阅读说明：本技术 一种基于可见光通信的井下光通信系统 (Underground optical communication system based on visible light communication ) 是由 沈宏岩 于 2020-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于可见光通信的井下光通信系统,包括固定灯和摄像头并均安装在矿洞的侧壁上,固定灯的外部设有清理机构,控制器和固定灯、光电接收板电连接,系统还包括位于矿井地面位置的数据服务器,数据服务器与最近的一个控制器电连接,数据信息通信模块作为上行链路通信传递至数据服务器中,所述数据服务器将控制命令作为下行链路通信通过最近的一个控制器传递给多个通信模块完成通信,本申请利用原有的照明系统即能够实现视频监管以及双向通信,同时还具有防爆效果的清洁机构,有利于系统的长期稳定运行,另外还可将信息传递给每个个体,从而提高安全性并适合井下的环境情况。(The invention discloses a visible light communication-based underground optical communication system, which comprises a fixed lamp and a camera which are both arranged on the side wall of a mine opening, wherein a cleaning mechanism is arranged outside the fixed lamp, a controller is electrically connected with the fixed lamp and an photoelectric receiving plate, the system also comprises a data server positioned on the ground of a mine, the data server is electrically connected with the nearest controller, a data information communication module is used as an uplink communication module to be transmitted to the data server, the data server transmits the control command as downlink communication to a plurality of communication modules through a nearest controller to complete communication, the video monitoring and bidirectional communication can be realized by utilizing the original lighting system, meanwhile, the cleaning mechanism with the explosion-proof effect is beneficial to long-term stable operation of the system, and can transmit information to each individual, so that the safety is improved, and the underground environment condition is suitable.)

一种基于可见光通信的井下光通信系统

技术领域

本发明涉及井下安全作业技术领域，具体为一种基于可见光通信的井下光通信系统。

背景技术

煤矿广泛分布于地球上，是世界上最丰富也最直接的自然燃料资源，由于其形成的特殊性属于不可再生资源，虽然随时科学的发展以及出现了很多其他能源在逐步替代煤炭资源，但目前煤炭仍然扮演着人类活动中重要资源的角色。世界上大部分煤矿都是井下煤矿，随着开采程度的不断推进，矿井的深度不断增加，煤矿的安全问题一直是矿井生产活动的重要问题，而如何加强安全生产、提高预警和事故后处理是目前诸多井下煤矿的当务之急。由于井下煤矿环境特殊，大多为巷道式并且很多煤矿伴生有其他金属矿，通过传统无线电的形式易受干扰，无法达到常规理想效果，并且矿井属于防爆环境，无线电通过电磁波的形式发送容易在天线位置聚集能量，还需要另外的防爆机构也不利于井下使用，而通过线缆的形式不仅只能实施点对点的通信，而且还增加了布线施工的成本和人力。

矿井位于地下24小时都需要灯光进行照明，如果能利用现有的照明设施进行光通信传输并将其与音画监控系统进行整合，可有利于井下安全生产的实施；另外井下煤矿由于环境因素照明系统可能由于煤灰进行遮挡。所以我们提出一种基于可见光通信的井下光通信系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可见光通信的井下光通信系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于可见光通信的井下光通信系统，包括固定灯和摄像头，所述固定灯和摄像头均通过安装架安装在矿洞的侧壁上，安装套的内部安装有用于处理信号的控制器，且控制器通过其上固定连接有的安装杆连接有用于接收光信号的光电接收板，所述安装套的外部设有用于清理固定灯灯罩的清理机构，所述系统还包括位于矿井地面位置的数据服务器，且所述数据服务器与最近的一个控制器电连接；

位于同一个上的固定灯、摄像头、光电接收板、控制器作为一个通信模块，数据信息通过安装在矿洞侧壁上的多个通信模块作为上行链路通信传递至数据服务器中。

优选的，所述清理机构包括固定环，所述固定环固定套接在安装套的外侧壁上，且固定环的前侧面上开有空槽，所述空槽的槽底通过记忆金属丝连接有套环，所述套环的外侧面上固定连接有用于擦拭固定灯灯罩的透明橡胶膜，且套环的外侧面上还固定连接有多根导热杆，所述导热杆的外端与固定灯的灯罩相适配。

优选的，所述套环上对称设有多个限位板，所述限位板的内侧面上固定连接有限位杆，所述限位杆的内端通过固定环上开有的贯穿孔贯穿固定环并固定连接有凸环，且贯穿孔的两端槽壁上均固定连接有倾斜方向相反的金属弹片。

