节约能耗。但是由于可见光通信多采用视距信道传输，受矿下信道环境的复杂和相关工作设备、人员移动等影响，视距信道易受遮挡，造成传输距离受限。
发明内容
本发明提供了一种适用于矿下环境的可见光中继系统，以解决由于可见光通信多采用视距信道传输，受矿下信道环境的复杂和相关工作设备、人员移动等影响，视距信道易受遮挡，造成传输距离受限的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种适用于矿下环境的可见光中继系统，包括信号发送终端、信号接收终端以及至少一个信号再生中继模块；其中，
所述信号发送终端用于将需要发送的信息转换为光信号的形式进行发送；所述信号再生中继模块用于将所述信号发送终端发出的光信号转发至所述信号接收终端；所述信号接收终端用于接收光信号并从其中提取出原始发送的信息；
所述信号再生中继模块包括主动跟踪系统和信号转发系统；其中，所述主动跟踪系统用于进行全向扫描以追踪来自不同方向的光信号，进而确定接收光强最强的位置，并将在接收光强最强的位置处所接收的光信号转换为电压信号后输出至所述信号转发系统；所述信号转发系统用于根据所述主动跟踪系统输出的电压信号，生成与所述信号发送终端发送的光信号一致的再生信号并转发。
进一步地，所述信号发送终端包括第一上位机、第一单片机、第一信号功率放大器以及第一LED光源；
其中，所述第一单片机用于在所述第一上位机的控制下，将需要发送的信息转化为适用于可见光信道传输的单极性OOK信号，所述第一信号功率放大器用于将所述第一单片机生成的OOK信号进行放大，以利用放大后的OOK信号驱动所述第一LED光源工作，将电信号以光信号的形式进行发送。
进一步地，所述信号接收终端包括至少一个第一信号转化模块，第一比较电路、第二单片机以及第二上位机；
其中，所述第一信号转化模块用于将接收到的光信号转化为电信号，所述第一比较器用于对所述第一信号转化模块生成的电信号进行信号再生；所述第二单片机用于在所述第二上位机的控制下，根据经过所述第一比较器再生后的信号，对所述信号发送终端所发出的原始信息进行恢复。
可选地，所述第一信号转化模块的数量为多个；所述信号接收终端还包括加法器；其中，所述加法器用于将多个所述第一信号转化模块生成的电信号进行合并；所述第一比较器用于对经过所述加法器合并后的电信号进行信号再生。
进一步地，所述主动跟踪系统包括控制模块、电动机、机械转动装置以及第二信号转化模块；其中，所述第二信号转化模块安装在所述机械转动装置上；
所述控制模块用于控制所述电动机带动所述机械转动装置转动，以进行预设角度范围内的扫描，所述第二信号转化模块用于实现不同采集位置的光信号到电压信号的转换，并将采集的不同位置的光强信息反馈于所述控制模块，所述控制模块通过比较不同位置的光强，确定出接收光强最强的位置；
在确定了接收光强最强的位置之后，所述控制模块再次控制所述电动机带动所述机械转动装置转动，使所述第二信号转化模块转至接收光强最强的位置，此时，所述第二信号转化模块将转化出的电压信号输出至所述信号转发系统。
进一步地，所述信号转发系统包括第二比较电路、至少一个第二信号功率放大器以及与所述第二功率放大器的数量相适配的第二LED光源；
其中，所述第二比较电路用于对所述第二信号转化模块输出的电压信号进行再生，所述第二信号功率放大器用于对经过所述第二比较电路再生的信号进行放大，以通过放大后的再生信号驱动所述第二LED光源工作，实现信号转发。
可选地，所述第二信号功率放大器的数量为多个。
