专利名称：井下无线通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信领域，更具体地说，涉及一种适用于煤矿等行业的井下无线通信系统。
背景技术：
在煤矿等行业中，矿工通常在地下几百米甚至上千米的条件下进行作业，因此需要在地面指挥中心与井下的矿工之间建立有效的通信手段，使地面指挥中心可将各种信息即使发布给井下的矿工，特别是在发生瓦斯爆炸、矿道坍塌等重大事故时，应迅速向井下发布相应的紧急信息，并组织、指挥井下的矿工安全、迅速地撤出危险位置。
煤矿行业的安全生产问题是非常重要的，并且一直受到各国政府的广泛关注。2002年1月至5月份，我国煤矿企业共发生死亡事故1331起，死亡人数达2341人。通过建立有效的井下无线通信系统，是降低事故发生率、减少死亡人数等事故损失的重要措施之一，所以美国、加拿大、澳大利亚等国家都先后建成了自己的井下无线通信与急救系统。这些高科技的手段极大地促进了井下生产效率和安全水平的提高。例如，2002年7月24日，美国宾西法尼亚州煤矿矿道坍塌，正是借助于井下无线通信系统的紧急信息发布功能，才使矿工得以迅速撤离。
现有的井下无线通信设备中，以美国安菲斯公司的PED系统最为先进的设备之一，例如我国的大同矿务局、郑州矿务局的一些矿井中，都安装了PED系统。由于现有的井下无线通信设备存在以下缺点，所以未能大量地推广应用(1)现有的井下无线通信设备通常采用单一载波来发射信号，例如采用5千赫兹(KHz)或8KHz的单一载波，抗干扰能力不强，实施的技术难度较大，所需元器件多，导致其成本居高不下。传统的长波设备由发信机、天线、电源、终端设备和冷却、控制、保护与鉴测等辅助设备组成，而发信机、天线、电源、终端设备和冷却、控制、保护与鉴测等辅助设备是采用传统的分立元件制作，设备非常庞大且复杂。而且现有的5千赫兹(KHz)或8KHz)，采用传统的调制模式，抗干扰能力比较弱。
(2)整个系统的信息编辑、发射信号调制以及大功率发射机之间独立运行，对环形天线的故障不能即时反馈和处理。
(3)操作界面单一，对需要发射的消息只能进行简单的排队处理，不能作进一步的功能扩展。
发明内容
本发明要解决现有的井下无线通信设备所存在的上述缺陷，提供一种高性能、低成本的井下无线通信系统，以便于这种设备的推广应用，提高矿山企业的事故预警和事故救援能力，减少人员伤亡和财产损失。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种井下无线通信系统，包括发射装置及与之配合的一个或多个便携式接收装置，所述发射装置中包括发射用信号调制器和大功率发射机，所述调制器将需要发出的信号调制为预定频率的信号，并输出到所述大功率发射机进行发送，其中，所述发射装置中还包括计算机和编码器，所述计算机用于编辑处理需要发出的信息并输出到所述编码器，所述编码器将所述信息处理为二进制数字信号并输出到所述调制器；所述发射用信号调制器为连续相位频移键控式调制器，该调制器将二进制数的‘0’调制为第一频率信号，‘1’调制为第二频率信号，再输出到所述大功率发射机进行发射。
根据本发明所述的井下无线通信系统，所述发射装置中还设有一个紧急信息单元，所述紧急信息单元的输出端与所述编码器的输入端连接，用于输出预置的紧急信息；该紧急信息单元中存储有一条或多条紧急信息，并配有与紧急信息相应数目的紧急按钮，按下某一紧急按钮时，则直接向编码器输出相应的紧急信息。
在本发明所述的井下无线通信系统中，所述大功率发射机包括用于对所述发射用信号调制器输出的信号进行放大的多级放大器，以及与所述多级放大器连接的环形天线；还包括天线保护电路和电源单元。其中，所述天线保护电路包括对所述环形天线的故障情况进行检测的检测单元、根据所述检测单元的输出信号对所述电源单元进行控制的电源控制单元、以及根据所述检测单元的输出信号进行故障分析的故障逻辑分析单元；所述故障逻辑分析单元的输出信号传送到所述计算机进行显示和记录。所述大功率发射机中的多级放大器包括依次连接的信号隔离电路、驱动放大器、IGBT；所述信号隔离电路与所述发射用信号连接，以接收其输出的频率信号；所述IGBT的输出端连接到所述环形天线。
