[发明专利]一种矿井使用的LED可见光无线通信系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种可见光无线通信系统，尤其是一种矿井使用的LED可见光无线通信系统。

背景技术

由于矿井地形复杂以及综采面等监控区域的流动性大，与有线生产调度系统相比，无线安全调度系统“即铺即用”，随时随地可在矿井构建移动通信网络，方便流动接入，可实时把监控数据发至地面监控中心，极大地提高了调度和监控效益；并且在矿难的应急通信中，即使现有通信系统遭到破坏，也可利用无线通信设备快速组网，接收传输监控数据，动态掌握井下人员的分布及设备作业情况，并保证地面指挥中心与井下抢险工作面的实时通信，提高抢险救灾、安全救护效率和搜救效果。矿井监控系统的无线通信主要形式有动力线载波通信、漏泄无线通信、中频无线通信和感应通信等。但上述几种井下移动通信系统存在的问题较多、抗干扰性能不好、背景噪声大、对使用环境的适应性很差。

LED可见光频率带宽高达430THz~750THz，只要在有可见光的地方就可以实现通信，覆盖范围广，其超宽带、高频率的特性具有抗多径、低功耗、强穿透力等特点，更适合矿井特殊条件下的通信。但是，由于井下条件复杂， LED可见光通信的波长与井内大气中的尘灰、气体分子的尺寸相近甚至更小，很容易产生光的散射及吸收造成信号的严重衰减，不同位置的LED灯光及其他设备等背景光也会对系统的性能产生影响，导致矿井内使用时可靠性大大降低。

UWB（Ultra-wide Band)无线通信技术通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号，具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多径衰落、易数字化等诸多优点，而且不需要常规系统所需的变频器、频率合成器、滤波器等模拟器件，同时在接收端不需要过滤器、RF/IF转换器及本地振荡器等复杂元件，非常便于芯片集成，减少成本。但是，传统的无载波脉冲UWB技术传输距离短，传输速度为100Mbps时，其有效范围只有10m左右，在矿井内使用传输距离十分有限。

因此，研究一种适用范围广、具有高可靠性、本质安全的井下无线通信系统具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿井使用的LED可见光无线通信系统。该系统采用多频带正交频分复用（MB-OFDM）UWB无线通信技术与LED可见光通信技术相结合的通信方式，通过可编程超大规模集成芯片及软件控制技术，解决目前井下无线通信系统出现的可靠性问题。

本发明的技术方案为：一种矿井使用的LED可见光无线通信系统，该系统包括信号输入/输出（I/O）处理部分，接收端部分，发射端部分，主控芯片组及软件控制部分；该系统中的硬件设备包括LED矿灯及LED头灯；I/O处理部分包括收发天线，光探测器、LED光源及选择开关；微型收发天线由2个直径1cm的圆形铜箔组成，直接制作在印刷电路板上；光探测器、LED光源安装在LED矿灯及LED头灯内；所述选择开关电路集成在主控芯片组中，通过软件编程实现LED可见光通信方式与UWB无线通信方式的自动切换；接收端部分包括低噪声放大器、脉冲接收器、解码器、和脉冲压缩器；发射端部分包括低噪声放大器、脉冲发生器、编码器；接收端和发射端均与主控芯片组连接，由主控芯片组集中控制；所述主控芯片组为基于FPGA技术的专用芯片组，包括微控制单元（MCU），基于MB-OFDM方式的射频收发芯片，基带数字信号处理芯片（DSP）和电力线载波（PLC）芯片；射频收发芯片和基带数字信号处理芯片支持多频带OFDM TFI和FFI模式，频谱从3.1GHz至4.8GHz，支持3条528MHz宽子频带，每条数据传输速率为480 Mbit/s；射频收发芯片内置带通滤波器，可编程宽带接收器，压控振荡器及超快速跳频宽带混频器，可编程的功率放大器，可支持用2个天线来实现天线分集，不需要外部匹配不平衡变压器；电力线载波芯片支持选频、中继、扩频和自适应调制技术，调制波形满足国家电网规范要求；所述软件控制部分物理层程序、数据链路层程序采用VDHL语言编写；传输层程序、应用层程序采用C语言编写，所有程序储存在主控芯片组中，并可以通过无线通信方式升级；所述LED矿灯和LED头灯由防爆灯壳、控制电路板，电源模块及气体传感器，温度传感器、ID传感器、LED光源，光探测器组成；LED矿灯固定于矿井顶部，与矿井电缆相连；所述LED头灯置于井下人员头盔前端，采用可充电锂电池供电。