矿井下基于可见光的无线定位和语音通信系统的设计

发布时间：2019-06-07 17:50

【摘要】：近年来,矿井安全问题备受人们的关注。现有的矿井通信系统容易受电磁干扰,抗干扰能力低,保密性差。本文以可见光通信(Visible Light Communication,VLC)的发展为契机,将可见光通信技术应用于煤矿井下,为矿下通信提供新的解决方案。。可见光通信是利用发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的高速调制特性,将信息调制到LED上,通过光信号传输,在实现照明的同时进行信息传输。本文结合矿井中的环境特点与可见光通信技术的优势,设计了矿井下基于可见光的无线定位和语音通信系统。利用矿下巷道中的LED发送其自身地址信息,矿工以及矿下车辆通过接收装置识别位置信息从而实现无线定位。通过矿下巷道中的LED发送语音信号,矿工帽上的通信设备接收信号并还原出语音信号,同时矿工之间可以通过矿帽上的LED相互发送语音信息,实现双工语音通信。该系统利用矿井中现有的LED,无需铺设大量节点,节省成本,绿色安全,无电磁干扰,保密性能好。本文主要有以下四点研究内容。第一,调研了可见光通信技术的国内外研究现状,对可见光通信的系统组成、信道模型以及LED的发光调制原理进行了分析。第二,设计了基于可见光的矿下无线定位模块,包括发射端与接收端电路、定位方法、帧结构、多光源时分复用的接入方式以及通信协议。针对煤矿井下的环境特点,提出了一种适用于矿井下的定位方法,先基于ID(Identification,ID)定位算法实现粗定位,再结合多接收点RSSI(Received Signal Strength Indication)定位算法实现精确定位,利用矿下巷道中的LED和矿下车辆以及矿帽上的LED实现移动终端自身定位。第三,设计出基于可见光的矿下语音通信模块,包括发射端电路和接收端电路,该模块能实现双工语音通信的功能。第四,在研究了可见光通信系统的基础上,为了进一步提高传输速率与传输距离,避免多径效应对系统的影响,将OFDM调制技术引入可见光通信系统中,针对OFDM信号的高峰均比引起的LED非线性失真问题,提出一种基于∑△调制器解决非线性的方案。
[Abstract]:In recent years, the problem of mine safety has attracted much attention. The existing mine communication system is vulnerable to electromagnetic interference, low anti-interference ability and poor confidentiality. Taking the development of visible light communication (Visible Light Communication,VLC) as an opportunity, this paper applies visible light communication technology to underground coal mine, and provides a new solution for underground communication. Visible light communication is to use the high-speed modulation characteristics of light-emitting diode (Light Emitting Diode,LED) to modulate the information to the LED, through the optical signal transmission, while realizing the lighting of the information transmission. Based on the environmental characteristics of mine and the advantages of visible light communication technology, a wireless positioning and voice communication system based on visible light in mine is designed in this paper. The LED in the roadway under the mine is used to send its own address information, and the miner and the vehicle in the mine identify the position information through the receiving device to realize the wireless location. The voice signal is sent by LED in the roadway under the mine, and the communication equipment on the mine cap receives the signal and restores the voice signal. At the same time, the miner can send voice information to each other through the LED on the mine cap to realize duplex voice communication. The system makes use of the existing LED, in the mine without laying a large number of nodes, saving cost, green safety, no electromagnetic interference and good confidentiality. This paper mainly has the following four research contents. Firstly, the research status of visible light communication technology at home and abroad is investigated, and the system composition, channel model and luminous modulation principle of LED are analyzed. Secondly, the mine wireless positioning module based on visible light is designed, including transmitter and receiver circuit, positioning method, frame structure, access mode of multi-light source time division reuse and communication protocol. According to the characteristics of underground environment in coal mine, a positioning method suitable for underground mine is proposed. First, rough positioning is realized based on ID (Identification,ID) positioning algorithm, and then accurate positioning is realized by combining multi-receiving point RSSI (Received Signal Strength Indication) positioning algorithm. The LED in the roadway under the mine and the LED in the mine cap are used to realize the positioning of the mobile terminal itself. Thirdly, a mine voice communication module based on visible light is designed, which includes transmitter circuit and receiver circuit, which can realize the function of duplex voice communication. Fourth, on the basis of studying the visible light communication system, in order to further improve the transmission rate and transmission distance and avoid the influence of multi-path effect on the system, OFDM modulation technology is introduced into the visible optical communication system. In order to solve the problem of LED nonlinear distortion caused by peak-to-average ratio of OFDM signal, a scheme based on Sigma modulator is proposed to solve the nonlinear problem.
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.1;TN912.3

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本文编号：2494978