一种井下带有应急光通信功能的通信装置的制作方法

本发明涉及图像识别技术和通信技术等领域，特别涉及一种井下带有应急光通信功能的通信装置。

背景技术：

实时监控煤矿井下的一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、甲烷浓度、粉尘浓度、温度、湿度和风速等数据是矿井安全生产的重要保障，目前，主要采用有线通信方式或者无线通信的方式，当煤矿井下发生矿井塌方、透水等情况下可能会造成有线通信线路的损坏，当煤矿井下发生瓦斯爆炸等重大事故后，有线通信线路、无线通信基站和供电线路都将会受到严重破坏，很可能会瘫痪无法正常使用，致使井下传感器与监控中心之间不能保持良好的通信，这将给井下问题排查、救援工作造成极大困难。

另外还有一种应急通讯方式，即在事故发生后，由后方应急救援人员控制机械小车，向井下临时搭建通信线路，为井上救援人员提供井下部分区域的实时信息，但是如果发生塌方，机械小车将不能通过，通信设备也无法运达。

因此，矿井安全生产非常需要一种能满足如下要求的不间断数据采集通信装置：

1.正常情况下，可以高效、准确、快速的采集井下各项参数，且具有良好的稳定性。

2.在重大事故情况下，甚至是有线通信线路、无线通信基站和供电线路全部瘫痪，也要保证数据的可靠传输。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种井下带有应急光通信功能的装置，通过有线、无线和光通信的方式，利用矿井下已建立的有线通信系统、无线通信系统和视频监控系统，完成在不同情况下的井下数据传输，所述方案易于实现，且能在极端情况下保证数据的可靠传输。

一种井下带有应急光通信功能的通信装置包括：控制单元、有线通信单元、无线通信单元、光通信单元、传感器通信接口、电源管理单元、外部电源和蓄电池组；

所述控制单元，其核心元件是处理器，负责处理、运算通信装置的所有数据；

所述有线通信单元，用于装置正常情况下使用有线通信的方式传输数据；

所述无线通信单元，用于有线通信的方式故障时，使用无线通信的方式传输数据；

所述光通信通信单元，用于有线和无线通信的方式故障时，使用光线通信的方式传输数据，控制单元控制发光元件的亮暗变化、颜色变化或闪烁频率变化的编码方式发送数据；

所述传感器通信接口，用于和井下已安装的至少一个传感器通信；

所述电源管理单元，用于把所述外部电源矿用交流电转化为直流电和检测所述蓄电池组电量温度电压状态，当上述功能出现异常时，所述电源管理单元发送报警信号；

具体的通信方法如下：

a.将井下已安装的传感器数据，通过有线通信的方法，传输矿井下的实时数据；

b.检测有线通信功能是否能正常传输数据，如果发生异常，则进入步骤c，否则不做处理返回步骤a；

c.搜寻基站或移动可接入设备；

d.检测无线通信是否能够连接无线网络，如果可以连接，正常传输数据，则进入步骤e，否则进入步骤g；

e.启动无线通信功能，传输矿井下的实时数据并发送有线通信故障信号；

f.检测无线通信功能是否能正常传输数据，如果发生异常，则进入步骤g，否则不做处理返回步骤e；

g.启动光通信功能，发送传感器采集的数据，并且发送有线和无线通信故障信号，同时进入步骤c。

1.所述的一种井下带有应急光通信功能的通信装置进一步包括：发光元件发出的光包括各种颜色的光或红外线的肉眼不可见光。

2.所述的一种井下带有应急光通信功能的通信装置进一步包括：所述传感器通信接口，通信方式包括I²C通信、RS485通信、RS232通信、蓝牙通信、红外通信或无线数传通信。

