基于LiFi定位的矿井下定位系统研制

李维旭，李静怡，刘秋辰，高 亮

（1.西北大学 信息科学与技术学院，陕西 西安 710127；2.西北大学 物理学院，陕西 西安 710127）

0 引 言

煤炭是人类生产生活不可或缺的能量来源之一，煤炭的供应也关系到我国工业乃至整个社会的发展与稳定。煤炭资源在我国的地下矿产资源占比高达90%，这种制约条件使得我国煤矿大多需在矿井下开采。但矿井中环境复杂，各矿井的环境特点各异，四周多为矿层和石壁，大多为封闭条件，安全系数极低，导致煤矿事故发生后营救难度大。根据相关数据显示，21世纪我国每年死于矿难的人数仍居高不下，如图1所示。

图1 2004—2014年矿难死亡人数统计

基于LiFi定位的矿井定位系统为矿井的安全生产与管理带来了很大方便，在井下人员及车辆管理、职工考勤统计、事故应急救援等方面起到了良好的作用，带来了很大的安全和经济效益。

1 整体架构

根据矿井下的环境特点，在人流频繁、位置重要的矿井顶部间隔一定距离安装VLC接收系统，采用LED矿灯作为接收端，在系统中提前设置好位置信息数据。井下作业人员每人配戴具有发射信息功能的LED矿灯作为移动节点。在矿灯内添加一块STM32微控芯片，作为VLC发射端，VLC发射端在MCU的控制下进行周期循环，按照人眼适应的发光频率快速发送该发射端所配置的身份信息。当通道顶部LED灯检测到作业人员的身份信息后，就将该作业人员的身份信息和位置信息通过通道顶部的各级LED基站发送至地面监控终端，通过串口将终端数据传输至地面数据管理中心。数据管理中心及时将该监测点的移动节点位置信息、身份信息等与数据库中预存的工作人员身份信息和位置信息进行匹配，匹配成功后将对应的身份信息、位置信息和接收时间通过界面显示，以便实时观测作业人员的位置点时间、位置轨迹等。定位系统的布局结构示意图如图2所示。

图2 定位系统布局结构示意图

矿井下作业人员的信息数据接收与发送是由分布在矿下各通道中的LED灯接收端和带有发射身份信息的LED发射端的安全帽实现。矿顶上的LED灯将接收到的身份信息通过电力载波通信系统进行交互传输。

LiFi通信系统原理框图如图3所示。基于LiFi的矿下跟踪定位系统由信号发送端（随身佩戴的信号耦合终端，即LED头盔照明灯）、信号接收端（通道顶部LED照明灯）、数据终端和电脑显示端构成。

图3 LiFi通信系统原理框图

2 系统硬件设计

2.1 VLC发射端设计

在VLC部分，信号经过单片机处理，产生的PWM波输出到I/O口用以驱动LED，以光为载体向下一级传输信号。但STM32单片机中的I/O口限制最大输出电压为3.3 V，输出电流较小，驱动能力较弱，不足以驱动大功率发光二极管。因此，需要提高单片机中引脚的驱动功率。故选用由THS3091组成的LED驱动电路来增强驱动能力，保证发射端的LED可以有效将身份信号发送出去。

经过放大器放大之后，可以有效提高VLC的输出电压，用来驱动大功率LED。通过测试，最大电压可以达到11.2 V。为方便取材，选用THS3091搭建一级射极跟随器，用来稳定输出电压，提高驱动能力。图4所示为LED驱动电路原理图，经测试，当电压为±11 V时散热情况、信号稳定状态等最佳。

图4 LED驱动电路原理

2.2 VLC接收端设计

上级信号经过单片机处理，输出的PWM信号经过驱动电路驱动LED进行光程传播。本文选用的光敏传感器型号为2DU6。2DU6是一种高性能光电传感器，能够有效捕捉光信号并将其转换为电信号，它适用于300～1 000 nm光谱范围内，器件体积小，性能稳定可靠，电路设计简单灵活。2DU6虽然体积小，但由于设计优势，其性能在同类产品中最佳。且其感光范围较大，能够有效提高对可见光的光电转换效率。

光敏传感器在接收到光信号之后，将其转变成电信号，但由于转换效率不高，因此在传感器后加入放大电路用于对转换后的电信号进行放大，便于后级单片机进行ADC采样。采用运算放大芯片设计前级放大电路，为了使放大效果满足需求，同时也延长传输距离，前置放大电路将采用两级放大形式。

图5所示为光电转换电路及放大电路原理。

图5 光电转换电路及放大电路原理

2.3 PLC电路设计

VLC接收端收到的数据传输到单片机中进行计算处理后，通过电力载波系统传输。KQ-103F电力载波数据收发模块是单列排布的9引脚模块，它体积较小、性能优异、接入方便、调制简单、安全性较高，应用在220 V交流、强衰减、强干扰、远距离等环境中。

KQ-103F电力载波数据收发模块应用时需要设置数据格式，本模块接口波特率为9 600 b/s。一帧数据发送字节数不应该大于253，格式如下：

第一字节：表示帧的字节数量，且不包含第一个字节；

第二字节到第n+1字节：表示需要传输的字节。

图6所示为PLC传输电路。MCU将测到的信息通过串口发送到PLC电力载波数据收发模块，模块将信号加载到电力线发送到下一级，最后由MCU接收。

图6 PLC传输电路

3 系统软件设计

3.1 编码方式

VLC发送端需要将LED光携带的信息发送出去，由接收端接收，这就需要规定标准的数据格式，以便于发送端和接收端遵循统一的数据处理模式。编解码要求：“0”“1”发送至LED，表示亮灭，但不能长时间出现全0数据，否则LED会出现长灭状态；编码要尽可能简单，方便使用和代码的编写；降低直流分量。曼彻斯特编码符合该要求，输出功率恒定，时钟信号为25 kHz，对眼睛无伤害。