在本发明所述的井下无线通信系统中，所述接收装置包括依次连接的接收电路、连续相位频移键控式解调器和解码器，还包括微处理器、显示器和来电提示器；所述微处理器控制所述解调器和解码器的工作，并向所述提示器输出相应的驱动信号，同时向所述显示器输出相应的显示信号。所述显示器可以是LCD显示器，所述提示器可以是发光灯、振动器及蜂鸣器中的一种或多种。
通过采取上述方案，本发明的井下无线通信系统具有以下优点(1)采用双频工作载波模式来发射信息，提高了系统的抗干扰能力，使电波穿透岩石的能力增强，传输距离增大，同时所需元器件数量减少，成本大大降低；(2)整个系统的信息编辑、发射信号调制以及大功率发射机之间相互协作，可自动反馈和处理各种故障信息；(3)操作界面更人性化，可进行复杂的消息排队以及其它功能扩展。将这种井下无线通信系统推广应用后，可提高矿山企业的事故预警和事故救援能力，减少人员伤亡和财产损失。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1是本发明井下无线通信系统的原理框图；图2是本发明一个优选实施例中将编码器与调制解调器集成在一起时的原理图；图3是本发明一个优选实施例中发射机的原理图；图4是本发明一个优选实施例中接收装置的原理图。
具体实施例方式
本发明井下无线通信系统的原理如图1所示，图中的虚线框内是发射装置，右下部是与之配合三个便携式接收装置。从图中可以看出，在发射装置中，先由计算机编辑处理需要发出的信息并输出到编码器，再由编码器将该信息处理为预定制式的二进制编码信号并输出到发射用信号调制解调器，该调制解调器将二进制数的‘0’调制为第一频率信号，‘1’调制为第二频率信号，再输出到大功率发射机，由其环形天线发射出去。具体实施时，其中的发射机安装在矿井口，环形天线安装在矿井内，而计算机、编码器和调制解调器则根据煤矿的实际情况来布置，通常是安装在附近或几公里之外的指挥中心，所以调制解调器与发射机之间需要用电缆连接以传递调制后的信号。
本发明的一个主要特征是采用双载波来发射信号，其中的调制解调器为CPFSK(Continuous-Phase Frequency Shift Keying，连续相位频移键控)调制解调器，其工作频率在7-50KHz之间，例如可采用以下几组固定的频率1)10.25KHz+11.346KHz；2)14.448KHz+16.91KHz；3)21.673KHz+23.865KHz；4)34.988KHz+38.732KHz；5)43.25KHz+47.346KHz；6)53.561KHz+58.236KHz；7)60.925KHz+67.134KHz；并可以通过软件任意改变以上双载波频率组。本实施例中，将二进制数的‘0’调制为10KHz信号，‘1’调制为13KHz信号，也就是说，即用10KHz信号表示“0”，13KHz信号表示“1”。采用这种双频工作载波模式后，可大大提高系统的抗干扰能力，使电波穿透岩石的能力增强，传输距离增大，例如发送一个2毫秒(本发明中其数据速率为512BPS，即大约0.5KHz)的低电平“0”，或发一个2毫秒(同样，其数据速率为512BPS，即大约0.5KHz)的高电平“1”时，载波将工作在10K或13K，因为13K/0.5K＝26，10K/0.5K＝20，相应地，将发出20个100微秒或26个76微秒的方脉冲。而当接收与发送之间建立同步后，接收装置在某一段同步的时间内，只需要监测到3个以上100微秒的脉冲或76微秒的脉冲，就可判断是“0”或是“1”，所以具有极强的纠错能力。另一方面，本实施例中采用高度集成的高速DSP芯片组，可大大减少所需元器件数量，从而使成本大大降低。