进一步地，所述信号再生中继模块的数量为多个，多个信号再生中继模块将信号发送终端发出的光信号依次转发，最终将光信号转发至信号接收终端。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明针对矿下应用场景中的无线通信需求，通过采用信号发送终端、多个信号再生中继模块和信号接收终端，抵抗信号传输过程中的遮挡，延长传输距离，保证通信误码性能。与现有技术相比，本发明所提供的可见光中继系统利用基于LED的可见光通信在提供照明的同时，实现了信息的有效传输，具有适用复杂信道条件、系统稳定性强、成本低、传输距离长和无电磁干扰等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1为本发明实施例提供的适用于矿下环境的可见光中继系统工作流程图；
图2为本发明实施例提供的主动跟踪系统工作流程图；
图3是本发明实施例提供的适用于矿下环境的可见光中继系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种适用于矿下环境的可见光中继系统，包括信号发送终端、信号接收终端以及至少一个信号再生中继模块；其中，
所述信号发送终端用于将需要发送的信息转换为光信号的形式进行发送；其包括第一上位机、第一单片机、第一信号功率放大器以及第一LED光源；其中，所述第一单片机用于在所述第一上位机的控制下，将需要发送的信息转化为适用于可见光信道传输的单极性通-断键控(OOK)信号，所述第一信号功率放大器用于将所述第一单片机生成的OOK信号进行放大，以利用放大后的OOK信号驱动所述第一LED光源工作，将电信号以光信号的形式进行发送。
所述信号接收终端用于接收光信号并从其中提取出原始发送的信息；其包括至少一个第一信号转化模块，第一比较电路、第二单片机以及第二上位机；其中，所述第一信号转化模块为基于光电探测器PD的I-V信号转化模块，用于将接收到的光信号转化为电信号，所述第一比较器用于对所述第一信号转化模块生成的电信号进行信号再生；所述第二单片机用于在所述第二上位机的控制下，根据经过所述第一比较器再生后的信号，对所述信号发送终端所发出的原始信息进行恢复，从信号中提取原始发送的信息。
其中，所述第一信号转化模块可以根据链路需要确定使用数目；当所述第一信号转化模块的数量为多个时，相应地，所述信号接收终端还包括加法器；所述加法器用于将多个所述第一信号转化模块生成的电信号进行合并；此时所述第一比较器用于对经过所述加法器合并后的电信号进行信号再生。
所述信号再生中继模块用于将所述信号发送终端发出的光信号转发至所述信号接收终端；其包括主动跟踪系统和信号转发系统；
其中，所述主动跟踪系统用于进行全向扫描以追踪来自不同方向的光信号，进而确定接收光强最强的位置，即通信信噪比最佳的位置，并将在接收光强最强的位置处所接收的光信号转换为电压信号后输出至所述信号转发系统；所述信号转发系统用于根据所述主动跟踪系统输出的电压信号，生成与所述信号发送终端发送的光信号一致的再生信号并转发。
具体地，所述主动跟踪系统包括控制模块、电动机、机械转动装置以及第二信号转化模块；其中，所述第二信号转化模块为基于光电探测器PD的I-V信号转化模块，其安装在所述机械转动装置上。所述信号转发系统包括第二比较电路、第二信号功率放大器以及第二LED光源。
如图2所示，工作时，所述控制模块首先控制所述电动机带动所述机械转动装置转动，以进行预设角度(本实施例为120度，当然也可设为其他角度)范围内的扫描，在扫描过程中，所述第二信号转化模块可实现不同采集位置的光电流到电压信号的转换，并将采集的不同位置的光强信息反馈于所述控制模块，在所述控制模块中，通过比较不同位置的光强，确定出接收光强最强的位置；在确定了接收光强最强的位置之后，所述控制模块再次控制所述电动机带动所述机械转动装置转动，使所述第二信号转化模块转至指定位置，即接收光强最强的位置，此时，所述第二信号转化模块将转化出的电压信号输出至所述信号转发系统。所述第二比较电路用于对所述第二信号转化模块输出的电压信号进行再生，防止由于中继跳数的增加和传输距离的延长造成的通信累计误码的产生。所述第二信号功率放大器用于对经过所述第二比较电路再生的信号进行放大，以通过放大后的再生信号驱动所述第二LED光源工作，实现信号转发。