3.2 帧结构设置

矿井安全帽中的LED灯身份数据应用RS 232数据通信格式进行传输。数据帧由1位起始位，8位数据位和1位停止位组成，共有10位数据。矿井顶部的矿灯接收来自安全帽中LED发射端发送的10位数据。其中，接收端和发送端要求波特率一致，以确保数据不受其他灯光干扰，成功传输。矿井顶部矿灯中的数据结构如图7所示。该数据帧中含有8位帧同步码、8位身份数据码D1和8位位置数据码D2，共24位数据。帧同步码设置为相同的8位二进制码以保证信息的正确接收和交换。8位身份信息数据接收后保存，并将接收的二进制数据转换为十进制，获得的身份信息编号为0～255，即共计可拥有256位工作人员的编号。每个矿灯的位置信息预先设置不同的编码数据，共256个位置（0～255）。

图7 矿灯数据帧结构

3.3 VLC发送端

单片机保存了来自PLC接收的信号，将借助光信号将其发送到下一级。初始化单片机后，提取保存在单片机中的信号数据，然后将其转化为字符串，创建数据帧，等待中断到来，发送曼彻斯特编码的数据，待完成一次发送后，返回重新提取最新数据，循环发送。图8所示为VLC发送端程序流程。

图8 VLC发送端程序流程

3.4 VLC接收端

接收端接收来自VLC发送端的光信号，除利用硬件电路接收、处理信号外，还需借助软件程序来处理数据。由于发送端已进行了曼彻斯特编码，因此接收端需要解码。

首先进行ADC采样。在本实验中，发送端发送的数据信号频率为25 kHz，按照采样定律，接收端采样速率设置为1 MHz。由于测量速度较快，因此将电压值随时间计算平均临界值，用以识别信号的“0”或“1”。该临界值需要对边沿进行识别，当2次采样值超过临界值时，说明上升沿已经到来，同理也可以获取下降沿。采集信息后，系统开始解码。

图9所示为VLC接收端程序流程，其中包括曼彻斯特编码过程。

图9 VLC接收端程序流程

3.5 PLC发送端

PLC数据收发载波模块工作模式比较简单，首先进行信号采集，然后再定时将其发送到KQ-103F电力载波数据收发模块。单片机信号通过串口方式传输，模块将接收到的信息加载到电力线上，通过电力线传输给下一级。图10所示为PLC发送端程序流程。

图10 PLC发送端程序流程

3.6 PLC接收端

来自电力线的信号经过KQ-103F电力载波数据收发模块解码，采用串口传输的方式发送到单片机，经由单片机处理后将其保存到全局变量中，以实现信息接收。图11所示为PLC接收端程序流程。

图11 PLC接收端程序流程

3.7 显示界面设计

显示界面主要由3大板块组成，分别是矿工行动轨迹图显示板块、信息显示板块以及功能按键板块。根据VLC接收端接收的矿下身份数据，再结合其位置数据，进行计算处理后，将作业人员行动轨迹绘图，将作业人员在矿下的位置信息以直观方式在图中显示。信息面板分别展示了当前工作的时间、矿下工作人员姓名以及当前工作位置的编号。功能按键板块包含启动系统、开始接收、停止接收以及退出系统等部分。启动系统按键包括初始化程序，主要完成对串口参数的设置。开始按键程序主要用于接收串口发送的数据帧，并在作业人员行动轨迹图中的位置坐标图上直观显示当前时间段作业人员对应的位置点。停止接收按键的主要功能是停止数据实时采集和矿工行动轨迹图的显示。

4 系统测试

图12所示为VLC发送端波形。利用示波器可以测量波形信号，单片机将携带着温湿度信息的信号进行编码，然后从I/O口输出，幅值大约为2.8 V。经过驱动电路放大之后，可以看到输出电压最高可达11.2 V，信号频率为25 kHz。

图12 VLC发送端波形

图13所示为VLC接收端示波器观测到的接收波形，其中电压为1.99 V，满足单片机设置的临界最小值要求，信号频率为25 kHz，波形的形状也符合要求。本次测试未考虑距离，估计可达0.5 m。

图13 VLC接收端信号

根据文中的系统设计，选取50 m的走廊代替矿道作为实验区间，在走廊顶部每间隔5 m安装1个LED接收端。在此要求一位实验者携带LED发射端在实验区间内行走，LED照明灯接收端接收到LED发射端发送的身份信息数据并保存，再将之与灯中预设的位置信息复接，通过电力载波系统传输至终端，终端提取复接数据中的D1和D2数据后，通过串口输出到PC端，PC端读取串口数据，将接收的D1和D2数据分别转换成十进制数据。在一帧“011011100000101000001000”的实验数据中，第一个8位二进制数据“01101110”为帧同步码；帧数据中的第二组8位数据为D1，即“00001010”，转换为十进制数据10，然后在数据库中查找匹配接收到的身份数据，发现数据10对应张三；第三组8位二进制数据为D2，即“00001000”。由于每隔5 m安置1个LED接收端，所以实验区间内设置有10个接收端。“00001000”转换成十进制为8，表示此时张三的位置在第8个位置点，即距离实验区起点40 m。作业人员移动跟踪效果如图14所示。

图14 作业人员移动跟踪图

5 结 语

针对煤矿井下环境复杂的特点，考虑到现有矿井定位通信系统抗干扰能力差、保密性低、易受环境使用限制等缺点，本文将可见光通信和电力载波系统相结合，构造LiFi矿井定位系统。该系统在一定程度上可以防范煤矿安全事故的发生，促进我国煤矿产业安全发展。