如图2所示是本发明一个优选实施例中将编码器与调制解调器集成在一起时的原理图，整个虚线框内的各功能模块可采用一个高性能DSP(数字信号处理器)来实现。整个DSP通过RS232接口与计算机连接。在DSP内，先采用POCSAG(无线寻呼系统编码)编码器进行编码，将计算机所送来的信息处理为预定格式(POCSAG)的二进制码；再送到调制解调器进行发射调制，将‘0’调制为10KHz信号，‘1’调制为13KHz信号；调制好的信号经缓冲放大单元处理后，再通过电缆传送到发射机进行发射。POCSAG编码方式具有较低传输速率，以及极强的信号纠错、修复功能。由于无线信号在传输过程中，难免会受到种种干扰和阻挡，造成信号残缺、误码，因此编码的纠错、修复功能对于遥控器的可靠性有着决定性的作用。有了POCSAG码的自动纠错功能，无线信号即使恶劣的信号的环境下，也能可靠地接收讯息，可靠性极高，同时其技术实现也较成熟。
从图2中可以看出，该模块中还设有一个紧急信息单元，该单元中可存储三条(或更多条)紧急信息，并配有一一对应的三个紧急按钮，按下某一紧急按钮则直接向编码器输出相应的紧急信息，然后经编码、调制后由发射机发射出去。当有紧急情况发生，或计算机发生故障时，按下紧急按钮，即可不依靠计算机而直接发出紧急指令。
通过采用高度集成的嵌入式DSP，可独立、自动地进行信号的传输，又能兼顾处理系统前段所反馈的控制信号，并全面反映在操作界面上。该DSP还可用于完成消息排队功能，另外，通过采用适当的无线空中接口协议，无须任何外加设备，就可以通过图2中的缓冲放大单元向接收装置直接发送信息，以修改接收装置的各种参数。
如图3所示为本发明一个优选实施例中发射机的原理图，从图中可以看出，该大功率发射机包括多级放大器、电源单元、环形天线以及天线保护电路等。其中，多级放大器包括依次连接的信号隔离电路、驱动放大器和IGBT(绝缘栅双极型晶体三极管)；其中信号隔离电路可与图2中的缓冲放大单元连接，以接收调制解调器所输出的频率信号，IGBT的输出端则连接到环形天线。
从图3中可以看出，其中的天线保护电路中包括对环形天线的过流、开路、漏电等故障情况进行检测的多个检测单元、根据各个检测单元的输出信号对电源单元进行控制的电源控制单元、以及根据各个检测单元的输出信号进行故障分析的故障逻辑分析单元(未在图中画出)；故障逻辑分析单元的输出信号可经图2中所示的集成调制解调器模块传送到计算机进行显示和记录。
从图3中可以看出，整个发射机由市电交流供电，电源内设有抗干扰、全桥整流、工频滤波、等电路。
如图4所示为本发明一个优选实施例中接收装置的原理图，该接收装置包括依次连接的接收电路、连续相位频移键控式解调器和解码器，其中接收电路由前置放大器、带通滤波器和限幅放大器组成；接收装置中还包括微处理器(AR5020 OTP)、LCD显示器和装在矿工安全帽上的提示灯。其中微处理器控制解调器和解码器的工作，并向帽灯继电器输出相应的驱动信号，使其闪烁以产生来电提示效果，同时向LCD显示器输出相应的显示信号。除上述帽灯之外，还可用振动器或蜂鸣器增加来电提示效果。从图中可以看出，整个接收装置的电源取自矿工安全帽上的帽灯电池。
利用本发明的上述系统，当在计算机上编辑好需要发射信息后，通过RS232串行电缆将这些信息从计算机传到图2所示的集成调制解调器模块上；该模块先对这些信息进行POCSAG(无线寻呼系统编码)编码，再由2CPFSK调制器将‘0’、‘1’分别调制到两个超长波，再经缓冲放大单元放大后，再通过双绞线送到超长波大功率发射机上；发射机将信号放大至1千瓦左右送到环型天线，由环形天线的电磁辐射传送至各无线接收装置；接收装置收到信息时，矿工的帽灯会闪烁，蜂鸣器发出鸣叫，同时接收装置的显示器将显示出指挥中心所发出的指令信息。
当系统运作时，跨接在天线上的天线保护电路实时监控天线的工作状态，当天线出现短路、漏电、断裂等情况时，这些信息会被天线故障检测单元所捕获，经故障逻辑分析单元分析后，相应的指示灯会发出提示。同时迅速切断天线电源并把这些信息经调制解调器模块送至计算机进行记录和显示。