其中，所述第二信号功率放大器的数量可以为多个，所述第二LED光源的数量与所述第二功率放大器的数量相适配；当所述第二信号功率放大器的数量为多个时，每一所述第二信号功率放大器的放大信号分别驱动一第二LED光源。
进一步地，在本实施例的可见光中继系统中，所述信号再生中继模块的数量可以为多个，多个信号再生中继模块将信号发送终端发出的光信号依次转发，最终将光信号转发至信号接收终端，通过设置多个信号再生中继模块可以有效抵抗遮挡，延长通信距离。其中，所述信号再生中继模块的跳数以及可见光链路的条数均可以根据矿下环境需求做出调整，本实施例对此并不作具体限定。
下面，以一个具体实例为例来进一步说明本实施例的方案原理。
如图3所示，本实施例设计了由双跳信号再生中继模块构成的适用于矿下环境的双路可见光中继系统，该用于矿下环境的双路可见光中继系统包含一条主链路和两条可见光通信链路，即图3中所示的可见光链路一和可见光链路二。
首先，在信号发送终端采用上位机对单片机进行实时控制，将所需发送的信息转化为适用于可见光信道传输的1Mbit/s速率的单极性OOK信号，利用信号功率放大器将所生成的OOK信号进行放大，以驱动LED工作，LED发送的光信号通过主链路传送。
接下来，利用一套单入多出的信号再生中继模块，确定最强光强位置并进行指定位置的光信号的采集和转发。单入多出的信号再生中继模块，包括主动跟踪系统、比较电路、两个信号功率放大器和两个LED光源。主动跟踪系统利用控制模块，控制电动机带动机械转动装置上的基于光电探测器PD的I-V信号转化模块接收120度角度范围内的光信号，将采集的光信号传递至控制模块，以确定最强光强位置，保证通信系统的最优信噪比。在确定好最佳接收位置之后，利用控制模块调整电动机和机械转动装置，使基于光电探测器PD的I-V信号转化模块到达指定位置。此时，采集利用基于光电探测器PD的I-V信号转化模块采集该位置的光信号，并实现从光电流到电压信号的转换。将所获得的信号传送给比较电路，判决再生出与发送信号形状一致的信号，利用两个信号功率放大器将该信号进行放大以驱动不同的LED工作，实现信号转发。两个LED分别以不同的方向将光信号发出，分别经过可见光链路一和可见光链路二。
在可见光链路一和可见光链路二的传输范围内，分别布置两个信号再生中继模块，即信号再生中继模块一和信号再生中继模块二。这两个中继模块的工作方式类似，均为利用主动跟踪系统的控制模块，控制电动机带动机械转动上的基于光电探测器PD的I-V信号转化模块接收120度角度范围内的光信号，将接收的不同光信号反馈至控制模块，以确定最佳接收位置。之后，利用控制模块调整电动机和机械转动装置，使基于光电探测器PD的I-V信号转化模块到达该指定位置。此时，利用基于光电探测器PD的I-V信号转化模块采集该位置的光信号，实现从光电流到电压信号的转换。将所获得的信号传送给比较电路，判决再生出与发送信号形状一致的信号，利用信号功率放大器将该信号进行放大以驱动的LED工作，实现第二次信号转发。
最后，利用具有两路信号输入的信号接收终端，同时接收信号再生中继模块一和信号再生中继模块二发送的光信号。利用加法器模块将两路接收信号进行合并，再经过比较电路实现信号再生。将再生后的数据传至单片机和上位机。经过测试，该系统能够保证误码率低于3.8×10-3，满足通信系统的误码判决门限需求，并且当遮挡可见光链路1或可见光链路2，系统仍可正常工作，能够有效抵抗遮挡。
综上，本实施例针对矿下应用场景中的无线通信需求，采用信号发送终端、多个信号再生中继模块和信号接收终端，抵抗信号传输过程中的遮挡，延长传输距离，保证通信误码性能。与现有技术相比，本实施例所提供的可见光中继系统利用可见光通信在提供照明的同时，实现了信息的有效传输，具有适用复杂信道条件、系统稳定性强、成本低、传输距离长和无电磁干扰等优点。
