基于LiFi定位的礦井下定位系統研制

李維旭，李靜怡，劉秋辰，高 亮

（1.西北大學 信息科學與技術學院，陜西 西安 710127；2.西北大學 物理學院，陜西 西安 710127）

0 引 言

煤炭是人類生產生活不可或缺的能量來源之一，煤炭的供應也關系到我國工業乃至整個社會的發展與穩定。煤炭資源在我國的地下礦產資源占比高達90%，這種制約條件使得我國煤礦大多需在礦井下開采。但礦井中環境復雜，各礦井的環境特點各異，四周多為礦層和石壁，大多為封閉條件，安全系數極低，導致煤礦事故發生后營救難度大。根據相關數據顯示，21世紀我國每年死于礦難的人數仍居高不下，如圖1所示。

圖1 2004—2014年礦難死亡人數統計

基于LiFi定位的礦井定位系統為礦井的安全生產與管理帶來了很大方便，在井下人員及車輛管理、職工考勤統計、事故應急救援等方面起到了良好的作用，帶來了很大的安全和經濟效益。

1 整體架構

根據礦井下的環境特點，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，采用LED礦燈作為接收端，在系統中提前設置好位置信息數據。井下作業人員每人配戴具有發射信息功能的LED礦燈作為移動節點。在礦燈內添加一塊STM32微控芯片，作為VLC發射端，VLC發射端在MCU的控制下進行周期循環，按照人眼適應的發光頻率快速發送該發射端所配置的身份信息。當通道頂部LED燈檢測到作業人員的身份信息后，就將該作業人員的身份信息和位置信息通過通道頂部的各級LED基站發送至地面監控終端，通過串口將終端數據傳輸至地面數據管理中心。數據管理中心及時將該監測點的移動節點位置信息、身份信息等與數據庫中預存的工作人員身份信息和位置信息進行匹配，匹配成功后將對應的身份信息、位置信息和接收時間通過界面顯示，以便實時觀測作業人員的位置點時間、位置軌跡等。定位系統的布局結構示意圖如圖2所示。

圖2 定位系統布局結構示意圖

礦井下作業人員的信息數據接收與發送是由分布在礦下各通道中的LED燈接收端和帶有發射身份信息的LED發射端的安全帽實現。礦頂上的LED燈將接收到的身份信息通過電力載波通信系統進行交互傳輸。

LiFi通信系統原理框圖如圖3所示。基于LiFi的礦下跟蹤定位系統由信號發送端（隨身佩戴的信號耦合終端，即LED頭盔照明燈）、信號接收端（通道頂部LED照明燈）、數據終端和電腦顯示端構成。

圖3 LiFi通信系統原理框圖

2 系統硬件設計

2.1 VLC發射端設計

在VLC部分，信號經過單片機處理，產生的PWM波輸出到I/O口用以驅動LED，以光為載體向下一級傳輸信號。但STM32單片機中的I/O口限制最大輸出電壓為3.3 V，輸出電流較小，驅動能力較弱，不足以驅動大功率發光二極管。因此，需要提高單片機中引腳的驅動功率。故選用由THS3091組成的LED驅動電路來增強驅動能力，保證發射端的LED可以有效將身份信號發送出去。

經過放大器放大之后，可以有效提高VLC的輸出電壓，用來驅動大功率LED。通過測試，最大電壓可以達到11.2 V。為方便取材，選用THS3091搭建一級射極跟隨器，用來穩定輸出電壓，提高驅動能力。圖4所示為LED驅動電路原理圖，經測試，當電壓為±11 V時散熱情況、信號穩定狀態等最佳。

圖4 LED驅動電路原理

2.2 VLC接收端設計

上級信號經過單片機處理，輸出的PWM信號經過驅動電路驅動LED進行光程傳播。本文選用的光敏傳感器型號為2DU6。2DU6是一種高性能光電傳感器，能夠有效捕捉光信號并將其轉換為電信號，它適用于300～1 000 nm光譜范圍內，器件體積小，性能穩定可靠，電路設計簡單靈活。2DU6雖然體積小，但由于設計優勢，其性能在同類產品中最佳。且其感光范圍較大，能夠有效提高對可見光的光電轉換效率。