权利要求
1.一种井下无线通信系统，包括发射装置及与之配合的一个或多个便携式接收装置，所述发射装置中包括发射用信号调制器和大功率发射机，所述调制器将需要发出的信号调制为预定频率的信号，并输出到所述大功率发射机进行发送，其特征在于，所述发射装置中还包括计算机和编码器，所述计算机用于编辑处理需要发出的信息并输出到所述编码器，所述编码器将所述信息处理为二进制数字信号并输出到所述调制器；所述发射用信号调制器为连续相位频移键控式调制器，该调制器将二进制数的‘0’调制为第一频率信号，‘1’调制为第二频率信号，再输出到所述大功率发射机进行发射。
2.根据权利要求1所述的井下无线通信系统，其特征在于，所述发射装置中还包括一个紧急信息单元，所述紧急信息单元的输出端与所述编码器的输入端连接，用于输出预置的紧急信息；该紧急信息单元中存储有一条或多条紧急信息，并配有与紧急信息相应数目的紧急按钮，按下某一紧急按钮则直接向编码器输出相应的紧急信息。
3.根据权利要求1所述的井下无线通信系统，其特征在于，所述大功率发射机包括用于对所述发射用信号调制器输出的信号进行放大的多级放大器，以及与所述多级放大器连接的环形天线；还包括天线保护电路和电源单元。
4.根据权利要求3所述的井下无线通信系统，其特征在于，所述天线保护电路包括对所述环形天线的故障情况进行检测的检测单元、根据所述检测单元的输出信号对所述电源单元进行控制的电源控制单元、以及根据所述检测单元的输出信号进行故障分析的故障逻辑分析单元；所述故障逻辑分析单元的输出信号传送到所述计算机进行显示和记录。
5.根据权利要求3所述的井下无线通信系统，其特征在于，所述大功率发射机中的多级放大器包括依次连接的信号隔离电路、驱动放大器以及IGBT，所述信号隔离电路与所述发射用信号连接，以接收其输出的频率信号；所述IGBT的输出端连接到所述环形天线。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的井下无线通信系统，其特征在于，所述接收装置包括依次连接的接收电路、连续相位频移键控式解调器和解码器，还包括微处理器、显示器和来电提示器；所述微处理器控制所述解调器和解码器的工作，并向所述提示器输出相应的驱动信号，同时向所述显示器输出相应的显示信号。
7.根据权利要求6所述的井下无线通信系统，其特征在于，所述显示器为LCD显示器，所述提示器为发光灯、振动器及蜂鸣器中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的井下无线通信系统，其特征在于，所述编码器为无线寻呼系统编码制式编码器，所述解码器为无线寻呼系统编码制式解码器。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的井下无线通信系统，其特征在于，所述第一频率和第二频率在7-50千赫兹之间。
10.根据权利要求9所述的井下无线通信系统，其特征在于，所述第一频率为10千赫兹，所述第二频率为13千赫兹。
全文摘要
本发明涉及一种井下无线通信系统，包括发射装置及与之配合的一个或多个便携式接收装置，所述发射装置中包括发射用信号调制器和大功率发射机，还包括计算机和编码器，所述计算机用于编辑处理需要发出的信息并输出到所述编码器，所述编码器将所述信息处理为二进制数字信号并输出到所述调制器；所述调制器为连续相位频移键控式调制器，该调制器将二进制数的“0”调制为第一频率信号，“1”调制为第二频率信号，再输出到所述大功率发射机进行发射。本发明采用双频工作载波模式来发射信息，提高了系统的抗干扰能力，同时所需元器件数量减少，系统成本大大降低。
文档编号H04B7/00GK1581721SQ03140128
公开日2005年2月16日 申请日期2003年8月8日 优先权日2003年8月8日
发明者刘玉贞, 王国忠, 粱明达, 赵军亚, 黄玉刚 申请人:深圳市威迪泰通信技术有限公司