3.所述的一种井下带有应急光通信功能的通信装置进一步包括：所述发光元件亮暗变化的编码方式包括用不同的亮暗时间长短表示二进制数。

4.所述的一种井下带有应急光通信功能的通信装置进一步包括：所述发光元件颜色变化的编码方式包括用不同的颜色表示二进制数。

5.所述的一种井下带有应急光通信功能的通信装置进一步包括：所述发光元件闪烁频率的编码方式包括用不同的闪烁频率表示二进制数。

附图说明

图1井下带有应急光通信功能的装置通信系统示意图。

图2井下带有应急光通信功能的装置通信步骤示意图。

图3井下带有应急光通信功能的装置硬件示意图。

图4井下带有应急光通信功能的装置亮暗编码原理图。

图5井下带有应急光通信功能的装置彩色编码原理图。

图6井下带有应急光通信功能的装置频率编码原理图。

图7光通信识别方法步骤示意图。

具体实施方式

一种井下带有应急光通信功能的装置通信系统，如图1的实施示例中，包括以下三个部分：有线通信系统、无线通信系统和光通信系统。

有线通信系统是整个系统在正常运行中最主要的通信手段，系统包括井下传感器(8)、带有应急光通信功能的装置(7)、井下交换机(5)、核心交换机(4)等网络管理设备、服务器(3)、硬盘阵列(2)和监控工作站(1)，带有应急光通信功能的装置(7)通过通信线缆连接井下交换机(5)，井下交换机(5)通过光纤连接核心交换机(4)，以保证带宽。

无线通信系统是整个系统在运行中辅助通信手段，在有线光纤出现问题时启动，系统包括井下传感器(6)、分光器、无线通信基站(6)、井下交换机(5)等网络管理设备、服务器(3)、硬盘阵列(2)和监控工作站(1)，在井下每间隔一定距离安装无线通信基站(1)，通过CAN总线或现场总线方式与井下交换机(5)连接，无线网络种类包括Wi-Fi和ZigBee等。

光通信系统是整个系统运行中应急通信手段，矿井下发生瓦斯爆炸等重大事故后，有线通信线路、无线通讯基站(6)和供电线路必然会受到不同程度的破坏，将启动光通信功能，为援救工作提供最后的保障，光通信系统包括以下四个子系统：

1.井下传感器数据采集系统,井下传感器采集所在位置的各种数据，发送到带有应急光通信功能的装置(7)，进行数据传输。

2.视频采集系统,视频可以由固定式或移动式视频采集装置获取，固定式视频采集是前端设备(9)包括摄像机、防爆罩、支架，安装在井下监视现场。对目标区域监视，摄像机连接视频编码器，把模拟的视频信号进行数字化和压缩编码，与井下交换机(5)连接。

3.信号传输系统,从前端设备(9)到井下交换机(5)用通信线缆连接，以保证监控信息的准确传输。

4.终端显示系统,视频数据全部存储于硬盘阵列(2)中，服务器(3)识别图像中的传感器发出的信号，解码数据，监控工作站(1)实现数据监控和实时监控视频显示，还可以浏览到所有的前端视频。

井下带有应急光通信功能的装置硬件组成如图2所示，具体包括：

1.有线通信单元(201)，采用485芯片，具有良好的抗噪音干扰性和远距离传输等优点，与服务器(3)进行通信。

2.无线通信单元(202)，采用ESP8266芯片由3.3V的直流电源供电，体积小，功耗低，支持透传，丢包现象不严重，可外接天线。

3.光通信单元(203)，LED驱动采用SIPex公司的低压差LED驱动芯片SP7614驱动LED，SP7614是基于灌电流型的降压LED驱动器，在电池电压大于或者等于保护电压时，可保证流过LED的电流恒定，实现恒流驱动。处理器通过PWM脉冲控制LED电流使LED闪烁实现信号发送。当锂电池电压低于3.5V，通过对SP7614开关控制口关闭LED并进入低功耗模式。

4.控制单元(204)，其核心元件是处理器，选择Intel公司的MCS-51系列80C51单片机，该型号内部由CPU、4KB的ROM、128B的RAM、4个8位的I/O并行端口、一个串行口、两个16位定时/计数器及中断系统等组成；它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，它的处理对象不是字或字节而是位，能进行位的逻辑运算，功能十分完备等诸多优点。

5.蜂鸣器(205)，选择无源他激型蜂鸣器。

6.传感器(206)，选择带有变送功能的传感器，输出为规定的标准信号，方便处理。

7.电池管理单元(207)，选择线性锂电池芯片SL1053，芯片集成高精度预充电、恒定电流充电、恒定电压充电、电池状态检测、温度监控、充电结束低泄漏、充电状态指示等性能于一身。

