專利名稱：一種基于led礦工帽照明燈的無線對講通信系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于礦井下短距離照明通信領域，具體涉及一種通過礦工帽照明燈實現無線語音通信的系統。
背景技術：
隨著我國經濟的快速發展，人們對能源的需求量日益增加。與此同時，煤礦安全生產也越來越受到重視。傳統井下照明設備(白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等)由于功率問題容易產生電火花，這易引起瓦斯爆炸和燃燒。而被稱為21世紀照明技術的新生第四代光源——白光LED具有的最突出優點是低功耗，此特點可以有效地減少電火花。因此具有安全高效、綠色環保、低發熱、長壽命等優點的白光LED必然會成為未來井下照明的首選光源。目前配有IW和3W白光LED的照明用礦工帽已經商用。由于井下抽風設備和開采設備造成的噪聲嚴重影響井下作業人員相互之間正常通話，而井下無線對講機價格昂貴，不可能每個礦工都配有一個。并且現有的井下無線對講設備具有不易攜帶、信號質量差、半雙工工作方式等缺點，所以設計新型經濟實用的井下無線對講設備變得非常必要。近年來，已經有采用藍牙技術[1]進行的井下近距離無線語音通信，但是藍牙設備具有功耗高、通信距離短、易受干擾等缺點。其它近距離無線通信技術還有UWB(超寬帶) 技術[2]、ZigBee (無線傳感器)技術[3]等。這些技術都屬于射頻無線通信，具有成本較高、 不易安裝和高功耗等缺點。且井下通信環境惡劣，空氣中含有的大量煤礦粉塵、可燃氣體和水汽會吸收無線電波，巷道空間狹小無線電波易受巖石和煤層的吸收反射。除此之外，礦井下還放置有開采設備和排風設施并且巷道頂部和四周分布著許多鐵絲網，這些金屬物體也會吸收和干擾射頻信號，影響通信質量和傳輸距離。而井下這種特殊環境對LED可見光無線通信不會造成太大的影響，特別在工作面上黑暗環境中不存在背景自然光及路燈干擾， 較少的反射體減少了多徑效應，并實現照明和通信兩用。既節能，又減少重復投資，從而降低成本投入。本發明在采用標準功率IW LED礦工帽照明燈(通過井下用品安全認證)基礎上， 設計了帶小喇叭、麥克風的可見光無線通信對講機。這樣不僅實現了照明又解決了井下噪聲帶來的語音通信困擾。
發明內容
本發明根據礦井下特殊環境和白光LED可見光通信技術的特點，提供一種兼具照明和語音通信雙重功能的系統。該系統安裝在礦工燈帽上，礦工可以佩戴這種帽子進行照明和語音通信。當兩位礦工需要通信時，通過麥克風說話，麥克風的語音信號調制到礦工帽的LED燈上，信號沿照明光路傳輸，照射到對方礦工帽頂的光接收機上，接收機將光信號轉換為電信號，經過放大均衡、解碼還原為語音信號，實現語音通信。在通信時不影響照明，不通信時，通信模塊進入休眠狀態，不影響LED礦工燈帽照明。該系統具有低功耗、低成本、小尺寸、干擾少、照明和通信共用等優點。本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是一種基于LED礦工帽照明燈的無線對講通信系統，包括礦工帽體和設置在帽體上的光無線發射端、接收端、控制單元和LED礦工燈，以及充電電池；所述控制單元連接發射端和接收端，構成收發系統，所述控制單元包括單片機和單片機外圍的時鐘模塊和指示燈模塊；單片機控制收、發兩端，完成對發射信號和接收信號的處理；將從發送端采集的音頻信號經過AGC放大后進行A/D轉換，然后對數字信號進行編碼，再將編碼后的信號加載到 LED調制照明電路上；控制接收端將接收的光信號轉換成電信號并再生還原為數字信號， 然后將接收端輸出的數字信號進行曼徹斯特解碼、D/A轉換，還原為語音信號，再發送至接收端的喇叭。作為本發明的進一步改進，所述數字信號編碼采用曼徹斯特編碼，采用曼徹斯特編碼是為了避免信號中出現的長串連‘0’和長串連‘1’，有利于系統時鐘提取，提高系統的通信質量。單片機控制發射和接收兩部分，這兩部分屬于兩個不同的線程，各自獨立運行互不影響，只有這樣才能形成全雙工通信。考慮降低系統功耗，所述單片機設有休眠功能，還設有鍵盤電路，在長時間沒有通信信號的情況下，單片機進入休眠狀態；當有通信需求時， 觸鍵喚醒單片機進行通信。