基于LiFi定位的礦井下定位系統(tǒng)研制

李維旭，李靜怡，劉秋辰，高 亮

（1.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710127；2.西北大學(xué) 物理學(xué)院，陜西 西安 710127）

0 引 言

煤炭是人類生產(chǎn)生活不可或缺的能量來(lái)源之一，煤炭的供應(yīng)也關(guān)系到我國(guó)工業(yè)乃至整個(gè)社會(huì)的發(fā)展與穩(wěn)定。煤炭資源在我國(guó)的地下礦產(chǎn)資源占比高達(dá)90%，這種制約條件使得我國(guó)煤礦大多需在礦井下開(kāi)采。但礦井中環(huán)境復(fù)雜，各礦井的環(huán)境特點(diǎn)各異，四周多為礦層和石壁，大多為封閉條件，安全系數(shù)極低，導(dǎo)致煤礦事故發(fā)生后營(yíng)救難度大。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，21世紀(jì)我國(guó)每年死于礦難的人數(shù)仍居高不下，如圖1所示。

圖1 2004—2014年礦難死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)

基于LiFi定位的礦井定位系統(tǒng)為礦井的安全生產(chǎn)與管理帶來(lái)了很大方便，在井下人員及車輛管理、職工考勤統(tǒng)計(jì)、事故應(yīng)急救援等方面起到了良好的作用，帶來(lái)了很大的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

1 整體架構(gòu)

根據(jù)礦井下的環(huán)境特點(diǎn)，在人流頻繁、位置重要的礦井頂部間隔一定距離安裝VLC接收系統(tǒng)，采用LED礦燈作為接收端，在系統(tǒng)中提前設(shè)置好位置信息數(shù)據(jù)。井下作業(yè)人員每人配戴具有發(fā)射信息功能的LED礦燈作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在礦燈內(nèi)添加一塊STM32微控芯片，作為VLC發(fā)射端，VLC發(fā)射端在MCU的控制下進(jìn)行周期循環(huán)，按照人眼適應(yīng)的發(fā)光頻率快速發(fā)送該發(fā)射端所配置的身份信息。當(dāng)通道頂部LED燈檢測(cè)到作業(yè)人員的身份信息后，就將該作業(yè)人員的身份信息和位置信息通過(guò)通道頂部的各級(jí)LED基站發(fā)送至地面監(jiān)控終端，通過(guò)串口將終端數(shù)據(jù)傳輸至地面數(shù)據(jù)管理中心。數(shù)據(jù)管理中心及時(shí)將該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置信息、身份信息等與數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)存的工作人員身份信息和位置信息進(jìn)行匹配，匹配成功后將對(duì)應(yīng)的身份信息、位置信息和接收時(shí)間通過(guò)界面顯示，以便實(shí)時(shí)觀測(cè)作業(yè)人員的位置點(diǎn)時(shí)間、位置軌跡等。定位系統(tǒng)的布局結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 定位系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)示意圖

礦井下作業(yè)人員的信息數(shù)據(jù)接收與發(fā)送是由分布在礦下各通道中的LED燈接收端和帶有發(fā)射身份信息的LED發(fā)射端的安全帽實(shí)現(xiàn)。礦頂上的LED燈將接收到的身份信息通過(guò)電力載波通信系統(tǒng)進(jìn)行交互傳輸。

LiFi通信系統(tǒng)原理框圖如圖3所示?；贚iFi的礦下跟蹤定位系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)送端（隨身佩戴的信號(hào)耦合終端，即LED頭盔照明燈）、信號(hào)接收端（通道頂部LED照明燈）、數(shù)據(jù)終端和電腦顯示端構(gòu)成。

圖3 LiFi通信系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 VLC發(fā)射端設(shè)計(jì)