优选的,所述固定灯的壳体上开有卡槽，所述安装套上啮合连接有与卡槽相适配的定位螺栓，所述安装套的后端内部啮合连接有端盖，所述控制器安装在端盖的内部，所述安装套的侧壁上开有用于给安装杆让出位置的贯穿槽。

优选的，所述数据服务器将控制命令作为下行链路通信通过最近的一个控制器传递给安装在矿洞侧壁上的多个通信模块。

优选的，所述控制命令为摄像头的动作指令、发送音频信息、发出警报中的一种或多种。

优选的，所述系统还包括用于佩戴在个体上的安全帽，所述安全帽上设有光电接收板以及控制器。

优选的，所述安全帽上还设有通过控制器控制的头戴灯。

优选的，所述光电接收板为太阳能板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过固定灯、摄像头、控制器和光电接收板之间的组合形成通信模块，利用原有的照明系统无需加装线路，即能够以上行链路通信的方式将井下的视频影响进行实时传输给位于井上的数据服务器中，从而实现***，并且固定灯上设有无需外加动力源的清洁结构符合井下防爆要求；另外数据服务器还可以利用通信模块将控制命令进行下行链路通信，可进行语音播报、摄像头动作指令等传输，并且系统中还包括由每个个体佩戴的光电接收板和控制器能够将相关下行信息直接针对个体播报，有利于安全性的提高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明固定灯与安装套的***图；

图3为本发明透明橡胶膜的形变前后对比图；

图4为本发明限位杆运动前后对比图；

图5为本发明头戴灯的安装示意图；

图6为本发明转板和凹槽的***图；

图7为本发明的应用情境示意图。

图中：1、固定灯，2、头戴灯，3、安装套，4、安装架，5、安装杆，6、光电接收板，7、安装块，8、支脚，9、连接杆，10、固定环，11、空槽，12、记忆金属丝，13、套环，14、透明橡胶膜，15、导热杆，16、卡槽，17、定位螺栓，18、端盖，19、贯穿槽，20、限位板，21、限位杆，22、转板，23、凹槽，24、控制器，25、凸环，26、贯穿孔，27、金属弹片，28、支撑杆，29、收音孔，30、扩音器，31、插槽，32、摄像头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7：

实施例1、一种基于可见光通信的井下光通信系统，包括固定灯1和摄像头32，所述固定灯1和摄像头32均通过安装架4安装在矿洞的侧壁上，并且所述固定灯1安装在安装套3的内部，所述安装套3通过安装架4连接安装在矿洞侧壁上，具体的安装套3的侧面上固定连接有多个支撑杆28，支撑杆28与安装架4固定连接，安装架4通过螺栓安装在矿洞的侧壁上，且安装套3的内部安装有用于处理信号的控制器24，控制器24的内部包含驱动器、多个放大器、多个模数转换器(A/D)、多个数模转换器(D/A)、微控制器单元(MCU)和多个滤波器，且控制器24通过其上固定连接有的安装杆5连接有用于接收光信号的光电接收板6，安装杆5上开有插槽31，光电接收板6可以插接在插槽31的内部实现安装，光电接收板6可以接收光信号并将其转换为电信号并传递到控制器24中，所述安装套3的外部设有用于清理固定灯1灯罩的清理机构，清理机构可以定时对灯罩进行清理，防止矿洞的粉尘覆盖灯罩使固定灯1的光线变暗减弱照明效果，并且也防止光强减弱致信号传输不稳定，所述系统还包括位于矿井地面位置的数据服务器，且所述数据服务器与最近的一个控制器24电连接，与服务器的连接方式可以通过有线以太网的形式进行；

位于同一个上的固定灯1、摄像头32(数量可为空)、光电接收板6、控制器24作为一个通信模块，数据信息通过安装在矿洞侧壁上的多个通信模块作为上行链路通信传递至数据服务器中。

摄像头32在指定位置收集视频信号(当然同时可收集音频信号)，视频流通过放大器III、滤波器II、模数转换器II(A/D)传输给MCU计算，MCU通过数模转换器(D/A)、放大器I和驱动器传输将数据加载到光源上即固定灯1上进行发出，通过井下的空气通道传输信号，其他的通信模块的光电接收板6接收光信号后通过放大器II、滤波器I、模数转换器I(A/D)传输给MCU然后再依照上述的过程加载在光源上进行接力传输，最终传输给与数据服务器连接的那个通信模块，之后通过光纤等有线方式将数据传输给数据服务器中，数据服务器可将数据信息显示到监控屏幕或者其他数据处理系统中；