單片機內部自帶時鐘，該內部時鐘為單片機提供時間參照并可以實現單片機休眠；外部時鐘采用晶體振蕩器，為同步通信提供時鐘保證。所述發射端包括麥克風、白光LED礦燈和調制照明電路；所述麥克風經過一個轉換濾波電路和單片機相連。所述白光LED礦燈，采用經過井下安全認證的標準LED礦燈作為信號源；其額定功率為1W、工作電流為200mA、工作電壓范圍為3V 5V、發光波長范圍為380nm 780nm。所述調制照明電路包括調制電路和照明電路，當無通信信號時，調制電路斷開，照明電路工作，保證LED正常照明；當有通信信號時，照明電路斷開，調制電路工作。調制電路輸出給LED的電壓根據計算的LED亮滅門限電壓值Vg設計，當通信信號為‘1’時，LED兩端的電壓高于Vg達到正常工作電壓范圍，LED發亮；當通信信號為‘0’時，LED兩端的電壓低于\，LED熄滅。經實驗測得，如果在白光LED調制電路上加載低于200Hz的數字信號時，人眼會感覺到LED的閃爍，所以光脈沖信號的傳輸速率應選擇大于200bps。所述接收端由集光器、放大均衡判決電路和小喇叭組成；所述集光器用于接收光通信信號并轉換成電信號；所述放大均衡判決電路用于將集光器的電信號進行放大、補償和判決，得到原發送的數字信號。所述集光器由光學聚焦透鏡(又稱光集中器)、折射匹配層和光電檢測器組成。所述光學聚焦透鏡采用半球形光學透鏡；所述折射匹配層用于減少光的反射損失，取得最大量的光接收；所述光電檢測器作用是把接收到的光信號轉換為電流，對光電檢測器的要求是高光電轉換效率、低附加噪聲和快速響應。光電檢測器產生的光電流比較微弱(pA)，要使信號正確判決，需要放大、均衡。如附圖6所示，放大均衡判決電路包括放大電路、均衡電路、判決電路，放大電路包括前置放大器、主放大器和AGC電路(自增益控制)；均衡電路由均衡器組成；判決電路由判決再生電路和時鐘提取組成。 經過濾波后的電信號首先經過前置放大，前置放大后的信號的輸出電壓一般較低，無法滿足后續均衡和判決電路所需的輸入電壓要求，需要進一步的信號放大，采用具有 AGC(自動增益控制)功能的主放大器來實現信號的中間放大。經過主放大器后信號進行幅度均衡，其目的是對經空氣傳輸、光/電轉換和放大后已產生畸變(失真)的電信號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決，以消除碼間干擾，減小誤碼率。除此之外，再生原始信號還需要判決再生電路。判決再生電路包括判決電路和時鐘提取電路兩部分，它的功能是從放大器輸出的信號與噪聲混合的波形中提取碼元時鐘，并逐個地對碼元波形進行取樣判決，以得到原發送的數字信號。再生的編碼信號經解碼器進行曼徹斯特解碼，并進行A/D轉換。由于經過這些步驟之后的信號衰減很大，需要功率放大器將模擬信號放大來滿足小喇叭的電壓要求，如附圖2所示。出于安全考慮，有經驗的礦工在井下經常會根據聲音判別井下異常情況，礦工在井下不可能一直帶著耳機。設計安全帽時采用小喇叭以保證語音通信的暢通。如附圖7中的3所示，小喇叭和耳機集成一起。小喇叭具體功能是將模擬信號還原為語音信號，并且當通信建立時會給出提示音。本發明根據礦井下黑暗和光反射體較少這種特殊環境將可見光通信應用于井下， 同時實現照明和通信。本方案與現有的井下近距離通信技術相比具有節約節能、安全實用和通信干擾少等優點。其在完成普通照明的前提下，解決了井下機器噪聲造成的近距離語音通信障礙。本發明還采用單片機休眠來降低系統功耗，并且所設計出的系統具有安全環保、實用經濟、節能易用等特點。
圖1是本發明實施例1的控制單元結構示意圖；圖2是本發明實施例1的無線通信系統框圖；圖3是本發明實施例1控制單元外圍模塊電路；圖4是本發明實施例1的調制照明電路；圖5是本發明實施例1集光器結構示意圖；圖6是本發明實施例1接收端電路框圖；圖7是本發明實施例1的結構示意圖；圖8井下LED系統通信示意圖。發射端1、接收端2、麥克風3、礦工帽4、電源線5、電池6、小喇叭8、白光LED礦燈 9、光學聚焦透鏡21、折射匹配層22、光電檢測器23、放大均衡判決電路24。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖做進一步說明。實施例1如圖7所示，一種基于礦工帽照明燈的無線通信系統，包括礦工帽4和設置在礦工帽4上的光無線發射端1、接收端2、控制單元，以及電線5和充電電池電源6。控制單元通過程序來實現對發射端和接收端的控制，而且發射端控制代碼和接收端控制代碼屬于兩個獨立的線程便于系統進行全雙工通信。