在VLC部分，信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，產(chǎn)生的PWM波輸出到I/O口用以驅(qū)動(dòng)LED，以光為載體向下一級(jí)傳輸信號(hào)。但STM32單片機(jī)中的I/O口限制最大輸出電壓為3.3 V，輸出電流較小，驅(qū)動(dòng)能力較弱，不足以驅(qū)動(dòng)大功率發(fā)光二極管。因此，需要提高單片機(jī)中引腳的驅(qū)動(dòng)功率。故選用由THS3091組成的LED驅(qū)動(dòng)電路來(lái)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，保證發(fā)射端的LED可以有效將身份信號(hào)發(fā)送出去。

經(jīng)過(guò)放大器放大之后，可以有效提高VLC的輸出電壓，用來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率LED。通過(guò)測(cè)試，最大電壓可以達(dá)到11.2 V。為方便取材，選用THS3091搭建一級(jí)射極跟隨器，用來(lái)穩(wěn)定輸出電壓，提高驅(qū)動(dòng)能力。圖4所示為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路原理圖，經(jīng)測(cè)試，當(dāng)電壓為±11 V時(shí)散熱情況、信號(hào)穩(wěn)定狀態(tài)等最佳。

圖4 LED驅(qū)動(dòng)電路原理

2.2 VLC接收端設(shè)計(jì)

上級(jí)信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED進(jìn)行光程傳播。本文選用的光敏傳感器型號(hào)為2DU6。2DU6是一種高性能光電傳感器，能夠有效捕捉光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它適用于300～1 000 nm光譜范圍內(nèi)，器件體積小，性能穩(wěn)定可靠，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活。2DU6雖然體積小，但由于設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，其性能在同類產(chǎn)品中最佳。且其感光范圍較大，能夠有效提高對(duì)可見(jiàn)光的光電轉(zhuǎn)換效率。

光敏傳感器在接收到光信號(hào)之后，將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，但由于轉(zhuǎn)換效率不高，因此在傳感器后加入放大電路用于對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行放大，便于后級(jí)單片機(jī)進(jìn)行ADC采樣。采用運(yùn)算放大芯片設(shè)計(jì)前級(jí)放大電路，為了使放大效果滿足需求，同時(shí)也延長(zhǎng)傳輸距離，前置放大電路將采用兩級(jí)放大形式。

圖5所示為光電轉(zhuǎn)換電路及放大電路原理。

圖5 光電轉(zhuǎn)換電路及放大電路原理

2.3 PLC電路設(shè)計(jì)

VLC接收端收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行計(jì)算處理后，通過(guò)電力載波系統(tǒng)傳輸。KQ-103F電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊是單列排布的9引腳模塊，它體積較小、性能優(yōu)異、接入方便、調(diào)制簡(jiǎn)單、安全性較高，應(yīng)用在220 V交流、強(qiáng)衰減、強(qiáng)干擾、遠(yuǎn)距離等環(huán)境中。

KQ-103F電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊應(yīng)用時(shí)需要設(shè)置數(shù)據(jù)格式，本模塊接口波特率為9 600 b/s。一幀數(shù)據(jù)發(fā)送字節(jié)數(shù)不應(yīng)該大于253，格式如下：

第一字節(jié)：表示幀的字節(jié)數(shù)量，且不包含第一個(gè)字節(jié)；

第二字節(jié)到第n+1字節(jié)：表示需要傳輸?shù)淖止?jié)。

圖6所示為PLC傳輸電路。MCU將測(cè)到的信息通過(guò)串口發(fā)送到PLC電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，模塊將信號(hào)加載到電力線發(fā)送到下一級(jí)，最后由MCU接收。

圖6 PLC傳輸電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 編碼方式

VLC發(fā)送端需要將LED光攜帶的信息發(fā)送出去，由接收端接收，這就需要規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，以便于發(fā)送端和接收端遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理模式。編解碼要求：“0”“1”發(fā)送至LED，表示亮滅，但不能長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)全0數(shù)據(jù)，否則LED會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)滅狀態(tài)；編碼要盡可能簡(jiǎn)單，方便使用和代碼的編寫(xiě)；降低直流分量。曼徹斯特編碼符合該要求，輸出功率恒定，時(shí)鐘信號(hào)為25 kHz，對(duì)眼睛無(wú)傷害。