光敏傳感器在接收到光信號之后，將其轉變成電信號，但由于轉換效率不高，因此在傳感器后加入放大電路用于對轉換后的電信號進行放大，便于后級單片機進行ADC采樣。采用運算放大芯片設計前級放大電路，為了使放大效果滿足需求，同時也延長傳輸距離，前置放大電路將采用兩級放大形式。

圖5所示為光電轉換電路及放大電路原理。

圖5 光電轉換電路及放大電路原理

2.3 PLC電路設計

VLC接收端收到的數據傳輸到單片機中進行計算處理后，通過電力載波系統傳輸。KQ-103F電力載波數據收發模塊是單列排布的9引腳模塊，它體積較小、性能優異、接入方便、調制簡單、安全性較高，應用在220 V交流、強衰減、強干擾、遠距離等環境中。

KQ-103F電力載波數據收發模塊應用時需要設置數據格式，本模塊接口波特率為9 600 b/s。一幀數據發送字節數不應該大于253，格式如下：

第一字節：表示幀的字節數量，且不包含第一個字節；

第二字節到第n+1字節：表示需要傳輸的字節。

圖6所示為PLC傳輸電路。MCU將測到的信息通過串口發送到PLC電力載波數據收發模塊，模塊將信號加載到電力線發送到下一級，最后由MCU接收。

圖6 PLC傳輸電路

3 系統軟件設計

3.1 編碼方式

VLC發送端需要將LED光攜帶的信息發送出去，由接收端接收，這就需要規定標準的數據格式，以便于發送端和接收端遵循統一的數據處理模式。編解碼要求：“0”“1”發送至LED，表示亮滅，但不能長時間出現全0數據，否則LED會出現長滅狀態；編碼要盡可能簡單，方便使用和代碼的編寫；降低直流分量。曼徹斯特編碼符合該要求，輸出功率恒定，時鐘信號為25 kHz，對眼睛無傷害。

3.2 幀結構設置

礦井安全帽中的LED燈身份數據應用RS 232數據通信格式進行傳輸。數據幀由1位起始位，8位數據位和1位停止位組成，共有10位數據。礦井頂部的礦燈接收來自安全帽中LED發射端發送的10位數據。其中，接收端和發送端要求波特率一致，以確保數據不受其他燈光干擾，成功傳輸。礦井頂部礦燈中的數據結構如圖7所示。該數據幀中含有8位幀同步碼、8位身份數據碼D1和8位位置數據碼D2，共24位數據。幀同步碼設置為相同的8位二進制碼以保證信息的正確接收和交換。8位身份信息數據接收后保存，并將接收的二進制數據轉換為十進制，獲得的身份信息編號為0～255，即共計可擁有256位工作人員的編號。每個礦燈的位置信息預先設置不同的編碼數據，共256個位置（0～255）。

圖7 礦燈數據幀結構

3.3 VLC發送端

單片機保存了來自PLC接收的信號，將借助光信號將其發送到下一級。初始化單片機后，提取保存在單片機中的信號數據，然后將其轉化為字符串，創建數據幀，等待中斷到來，發送曼徹斯特編碼的數據，待完成一次發送后，返回重新提取最新數據，循環發送。圖8所示為VLC發送端程序流程。

圖8 VLC發送端程序流程

3.4 VLC接收端

接收端接收來自VLC發送端的光信號，除利用硬件電路接收、處理信號外，還需借助軟件程序來處理數據。由于發送端已進行了曼徹斯特編碼，因此接收端需要解碼。

首先進行ADC采樣。在本實驗中，發送端發送的數據信號頻率為25 kHz，按照采樣定律，接收端采樣速率設置為1 MHz。由于測量速度較快，因此將電壓值隨時間計算平均臨界值，用以識別信號的“0”或“1”。該臨界值需要對邊沿進行識別，當2次采樣值超過臨界值時，說明上升沿已經到來，同理也可以獲取下降沿。采集信息后，系統開始解碼。

