CN204090014U - 一种基于矿灯的单工通信与识别系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于矿灯的单工通信与识别系统，本通信与识别系统通过对矿灯亮度的控制，利用己建立的井下有线通信网络和视频采集设备，完成由矿灯到视频接收端的单工通信，实现对矿灯使用人员的识别。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；使用本通信与识别系统不需在井下单独增加无线通信基站和有线通信网网络，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矿灯的单工通信与识别系统，该系统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。只能判定出入矿井口的人员情况，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系统。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种更适合井下巷道环境的、简单有效的人员识别系统，通过对矿灯亮度的控制，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，完成由矿灯到视频接收端的单工通信，实现对矿灯使用人员的识别。该系统组成包括矿灯和视频监控设备；矿灯电路组成包括处理器、锂电池、充电管理、电源、LED驱动和通信接口等；矿灯部件包括含光源的灯头组件、矿灯电缆、电池及电池盒；视频监控设备包括视频 管理设备、有线通信网络和视频采集设备；视频管理设备包括监控终端和存储服务器；有线通信网络包括核心交换机、OLT光线路终端、ODN光分配器和ONU光节点；视频采集设备包括摄像机和视频编码器；矿灯处理器通过控制LED驱动电路单元发送不同亮度值、不同亮度变化的次数或不同亮度变化间隔时间的的光信号；视频监控设备采集包含矿灯光信号的视频；有线通信网络将光信号视频发送至视频管理设备；存储服务器存储光信号视频，监控终端用于光信号视频的帧分析，解析不同码元获得信息，实现矿灯到光信号视频接收端的单工通信，并对矿灯进行识别。
附图说明
图1矿灯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通信识别用矿灯硬件示意图。
图4通信识别用矿灯LED控制硬件示意图。
图5矿灯通信编码原理示意图。
图6矿灯通信识别方法步骤示意图。
具体实施方式
所述系统组成包括：矿灯、视频监控设备和视频识别子系统；由视频监控设备采集包含矿灯的现场实时图像，由监控终端的视频识别子系统实现通信和识别，如图1所示实施例中，井下视频监控设备组成包括：视频管理设备、有线通信网络，视频采集设备。
视频管理设备包括：
1.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。
2.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。
视频采集设备包括：
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。
视频监控设备的视频传输过程如下：
1.(201)摄像机(7)采集视频图像，输出标准模拟视频信号。
2.(202)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。
3.(203)视频信号通过有线通信网络传输到管理系统。
4.(204)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。
矿灯(9)主要由灯头组件(含光源)、矿灯电缆、电池及电池盒组成，矿灯电缆及电池盒的防护等级需满足本安标准要求。光源采用的LED光源为冷光源，自身发热量小，其工作电压为4V，工作电流为200～300mA，加上LED驱动电路线路板采用具有良好散热效果的铝基板，其电压、电流及工作温度均完全能够符合本质安全型的要求。
矿灯电路硬件包括：
(304)处理器，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。
(302)锂电池，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。
(301)充电管理，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。
(303)电源，电源芯片采用MAX1724EZK33，由电池电压转换得到3.3V稳定的工作电压，为MSP430F147供电。
(305)LED驱动如图4所示，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。
(306)通信接口，用于设置矿灯内置编号，采用红外接收方式，使用HX1838红外信号接收头，与MSP430F147连接，由MSP430F147接收和解码。
矿灯发送光信号信息的示例如图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，矿灯闪烁间隔时间为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1秒。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。
如图6所示示例，视频识别服务器接收识别矿灯发送数据的过程如下：
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，分割出矿灯图像，实现对矿灯的跟踪定位。
3.(603)每处理检测一帧后帧计数器加1。
4.(604)确定矿灯位置区域后检测每帧图像中的矿灯亮度，用阈值对矿灯亮度进行判断，如亮度低于阈值则判定矿灯闪烁一次并执行(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，实现矿灯到识别系统上的单工通信。
12.(612)根据矿灯管理系统的矿灯使用记录和通过以上方法获得的矿灯编号实现对矿灯使用人员的身份识别。
13.(613)数据计数器清零并执行(606)。
Claims (1)
1.一种基于矿灯的单工通信与识别系统，其特征在于：系统组成包括矿灯和视频监控设备；矿灯电路组成包括处理器、锂电池、充电管理、电源、LED驱动和通信接口等；矿灯部件包括含光源的灯头组件、矿灯电缆、电池及电池盒；视频监控设备包括视频管理设备、有线通信网络和视频采集设备；视频管理设备包括监控终端和存储服务器；有线通信网络包括核心交换机、OLT光线路终端、ODN光分配器和ONU光节点；视频采集设备包括摄像机和视频编码器；矿灯处理器通过控制LED驱动电路单元发送不同亮度值、不同亮度变化的次数或不同亮度变化间隔时间的的光信号；视频监控设备采集包含矿灯光信号的视频；有线通信网络将光信号视频发送至视频管理设备；存储服务器存储光信号视频，监控终端用于光信号视频的帧分析，解析不同码元获得信息，实现矿灯到光信号视频接收端的单工通信，并对矿灯进行识别。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110661775A (zh) * | 2019-07-13 | 2020-01-07 | 中国矿业大学(北京) | 基于特殊结构矿灯的井下人员识别定位及通信系统 |
| CN113721573A (zh) * | 2021-09-02 | 2021-11-30 | 深圳市中孚能电气设备有限公司 | 一种智能信息采集管理系统 |
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