3.2 幀結(jié)構(gòu)設(shè)置

礦井安全帽中的LED燈身份數(shù)據(jù)應(yīng)用RS 232數(shù)據(jù)通信格式進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)幀由1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位組成，共有10位數(shù)據(jù)。礦井頂部的礦燈接收來(lái)自安全帽中LED發(fā)射端發(fā)送的10位數(shù)據(jù)。其中，接收端和發(fā)送端要求波特率一致，以確保數(shù)據(jù)不受其他燈光干擾，成功傳輸。礦井頂部礦燈中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7所示。該數(shù)據(jù)幀中含有8位幀同步碼、8位身份數(shù)據(jù)碼D1和8位位置數(shù)據(jù)碼D2，共24位數(shù)據(jù)。幀同步碼設(shè)置為相同的8位二進(jìn)制碼以保證信息的正確接收和交換。8位身份信息數(shù)據(jù)接收后保存，并將接收的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，獲得的身份信息編號(hào)為0～255，即共計(jì)可擁有256位工作人員的編號(hào)。每個(gè)礦燈的位置信息預(yù)先設(shè)置不同的編碼數(shù)據(jù)，共256個(gè)位置（0～255）。

圖7 礦燈數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.3 VLC發(fā)送端

單片機(jī)保存了來(lái)自PLC接收的信號(hào)，將借助光信號(hào)將其發(fā)送到下一級(jí)。初始化單片機(jī)后，提取保存在單片機(jī)中的信號(hào)數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)化為字符串，創(chuàng)建數(shù)據(jù)幀，等待中斷到來(lái)，發(fā)送曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)，待完成一次發(fā)送后，返回重新提取最新數(shù)據(jù)，循環(huán)發(fā)送。圖8所示為VLC發(fā)送端程序流程。

圖8 VLC發(fā)送端程序流程

3.4 VLC接收端

接收端接收來(lái)自VLC發(fā)送端的光信號(hào)，除利用硬件電路接收、處理信號(hào)外，還需借助軟件程序來(lái)處理數(shù)據(jù)。由于發(fā)送端已進(jìn)行了曼徹斯特編碼，因此接收端需要解碼。

首先進(jìn)行ADC采樣。在本實(shí)驗(yàn)中，發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)頻率為25 kHz，按照采樣定律，接收端采樣速率設(shè)置為1 MHz。由于測(cè)量速度較快，因此將電壓值隨時(shí)間計(jì)算平均臨界值，用以識(shí)別信號(hào)的“0”或“1”。該臨界值需要對(duì)邊沿進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)2次采樣值超過(guò)臨界值時(shí)，說(shuō)明上升沿已經(jīng)到來(lái)，同理也可以獲取下降沿。采集信息后，系統(tǒng)開(kāi)始解碼。

圖9所示為VLC接收端程序流程，其中包括曼徹斯特編碼過(guò)程。

圖9 VLC接收端程序流程

3.5 PLC發(fā)送端

PLC數(shù)據(jù)收發(fā)載波模塊工作模式比較簡(jiǎn)單，首先進(jìn)行信號(hào)采集，然后再定時(shí)將其發(fā)送到KQ-103F電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。單片機(jī)信號(hào)通過(guò)串口方式傳輸，模塊將接收到的信息加載到電力線上，通過(guò)電力線傳輸給下一級(jí)。圖10所示為PLC發(fā)送端程序流程。

圖10 PLC發(fā)送端程序流程

3.6 PLC接收端

來(lái)自電力線的信號(hào)經(jīng)過(guò)KQ-103F電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊解碼，采用串口傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到單片機(jī)，經(jīng)由單片機(jī)處理后將其保存到全局變量中，以實(shí)現(xiàn)信息接收。圖11所示為PLC接收端程序流程。

圖11 PLC接收端程序流程

3.7 顯示界面設(shè)計(jì)