具體實施方式
如下
1.系統控制如圖1所示，控制單元連接發射端1和接收端2，構成收發系統，控制單元包括單片機和單片機外圍的時鐘模塊、鍵盤和指示燈模塊。如附圖2所示，在控制單元中模塊化單元為系統提供時鐘、鍵盤和指示(各部分具體電路如附圖3所示)等功能保證的基礎上，單片機控制收發端完成信號的發射和接收。 由于系統需要對數字信號進行處理，這樣對單片機要求就相對較高，所以該單片機可以采用16位處理器。其具有的主要參數為工作電壓(CPU)為2V 5V，具有ADC (模一數轉換器)、DAC (數-模轉換器)、內置放大器、自動增益控制(AGC)功能，并且還具有DSP (數字信號處理)、時鐘休眠和觸鍵喚醒等功能。單片機控制發、收兩端1，2，完成對發射信號和接收信號的處理；將從發送端采集的音頻信號經過AGC放大后進行A/D轉換，然后對數字信號進行編碼，再將編碼后的信號加載到LED調制照明電路上；控制接收端將接收的光信號轉換成電信號并再生還原為數字信號，然后將接收端輸出的數字信號進行曼徹斯特解碼、D/A轉換，還原為語音信號，再發送至接收端的喇叭。2.信號發射發射端1包括麥克風3、白光LED礦燈9和調制照明電路。麥克風3經過一個轉換濾波電路和單片機相連。采用經過井下安全認證的標準白光LED礦燈作為信號源。其額定功率為1W、工作電流為200mA、工作電壓范圍為3V 5V、發光波長范圍為380nm 780nm。 如附圖7所示的礦工需要進行通信時，首先確保系統處于正常通信狀態，即保證附圖3 (c) 電路圖中紅燈亮、綠燈滅。如果紅綠燈都亮，則按下附圖3(b)電路圖中的wake按鍵。接著將麥克風拉下，調整照明角度使雙方燈光都照射在對方帽頂的半球形光集中器上。通信建立之后，語音信號通過麥克風轉換為模擬信號，然后傳進行AGC(自動增益控制)放大、A/ D轉換和曼徹斯特編碼。其中，AGC(自動增益控制)放大和A/D轉換以及通過AGC電路和 ADC實現，曼徹斯特編碼通過編碼器來實現。 將曼徹斯特編碼信號加載到LED調制照明電路上，LED調制照明電路具有照明和調制雙重功能。本系統采用OOK調制方式。當有信號時，LED實現照明和通信兩用；當無信號時，LED盡最大效率照明，具體電路如附圖4所示。3.接收端接收端如附圖6所示，接收端2由光學聚焦透鏡21、放大均衡判決電路24和小喇叭8組成；接收機前端用于接收光通信信號并轉換成電信號；放大均衡判決電路用于將集光器的電信號進行放大、補償和判斷，得到原發送的數字信號。集光器模型如附圖5所示，光聚焦鏡頭21采用半球面透鏡，直徑為45mm，焦距在 18mm左右，接收視場近似為180°。折射匹配層22采用折射匹配液，其折射率為1. 54。光電探測器23選硅PIN光電二極管，光敏面積為Icm2、接收波長范圍為400nm 700nm。放大均衡判決電路采用輸入阻抗較高的場效應管作為前置放大器。完成AGC放大功能采用主放大器和AGC電路，主放大器為多級放大器，用于提供足夠的增益，并通過它實現 AGC。接著對信 號進行幅度均衡，對已失真的電壓信號進行補償，使輸出信號的波形適合于判決。即增加接收信號中‘1’和‘0’之間的幅度差距(增大信號‘1’的幅度，減少信號‘0’的幅度)。然后被修正過的信號經時鐘提取和判決再生恢復出原始數字信號。具體功能判決電路是為了確定主放大器輸出的升余弦波形是‘1’或是‘0’，需要對某時隙的碼元作出判決。若判決結果為‘1’，則由再生電路產生一個矩形‘1’脈沖；若判決結果為‘0’，則由再生電路重新輸入一個‘0’。時鐘提取電路是為了精確地確定“判決時刻”，需要從信號碼流中提取準確的時鐘信息作為標定，以保證與發送端一致。隨后將再生的數字信號送入解碼器進行曼徹斯特解碼，并進行D/A轉換。然后信號經過音頻功率放大器放大傳輸到小喇叭中實現語音的還原。功率放大器可采用集成芯片來完成，中間要增加一些外圍電路來實現與小喇叭的電壓匹配。如附圖7所示，語音傳遞裝置包括小喇叭和麥克風，麥克風是可以靈活轉動的，當不需要通信時可以將麥克風收起，這一部分可以采用現成器件來實現。4.