8.蓄电池(208)，选择锂离子电池，具有限流保护、电流短路保护、过充过放保护、防反接和异常处理等必须的功能，稳压芯片采用78系列，它所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠方便，78系列，输入电压5-18V，最大输出电流为1.5A，实际电流可根据外加电阻调节，分别给处理器、通信接口和通信电源供电。

9..外部电源(209)，可用220V交流电给设备供电。

10.传感器通信接口(210)，用于接收来自传感器的信号，通信方式包括I²C通信、RS485通信、RS232通信、蓝牙通信、红外通信或无线数传通信。

井下带有应急光通信功能的装置通信系统的过程如图3所示，具体通信方法如下：

1.(301)将井下已安装的传感器数据，通过有线通信的方法，传输矿井下的实时数据；

2.(302)检测有线通信功能是否能正常传输数据，如果发生异常，则进入步骤(303)，否则不做处理返回步骤(301)；

3.(303)搜寻基站或移动可接入设备；

4.(304)检测无线通信是否能够连接无线网络，如果可以连接，正常传输数据，则进入步骤(305)，否则进入步骤(307)；

5.(305)启动无线通信功能，传输矿井下的实时数据并发送有线通信故障信号；

6.(306)检测无线通信功能是否能正常传输数据，如果发生异常，则进入步骤(307)，否则不做处理返回步骤(305)；

7.(307)启动光通信功能，发送传感器采集的数据，并且发送有线和无线通信故障信号，同时进入步骤(303)。

编码方式1：

井下带有应急光通信功能的装置亮暗码原理图如图4。发光元件发出的光包括各种颜色的光或红外线的肉眼不可见光，通过固定式或移动式视频采集装置，经图像处理服务器运算，对发光装置状态时间计时，发光装置有激活和关闭两个状态，规定每次关闭状态的时间为0.08秒；一组完整传输数据由引导码(401)、数据码(402)和校验码(403)组成；引导码(401)是标志这数据开始的信号，并根据不同的激活状态时间，得到发送的传感器数据类型，激活的时间大于0.16秒，由“x秒激活+0.08秒关闭”构成；数据码(402)由12位二进制数组成，其中逻辑“1”由“0.08秒激活+0.08秒关闭”表示，逻辑“0”由“0.16秒激活+0.08秒关闭”表示；校验码(403)由8位二进制数组成，目的主要是保证数据的准确性。

编码方式2：

井下带有应急光通信功能的装置彩色编码原理图如图5。本示例中，一组完整传输数据由引导码(501)、数据码(502)和校验码(503)组成；引导码(501)红灯绿灯同时激活，是标志这数据开始的信号；数据码(502)和校验码(503)由红灯亮代表二进制1，绿灯亮代表二进制0，此时红绿灯不可同时亮。

编码方式3：

井下带有应急光通信功能的装置频率编码原理图如图6。本示例中，处理器通过控制发光元件频闪频率表示二进制数，第一种频率持续一段时间代表二进制数1，第二种频率持续一段时间代表二进制数0，即可实现发送数据。

图像处理服务器(3)识别过程如图7所示，具体过程如下：

1.(701)分割图像，方便跟踪定位发光传感器，执行(702)；

2.(702)判断图像中是否存在发光传感器，是否能检测到灯光闪烁，如果检测到执行(703)，否则再次执行(701)；

3.(703)对每次灯光亮亮起的时间计时，执行(704)；

4.(704)判断是否检测到引导码，如果检测到执行(705)，否则执行(711)；

5.(705)根据引导码的特征，识别数据类型，执行(706)；

6.(706)识别数据码，执行(707)；

7.(707)识别校验码，执行(708)；

8.(708)判断这组数据是否由引导码、数据码和校验码组成，如果是执行(709)，否则执行(711)；

9.(709)服务器解析数据，得到传感器所在位置的参数，执行(710)；

10.(710)记录井下传感器数据和识别结束的时间，存储到硬盘阵列中，执行(711)；

11.(711)把暂存的删除，重置数据，执行(703)。