顯示界面主要由3大板塊組成，分別是礦工行動(dòng)軌跡圖顯示板塊、信息顯示板塊以及功能按鍵板塊。根據(jù)VLC接收端接收的礦下身份數(shù)據(jù)，再結(jié)合其位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理后，將作業(yè)人員行動(dòng)軌跡繪圖，將作業(yè)人員在礦下的位置信息以直觀方式在圖中顯示。信息面板分別展示了當(dāng)前工作的時(shí)間、礦下工作人員姓名以及當(dāng)前工作位置的編號(hào)。功能按鍵板塊包含啟動(dòng)系統(tǒng)、開(kāi)始接收、停止接收以及退出系統(tǒng)等部分。啟動(dòng)系統(tǒng)按鍵包括初始化程序，主要完成對(duì)串口參數(shù)的設(shè)置。開(kāi)始按鍵程序主要用于接收串口發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并在作業(yè)人員行動(dòng)軌跡圖中的位置坐標(biāo)圖上直觀顯示當(dāng)前時(shí)間段作業(yè)人員對(duì)應(yīng)的位置點(diǎn)。停止接收按鍵的主要功能是停止數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和礦工行動(dòng)軌跡圖的顯示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖12所示為VLC發(fā)送端波形。利用示波器可以測(cè)量波形信號(hào)，單片機(jī)將攜帶著溫濕度信息的信號(hào)進(jìn)行編碼，然后從I/O口輸出，幅值大約為2.8 V。經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大之后，可以看到輸出電壓最高可達(dá)11.2 V，信號(hào)頻率為25 kHz。

圖12 VLC發(fā)送端波形

圖13所示為VLC接收端示波器觀測(cè)到的接收波形，其中電壓為1.99 V，滿足單片機(jī)設(shè)置的臨界最小值要求，信號(hào)頻率為25 kHz，波形的形狀也符合要求。本次測(cè)試未考慮距離，估計(jì)可達(dá)0.5 m。

圖13 VLC接收端信號(hào)

根據(jù)文中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選取50 m的走廊代替礦道作為實(shí)驗(yàn)區(qū)間，在走廊頂部每間隔5 m安裝1個(gè)LED接收端。在此要求一位實(shí)驗(yàn)者攜帶LED發(fā)射端在實(shí)驗(yàn)區(qū)間內(nèi)行走，LED照明燈接收端接收到LED發(fā)射端發(fā)送的身份信息數(shù)據(jù)并保存，再將之與燈中預(yù)設(shè)的位置信息復(fù)接，通過(guò)電力載波系統(tǒng)傳輸至終端，終端提取復(fù)接數(shù)據(jù)中的D1和D2數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口輸出到PC端，PC端讀取串口數(shù)據(jù)，將接收的D1和D2數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)。在一幀“011011100000101000001000”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，第一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)“01101110”為幀同步碼；幀數(shù)據(jù)中的第二組8位數(shù)據(jù)為D1，即“00001010”，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)10，然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找匹配接收到的身份數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)10對(duì)應(yīng)張三；第三組8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)為D2，即“00001000”。由于每隔5 m安置1個(gè)LED接收端，所以實(shí)驗(yàn)區(qū)間內(nèi)設(shè)置有10個(gè)接收端?！?0001000”轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為8，表示此時(shí)張三的位置在第8個(gè)位置點(diǎn)，即距離實(shí)驗(yàn)區(qū)起點(diǎn)40 m。作業(yè)人員移動(dòng)跟蹤效果如圖14所示。

圖14 作業(yè)人員移動(dòng)跟蹤圖

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)煤礦井下環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，考慮到現(xiàn)有礦井定位通信系統(tǒng)抗干擾能力差、保密性低、易受環(huán)境使用限制等缺點(diǎn)，本文將可見(jiàn)光通信和電力載波系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)造LiFi礦井定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在一定程度上可以防范煤礦安全事故的發(fā)生，促進(jìn)我國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展。