圖9所示為VLC接收端程序流程，其中包括曼徹斯特編碼過程。

圖9 VLC接收端程序流程

3.5 PLC發送端

PLC數據收發載波模塊工作模式比較簡單，首先進行信號采集，然后再定時將其發送到KQ-103F電力載波數據收發模塊。單片機信號通過串口方式傳輸，模塊將接收到的信息加載到電力線上，通過電力線傳輸給下一級。圖10所示為PLC發送端程序流程。

圖10 PLC發送端程序流程

3.6 PLC接收端

來自電力線的信號經過KQ-103F電力載波數據收發模塊解碼，采用串口傳輸的方式發送到單片機，經由單片機處理后將其保存到全局變量中，以實現信息接收。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 顯示界面設計

顯示界面主要由3大板塊組成，分別是礦工行動軌跡圖顯示板塊、信息顯示板塊以及功能按鍵板塊。根據VLC接收端接收的礦下身份數據，再結合其位置數據，進行計算處理后，將作業人員行動軌跡繪圖，將作業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前工作的時間、礦下工作人員姓名以及當前工作位置的編號。功能按鍵板塊包含啟動系統、開始接收、停止接收以及退出系統等部分。啟動系統按鍵包括初始化程序，主要完成對串口參數的設置。開始按鍵程序主要用于接收串口發送的數據幀，并在作業人員行動軌跡圖中的位置坐標圖上直觀顯示當前時間段作業人員對應的位置點。停止接收按鍵的主要功能是停止數據實時采集和礦工行動軌跡圖的顯示。

4 系統測試

圖12所示為VLC發送端波形。利用示波器可以測量波形信號，單片機將攜帶著溫濕度信息的信號進行編碼，然后從I/O口輸出，幅值大約為2.8 V。經過驅動電路放大之后，可以看到輸出電壓最高可達11.2 V，信號頻率為25 kHz。

圖12 VLC發送端波形

圖13所示為VLC接收端示波器觀測到的接收波形，其中電壓為1.99 V，滿足單片機設置的臨界最小值要求，信號頻率為25 kHz，波形的形狀也符合要求。本次測試未考慮距離，估計可達0.5 m。

圖13 VLC接收端信號

根據文中的系統設計，選取50 m的走廊代替礦道作為實驗區間，在走廊頂部每間隔5 m安裝1個LED接收端。在此要求一位實驗者攜帶LED發射端在實驗區間內行走，LED照明燈接收端接收到LED發射端發送的身份信息數據并保存，再將之與燈中預設的位置信息復接，通過電力載波系統傳輸至終端，終端提取復接數據中的D1和D2數據后，通過串口輸出到PC端，PC端讀取串口數據，將接收的D1和D2數據分別轉換成十進制數據。在一幀“011011100000101000001000”的實驗數據中，第一個8位二進制數據“01101110”為幀同步碼；幀數據中的第二組8位數據為D1，即“00001010”，轉換為十進制數據10，然后在數據庫中查找匹配接收到的身份數據，發現數據10對應張三；第三組8位二進制數據為D2，即“00001000”。由于每隔5 m安置1個LED接收端，所以實驗區間內設置有10個接收端。“00001000”轉換成十進制為8，表示此時張三的位置在第8個位置點，即距離實驗區起點40 m。作業人員移動跟蹤效果如圖14所示。

圖14 作業人員移動跟蹤圖

5 結 語

針對煤礦井下環境復雜的特點，考慮到現有礦井定位通信系統抗干擾能力差、保密性低、易受環境使用限制等缺點，本文將可見光通信和電力載波系統相結合，構造LiFi礦井定位系統。該系統在一定程度上可以防范煤礦安全事故的發生，促進我國煤礦產業安全發展。