基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统及方法与流程

本发明属于光通信技术用于隧道安全技术领域，涉及基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统及方法。

背景技术：

随着近年来中国经济的快速发展，我国的综合国力和科技技术不断增强，隧道作业等地下工程也开始迅速发展。现在我国已是世界上地下工程规模最大、数量最多的国家。近几年，因为各大城市对地铁设施的需求，我国地下工程的数量也随之迅速增加。因此，隧道作业的安全问题也越发不容忽视。隧道作业的施工环境十分艰苦，工作危险系数较高，且人员数量多，因此实现对施工人员的实时定位可对工程作业中人员考勤、跟踪定位、灾后急救有重大意义。目前常见的隧道人员定位装置主要运用zigbee信号飞行时间技术、第二代无线射频(rfid)识别技术，这类方法精确度还需提高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统，解决了现有技术无法对隧道人员的位置进行实时定位的问题。

本发明的另一目的是提供一种隧道人员的定位方法。

本发明所采用的技术方案是，基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统，包括主动光源模块，主动光源模块均匀分布在隧道顶部，主动光源模块发送下行光信号给逆向光源模块，逆向光源模块设置在施工人员的安全帽上，逆向光源模块发送上行光信号给主动光源模块，主动光源模块还连接数据处理中心模块。

本发明的其他特点还在于，

主动光源模块包括通信接口，通信接口的输入端连接所述数据处理中心模块，通信接口的输出端连接mcu模块，mcu模块将下行信号处理形成固定频率的数字信号传送给数模转换电路dac，数模转换电路dac输出端连接led驱动电路，led驱动电路连接led灯并驱动led灯工作，led灯内部设置有特定频率光发射器，mcu模块还与模数转换电路adc的输出端连接，模数转换电路adc的输入端与光电接收和信号处理模块的输出端连接，光电接收和信号处理模块的输入端用于接收逆向光源模块发送的上行光信号。

逆向光源模块包括包括光电探测器，光电探测器内部包括光电接收电路，光电接收电路接收led灯产生的下行光信号，光电接收电路连接模数转换电路adc/数模转换电路dac，模数转换电路adc/数模转换电路dac连接主控模块mcu，数模转换电路dac连接逆向驱动电路，逆向驱动电路控制逆向调制器，逆向调制器将下行光信号进行调试并反射给主动光源模块。

主动光源模块兼具照明和通信功能。

数据处理中心模块设置在隧道外部监控室，包括与主动光源模块信号连接的无线操作平台。

本发明的另一技术方案是，基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位方法，采用了上述的基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.将施工人员佩戴的安全帽进行个人身份信息记录，确保每个安全帽有独特的编号与每位进入隧道的施工人员对应，并且将安全帽标记为u1，u2，…..，un；

步骤2.从隧道口开始，依次在隧道的顶部均匀安装主动光源模块，并标记为l1，l2，…..，ln；

步骤3.led灯内部的特定频率光发射器发送的下行光信号给mcu模块，mcu模块加上振荡电路将信号形成有固定频率f0的数字信号传递给数模转换电路dac，数模转换电路dac将信号处理后发送给led驱动电路，led驱动电路控制led工作，并发送下行光信号给安装在施工人员安全帽上的逆向光源模块；

步骤4.逆向模块接收到固定频率为f0的信号时，激活逆向调制电路，首先将接收到的光信号经过光电接收电路转为电信号，然后通过模数转换电路adc模块转化成数字信号并发送给主控模块mcu，主控模块mcu对上行源数据进行解调然后在传送给数模转换电路dac进行转换后，发送给逆向调制电路，逆向调制电路控制逆向调制器将上行光信号进行二次调试后发送给主动光源模块；

步骤5.主动光源模块的光电接收模块将接收到的二次调试后的信号转换为电信号，信号处理模块对二次调制后的信号进行处理，提取出上行链路信号；然后通过模数转换电路adc将电信号转换得到数字信号，再发送给由mcu解调出上行链路数据，并通过通信接口发送给数据处理中心模块，数据处理中心模块收到安全帽上对应标记u和主动光源模块标记l，从而实现对施工人员的实时定位。

步骤5中数据处理中心模块对施工人员的定时定位时还需判断：当数据处理中心模块先收到主动光源模块l1后收到l2的信息时，则认定施工人员进入隧道，则初始化佩戴安全帽的施工人员的位置信息，当数据处理中心先收到主动光源模块l2后收到l1的信息时，则认定工人离开隧道。

本发明的有益效果是，基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统及方法，解决了现有技术无法对隧道人员的位置进行实时定位的问题。通过该系统的全双工通信能清楚将每位施工人员的考勤状态及位置信息反馈给数据处理中心。本发明提供的定位方法简单直接且十分高效，这对地下工程作业中人员考勤、跟踪定位、灾后急救有重大意义；使led在很好完成照明效果的同时不需要额外的辅助系统就可完成对施工人员的实时定位，可以节省更多资源，有效降低运行成本。