对于井下有多个摄像头32的情况，当前通信模块的MCU会将接收的视频数据信息和自身摄像头32获取的数据信息汇总编译然后再进行通过数模转换器(D/A)、放大器I和驱动器传输将数据加载到光源上即固定灯1上进行发出，通过井下的空气通道传输信号，重复上述过程可将多路视频信号获取并传输。

为了适应防爆环境下的清洁工作，具体而言所述清理机构包括固定环10，所述固定环10固定套接在安装套3的外侧壁上，且固定环10的前侧面上开有空槽11(固定环10远离安装架4的一侧面为前侧面)，所述空槽11的槽底通过记忆金属丝12连接有套环13(记忆金属丝12受热后具有向外伸展的趋势)，套环13滑动连接在空槽11的内部，且记忆金属丝12的一端与空槽11的槽底固定连接，另一端与套环13固定连接，所述套环13的外侧面上固定连接有用于擦拭固定灯1灯罩的透明橡胶膜14，透明橡胶膜14为透明材质不会影响固定灯1发射灯光，从而也就不会影响信号发射，透明橡胶膜14为弹性材质中部开有通孔，通孔的尺寸小于灯罩外端弧状尺寸，且套环13的外侧面(套环13远离固定环10的一侧面为外侧面)上还固定连接有多根导热杆15，套环13的材质为导热金属，所述导热杆15的外端与固定灯1的灯罩相适配，当记忆金属丝12处于收缩状态的时候导热杆15会与固定灯1的灯罩相互接触，导热杆15和套环13可以将固定灯1产生的热量传递给记忆金属丝12，当记忆金属丝12受到一定热量之后就会开始延伸将套环13挤压弹出；

当套环13弹出的时候导热杆15就不会与灯罩相互接触，此时记忆金属丝12接收到热量减少，从而开始降温，当记忆金属丝降低到一定温度的时候就会开始收缩将套环13重新拉回空槽11的内部；

在套环13的来回运动中其上的透明橡胶膜14会一直跟随其运动，从而对实现对灯罩的擦拭清理，如图所示灯罩为筒状，在来回往复运动的过程中透明橡胶膜14会对灯罩的侧壁进行来回接触清理煤灰，并且透明橡胶膜14通孔尺寸小于灯罩外端弧状，所以在擦拭过程中时紧贴灯罩侧壁有利于提高清洁能力，另外由于透明橡胶膜14为弹性材质其变形后形状为碗装结构，在来回往复运动的过程也可以在一定程度上对灯罩外端弧状进行清理。

为了使透明橡胶膜14更加稳定的实现对灯罩进行擦拭，具体而言所述套环13上设有多个限位板20，限位板20与套环13为一体成型，所述限位板20的内侧面(限位板20靠近固定环10的一侧面为内侧面)上固定连接有限位杆21，所述限位杆21的内端通过固定环10上开有的贯穿孔26贯穿固定环10并固定连接有凸环25，凸环25的尺寸小于贯穿孔26的尺寸，可以在贯穿孔26的内来回滑动，且贯穿孔26的两端槽壁上均固定连接有倾斜方向相反的金属弹片，金属弹片27会对凸环25产生阻碍，由于金属弹片27都向外倾斜，所以凸环25向贯穿孔26内部运动时使金属弹片27产生的形变程度会远大于凸环25向贯穿孔26外部运动时使金属弹片27产生的形变程度，从而使凸环25向贯穿孔26内运动时所需要的力会远大于凸环25向贯穿孔26外运动时所需要的力。

例如当套环13向远离固定环10的方向运动时，限位杆21会跟随其一起运动，即限位杆21会向右滑动，此时贯穿孔26左端的金属弹片27会通过凸环25阻碍限位杆21和固定环10继续运动，使记忆金属丝12开蓄力，当记忆金属丝12所积蓄的弹力大于贯穿孔26左端的金属弹片27对凸环25所产生的阻力之后，凸环25会先挤开左端的金属弹片27，然后挤开右端的金属弹片27运动到如图4-B所示的状态，此时记忆金属丝12会延伸到最大程度；