礦工帽結構附圖7所示礦工帽結構。其中，發射端1中的白光LED燈9可以從帽子上取下來當作手燈用；礦工帽4采用經過井下安全認證的通用礦工帽；電源線5附著在帽頂上；電池 6采用鋰電池，輸出電壓為DC(直流)5V，并且鋰電池是扣在腰部的，可以靈活取下。系統自動進入單片機休眠狀態(附圖3(c)電路圖中綠燈亮)，然后LED通過如附圖4所示的調制照明電路盡最大效率照明。當需要通信時按下附圖3(b)電路圖中的wake 按鍵，喚醒單片機進行通信。通信示意圖如附圖8所示，只要光線照到對方的光集中器上， 實現光脈沖接收，然后小喇叭中發出通信建立成功的提示音，通信即可建立。最后給出該礦工燈帽對講機系統主要指標(1)在最低信噪比13. 6dB接收和無障礙情況下，通信傳輸距離可達到245m ；(2)照明距離為大于25m ；(3)傳輸速率為 8Kbps 48Kbps ；(4)系統通信情況下總功耗為3 5W，休眠情況下總功耗低于2W，LED燈功耗為 Iff ；(5)DC 5V 供電。
權利要求
1.一種基于LED礦工帽照明燈的無線對講通信系統，其特征是，該無線通信系統包括礦工帽和設置在帽體上的光無線發射端、接收端、控制單元和LED礦工燈，以及充電電池電源；所述控制單元連接發射端和接收端，構成收發系統，所述控制單元包括單片機和單片機外圍的時鐘模塊和指示燈模塊；單片機控制收、發兩端，完成對發射信號和接收信號的處理；將從發送端采集的音頻信號經過AGC放大后進行A/D轉換，然后對數字信號進行編碼，再將編碼后的信號加載到LED 調制照明電路上；控制接收端將接收的光信號轉換成電信號并再生還原為數字信號，然后將接收端輸出的數字信號進行曼徹斯特解碼、D/A轉換，還原為語音信號，再發送至接收端的喇叭。
2.根據權利要求1所述的無線通信系統，其特征是，所述數字信號編碼采用曼徹斯特編碼，采用曼徹斯特編碼是為了避免信號中出現的長串連‘0’和長串連‘1’，有利于系統時鐘提取，提高系統的通信質量。
3.根據權利要求1所述的無線通信系統，其特征是，所述發射端包括麥克風、白光LED 礦燈和調制照明電路；所述麥克風經過一個轉換濾波電路和單片機相連；所述白光LED礦燈額定功率為1W、工作電流為200mA、工作電壓范圍為3V 5V、發光波長范圍為380nm 780nm。
4.根據權利要求1所述的無線通信系統，其特征是，所述調制照明電路包括調制電路和照明電路，當無通信信號時，調制電路斷開，照明電路工作，保證LED正常照明；當有通信信號時，照明電路斷開，調制電路工作；調制電路輸出給LED的電壓根據計算的LED亮滅門限電壓值Vg設計，當通信信號為‘1’時，LED兩端的電壓高于Vg達到正常工作電壓范圍，LED 發亮；當通信信號為‘0’時，LED兩端的電壓低于\，LED熄滅。
5.根據權利要求1所述的無線通信系統，其特征是，所述接收端由集光器、放大均衡判決電路和小喇叭組成；所述集光器用于接收光通信信號并轉換成電信號；所述放大均衡判決電路用于將集光器的電信號進行放大、補償和判決，得到原發送的數字信號。
6.根據權利要求4所述的無線通信系統，其特征是，光脈沖信號的傳輸速率應選擇大于 200bps。
7.根據權利要求5所述的無線通信系統，其特征是，所述集光器由光學聚焦透鏡、折射匹配層和光電檢測器組成，所述折射匹配層設置在光學聚焦透鏡和光電檢測器之間。
全文摘要
一種基于LED礦工帽照明燈的無線對講通信系統，包括礦工帽體和設置在帽體上的光無線發射端、接收端、控制單元和LED礦工燈，以及充電電池；所述控制單元連接發射端和接收端，構成收發系統，所述控制單元包括單片機和單片機外圍的時鐘模塊和指示燈模塊；單片機控制收、發兩端，完成對發射信號和接收信號的處理；將從發送端采集的音頻信號經過AGC放大后進行A/D轉換，然后對數字信號進行編碼，再將編碼后的信號加載到LED調制照明電路上；控制接收端將接收的光信號轉換成電信號并再生還原為數字信號，然后將接收端輸出的數字信號進行曼徹斯特解碼、D/A轉換，還原為語音信號，再發送至接收端的喇叭。
文檔編號H05B37/02GK102185651SQ201010296559
公開日2011年9月14日 申請日期2010年9月26日 優先權日2010年9月26日
發明者朱娜, 江曉明, 閆述, 高磊 申請人:江蘇大學