附图说明

图1是本发明的基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统结构示意图；

图2是本发明的基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统中主动端的结构示意图；

图3是本发明的基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统中逆向端端的结构示意图；

图4是本发明的基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统中隧道全双工通信链路示意图；

图5是施工人员出入隧道示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统，如图1所示，包括主动光源模块，主动光源模块均匀分布在隧道顶部，主动光源模块发送下行光信号给逆向光源模块，逆向光源模块设置在施工人员的安全帽上，逆向光源模块发送上行光信号给所述主动光源模块，主动光源模块还连接数据处理中心模块。

如图2所示，主动光源模块包括通信接口，通信接口的输入端连接所述数据处理中心模块，通信接口的输出端连接mcu模块，mcu模块将下行信号处理形成固定频率的数字信号传送给数模转换电路dac，数模转换电路dac输出端连接led驱动电路，led驱动电路连接led灯并驱动led灯工作，led灯内部设置有特定频率光发射器，mcu模块还与模数转换电路adc的输出端连接，模数转换电路adc的输入端与光电接收和信号处理模块的输出端连接，光电接收和信号处理模块的输入端用于接收逆向光源模块发送的上行光信号，所述光电接收和信号处理模块为光电探测器。

如图3和图4所示，逆向光源模块包括光电探测器，光电探测器内部包括光电接收电路，光电接收电路接收led灯产生的下行光信号，光电接收电路连接模数转换电路adc，模数转换电路adc连接主控模块mcu，mcu接着连接数模转换电路dac，dac再连接逆向驱动电路，逆向驱动电路控制逆向调制器，逆向调制器将下行光信号进行调试并反射给主动光源模块。

主动光源模块兼具照明和通信功能。

数据处理中心模块设置在隧道外部监控室，包括与所述主动光源模块信号连接的无线操作平台，主要功能是对施工人员实时定位数据的记录与统计。

本发明的基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位方法，采用了如上述的基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.将施工人员佩戴的安全帽进行个人身份信息记录，确保每个安全帽有独的编号与每位进入隧道的施工人员对应，并且将安全帽标记为u1，u2，…..，un；

步骤2.从隧道口开始，依次在隧道的顶部均匀安装主动光源模块，并标记为l1，l2，…..，ln；

步骤3.led灯内部的特定频率光发射器发送下行光信号给mcu模块，mcu模块加上振荡电路将信号形成有固定频率f0的数字信号传递给数模转换电路dac，数模转换电路dac将信号处理后发送给led驱动电路，led驱动电路控制led工作，并发送下行光信号给安装在施工人员安全帽上的逆向光源模块；

步骤4.逆向模块接收到固定频率为f0的信号时，激活逆向调制电路，首先将接收到的光信号经过光电接收电路转为电信号，然后通过模数转换电路adc模块转化成数字信号并发送给主控模块mcu，主控模块mcu对上行源数据进行解调然后在传送给数模转换电路dac进行转换后，发送给逆向调制电路，逆向调制电路控制逆向调制器将上行光信号进行二次调试后发送给主动光源模块；

步骤5.主动光源模块的光电接收模块将接收到的二次调试后的信号转换为电信号，信号处理模块对二次调制后的信号进行处理，提取出上行链路信号；然后通过模数转换电路adc将电信号转换得到数字信号，再发送给由mcu解调出上行链路数据，并通过通信接口发送给数据处理中心模块，数据处理中心模块收到安全帽上对应标记u和主动光源模块标记l，从而实现对施工人员的实时定位。

步骤5中数据处理中心模块对施工人员的定时定位时还需判断：如图5所示，当数据处理中心模块先收到主动光源模块l1后收到l2的信息时，则认定施工人员进入隧道，则初始化佩戴安全帽的施工人员的位置信息，当数据处理中心先收到主动光源模块l2后收到l1的信息时，则认定工人离开隧道。

本发明的基于可见光逆向调制技术的隧道人员定位系统的工作原理如下：led灯内部的特定频率光发射器发送的下行光信号经过mcu模块加上振荡电路，形成有固定频率f0的数字信号传递给数模转换电路adc，该电路会将收到的信号调制成模拟信号，再将该模拟信号发送给led驱动电路，就可实现在对隧道进行照明的同时利用led驱动电路产生下行光信号，为提高抗干扰性，将该信号设置固定频率f0，此频率人眼不识别，不会影响正常照明功能。在施工人员的安全帽上安装逆向端设备，当接收到频率为f0的信号时，激活逆向调制电路。逆向调制模块的传输过程首先是将信号经由光电接收电路转为电信号，接着通过模数转换将信号采样量化成数字信号，再通过主控模块mcu进行解调，然后主控模块mcu对上行数据进行ppm调制并通过数模转换电路dac转为模拟调制信号输入到逆向调制电路中，然后逆向调制器对下行光信号二次调试并反射回主动端。

mcu微控制单元，又称单片机，就是小型的计算机，具有运算器、控制器、存储器、输入输出设备；数模转换模块：是将数字信号转换为模拟信号的模块，一般先对数字信号解码，形成阶梯状信号，再经用sa函数的倒数作频谱特性补偿即可恢复成采样信号，采样信号的频谱经过低通滤波便得到原来模拟信号的频谱；模数转换模块：是将模拟信号转换成数字信号的模块，是一个滤波、采样保持和编码的过程；模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶梯形状信号，然后经编码器将阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。光电探测器：工作原理是基于光电效应，是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。