记忆金属丝12延伸到最大程度之后导热杆15就会与固定灯1的灯罩脱离连接(此时限位杆21处于如图4-B所示的状态)，此时记忆金属丝12就会开始散热收缩，从而使套环13向固定环10的方向运动，并带动限位杆21向左运动，此时贯穿孔26右端的金属弹片27就会阻碍限位杆21继续运动，使记忆金属丝12开始蓄力，当记忆金属丝12所积蓄的弹力大于贯穿孔26右端的金属弹片27对凸环25所产生的阻力之后，凸环25会先挤开右端的金属弹片27，然后挤开左端的金属弹片27运动到如图4-A所示的状态，此时记忆金属丝12会会收缩到原来的状态；

凸环25、贯穿孔26和金属弹片27的设置使套环13的运动方式由渐进式变为突越式，可以避免导热杆15在特殊的距离(即吸收的热量和散发的热量相同的位置)保持不动，从而导致透明橡胶膜14无法完成擦拭的工作。

具体而言，所述固定灯1的壳体上开有卡槽16，所述安装套3上啮合连接有与卡槽16相适配的定位螺栓17，将固定灯1***安装套3内部之后拧紧定位螺栓17即可使其与卡槽16相互卡接，从而使固定灯1稳定的安装在安装套3的内部，所述安装套3的后端内部啮合连接有端盖18，所述控制器24安装在端盖18的内部，所述安装套3的侧壁上开有用于给安装杆5让出位置的贯穿槽19，将端盖18拧入安装套3的后端即可完成控制器24的安装，而位于控制器25上的安装杆5可以通过贯穿槽19延伸至安装套3的内部。

实施例2、在实施例1的基础上，可增加下行链路通信从而实现交互式通信，具体而言所述数据服务器将控制命令作为下行链路通信通过最近的一个控制器24传递给安装在矿洞侧壁上的多个通信模块，即数据服务器可发送相关指令或者信息给位于井下的各个通信模块，例如让某个摄像头32(能偶调整角度的相关部件目前有诸多相关现有技术)的拍摄角度、位置发生变化、发出语音音频信息、发布公告注意事项、警报等，其传输过程为数据服务器将数据传输给通信模块的MCU，经过数模转换器、放大器I，驱动器加载到光源上进行传输，然后被光电接收板6接收转化为电信号，依次通过放大器II、滤波器I、模数转换器I(A/D)，最后传输给MCU进行数据分析(哪个编号的摄像头需要进行相关动作等)，重复上述过程，需要进行动作的对应MCU根据获取的信息进行相应的动作，如通过扩音器30发出声音。

实施例3、在实施例2的基础上，为了确保井下每个工作者都能及时获取相关信息，所述系统还包括用于佩戴在个体上的安全帽，所述安全帽上设有光电接收板6以及控制器24，安全帽通过支脚8连接安装块7，支脚8上开有螺纹孔，可以使通过螺钉将安装块7安装在安全帽上，所述安装块7的内部安装有控制器24，安装块7上设有扩音器30，且安装块7通过其上固定连接有连接杆9连接有光电接收板6，连接杆9和其上的光电接收板6均与安全帽的侧面相互接触，安全帽可以对其起到支撑作用，使其更加稳固，与上述数据传输类似，安全帽上的光电接收板6接收光信号并通过控制器24进行分析解调获取语音信息通过扩音器30发送出来，从而满足不定位置的无线通信,井下环境复杂，噪音大固定位置发出语音播报，每个个体有可能无法及时清楚的收听，此方案可以避免因井下环境问题导致语音信息不能被每个人很好的接收的情况。

具体而言，所述安全帽上还设有通过控制器24控制的头戴灯2，且安装块7设有与控制器24连接的收音孔29，每个个体发出语音被收音孔29拾取，然后通过控制器24加载到头戴灯2进行数据传输，可将井下每个个体的语音内容传输出去，从而实现双向的交互，要注意的是传输的信息中都包含报头，即此段信息是针对上行、下行、哪个通信模块、哪个个体安全帽等。

具体而言，光源即固定灯1和头戴灯2可以是白光发光二极管或激光二极管。并且为了实现节能效果，光电接收板6可以是太阳能电池板作为光电部件，从而能够回收部分能源。

所述头戴灯2安装在安装块7上，从而使头戴灯2安装在安全帽上，具体而言，所述头戴灯2安装在转板22上，所述转板22转动连接在安装块7上开有的凹槽23的内部，转板22的下端通过转轴转动连接在凹槽23的内部，可以实现对头戴灯2角度进行调节，方便使用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。