此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (8)

1.一种适用于矿下环境的可见光中继系统，其特征在于，包括信号发送终端、信号接收终端以及至少一个信号再生中继模块；其中，
所述信号发送终端用于将需要发送的信息转换为光信号的形式进行发送；所述信号再生中继模块用于将所述信号发送终端发出的光信号转发至所述信号接收终端；所述信号接收终端用于接收光信号并从其中提取出原始发送的信息；
所述信号再生中继模块包括主动跟踪系统和信号转发系统；其中，所述主动跟踪系统用于进行全向扫描以追踪来自不同方向的光信号，进而确定接收光强最强的位置，并将在接收光强最强的位置处所接收的光信号转换为电压信号后输出至所述信号转发系统；所述信号转发系统用于根据所述主动跟踪系统输出的电压信号，生成与所述信号发送终端发送的光信号一致的再生信号并转发。
2.如权利要求1所述的适用于矿下环境的可见光中继系统，其特征在于，所述信号发送终端包括第一上位机、第一单片机、第一信号功率放大器以及第一LED光源；其中，所述第一单片机用于在所述第一上位机的控制下，将需要发送的信息转化为适用于可见光信道传输的单极性OOK信号，所述第一信号功率放大器用于将所述第一单片机生成的OOK信号进行放大，以利用放大后的OOK信号驱动所述第一LED光源工作，将电信号以光信号的形式进行发送。
3.如权利要求1所述的适用于矿下环境的可见光中继系统，其特征在于，所述信号接收终端包括至少一个第一信号转化模块，第一比较电路、第二单片机以及第二上位机；其中，所述第一信号转化模块用于将接收到的光信号转化为电信号，所述第一比较器用于对所述第一信号转化模块生成的电信号进行信号再生；所述第二单片机用于在所述第二上位机的控制下，根据经过所述第一比较器再生后的信号，对所述信号发送终端所发出的原始信息进行恢复。
4.如权利要求3所述的适用于矿下环境的可见光中继系统，其特征在于，所述第一信号转化模块的数量为多个；所述信号接收终端还包括加法器；其中，所述加法器用于将多个所述第一信号转化模块生成的电信号进行合并；所述第一比较器用于对经过所述加法器合并后的电信号进行信号再生。
5.如权利要求1所述的适用于矿下环境的可见光中继系统，其特征在于，所述主动跟踪系统包括控制模块、电动机、机械转动装置以及第二信号转化模块；其中，所述第二信号转化模块安装在所述机械转动装置上；
所述控制模块用于控制所述电动机带动所述机械转动装置转动，以进行预设角度范围内的扫描，所述第二信号转化模块用于实现不同采集位置的光信号到电压信号的转换，并将采集的不同位置的光强信息反馈于所述控制模块，所述控制模块通过比较不同位置的光强，确定出接收光强最强的位置；
在确定了接收光强最强的位置之后，所述控制模块再次控制所述电动机带动所述机械转动装置转动，使所述第二信号转化模块转至接收光强最强的位置，此时，所述第二信号转化模块将转化出的电压信号输出至所述信号转发系统。
6.如权利要求5所述的适用于矿下环境的可见光中继系统，其特征在于，所述信号转发系统包括第二比较电路、至少一个第二信号功率放大器以及与所述第二功率放大器的数量相适配的第二LED光源；
其中，所述第二比较电路用于对所述第二信号转化模块输出的电压信号进行再生，所述第二信号功率放大器用于对经过所述第二比较电路再生的信号进行放大，以通过放大后的再生信号驱动所述第二LED光源工作，实现信号转发。
7.如权利要求6所述的适用于矿下环境的可见光中继系统，其特征在于，所述第二信号功率放大器的数量为多个。
8.如权利要求1-7任一项所述的适用于矿下环境的可见光中继系统，其特征在于，所述信号再生中继模块的数量为多个，多个信号再生中继模块将所述信号发送终端发出的光信号依次转发，最终将光信号转发至所述信号接收终端。
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