專利名稱：井下無線通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種適用于煤礦等行業(yè)的井下無線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在煤礦等行業(yè)中，礦工通常在地下幾百米甚至上千米的條件下進行作業(yè)，因此需要在地面指揮中心與井下的礦工之間建立有效的通信手段，使地面指揮中心可將各種信息即使發(fā)布給井下的礦工，特別是在發(fā)生瓦斯爆炸、礦道坍塌等重大事故時，應(yīng)迅速向井下發(fā)布相應(yīng)的緊急信息，并組織、指揮井下的礦工安全、迅速地撤出危險位置。
煤礦行業(yè)的安全生產(chǎn)問題是非常重要的，并且一直受到各國政府的廣泛關(guān)注。2002年1月至5月份，我國煤礦企業(yè)共發(fā)生死亡事故1331起，死亡人數(shù)達2341人。通過建立有效的井下無線通信系統(tǒng)，是降低事故發(fā)生率、減少死亡人數(shù)等事故損失的重要措施之一，所以美國、加拿大、澳大利亞等國家都先后建成了自己的井下無線通信與急救系統(tǒng)。這些高科技的手段極大地促進了井下生產(chǎn)效率和安全水平的提高。例如，2002年7月24日，美國賓西法尼亞州煤礦礦道坍塌，正是借助于井下無線通信系統(tǒng)的緊急信息發(fā)布功能，才使礦工得以迅速撤離。
現(xiàn)有的井下無線通信設(shè)備中，以美國安菲斯公司的PED系統(tǒng)最為先進的設(shè)備之一，例如我國的大同礦務(wù)局、鄭州礦務(wù)局的一些礦井中，都安裝了PED系統(tǒng)。由于現(xiàn)有的井下無線通信設(shè)備存在以下缺點，所以未能大量地推廣應(yīng)用(1)現(xiàn)有的井下無線通信設(shè)備通常采用單一載波來發(fā)射信號，例如采用5千赫茲(KHz)或8KHz的單一載波，抗干擾能力不強，實施的技術(shù)難度較大，所需元器件多，導致其成本居高不下。傳統(tǒng)的長波設(shè)備由發(fā)信機、天線、電源、終端設(shè)備和冷卻、控制、保護與鑒測等輔助設(shè)備組成，而發(fā)信機、天線、電源、終端設(shè)備和冷卻、控制、保護與鑒測等輔助設(shè)備是采用傳統(tǒng)的分立元件制作，設(shè)備非常龐大且復(fù)雜。而且現(xiàn)有的5千赫茲(KHz)或8KHz)，采用傳統(tǒng)的調(diào)制模式，抗干擾能力比較弱。
(2)整個系統(tǒng)的信息編輯、發(fā)射信號調(diào)制以及大功率發(fā)射機之間獨立運行，對環(huán)形天線的故障不能即時反饋和處理。
(3)操作界面單一，對需要發(fā)射的消息只能進行簡單的排隊處理，不能作進一步的功能擴展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有的井下無線通信設(shè)備所存在的上述缺陷，提供一種高性能、低成本的井下無線通信系統(tǒng)，以便于這種設(shè)備的推廣應(yīng)用，提高礦山企業(yè)的事故預(yù)警和事故救援能力，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，提供一種井下無線通信系統(tǒng)，包括發(fā)射裝置及與之配合的一個或多個便攜式接收裝置，所述發(fā)射裝置中包括發(fā)射用信號調(diào)制器和大功率發(fā)射機，所述調(diào)制器將需要發(fā)出的信號調(diào)制為預(yù)定頻率的信號，并輸出到所述大功率發(fā)射機進行發(fā)送，其中，所述發(fā)射裝置中還包括計算機和編碼器，所述計算機用于編輯處理需要發(fā)出的信息并輸出到所述編碼器，所述編碼器將所述信息處理為二進制數(shù)字信號并輸出到所述調(diào)制器；所述發(fā)射用信號調(diào)制器為連續(xù)相位頻移鍵控式調(diào)制器，該調(diào)制器將二進制數(shù)的‘0’調(diào)制為第一頻率信號，‘1’調(diào)制為第二頻率信號，再輸出到所述大功率發(fā)射機進行發(fā)射。
根據(jù)本發(fā)明所述的井下無線通信系統(tǒng)，所述發(fā)射裝置中還設(shè)有一個緊急信息單元，所述緊急信息單元的輸出端與所述編碼器的輸入端連接，用于輸出預(yù)置的緊急信息；該緊急信息單元中存儲有一條或多條緊急信息，并配有與緊急信息相應(yīng)數(shù)目的緊急按鈕，按下某一緊急按鈕時，則直接向編碼器輸出相應(yīng)的緊急信息。
在本發(fā)明所述的井下無線通信系統(tǒng)中，所述大功率發(fā)射機包括用于對所述發(fā)射用信號調(diào)制器輸出的信號進行放大的多級放大器，以及與所述多級放大器連接的環(huán)形天線；還包括天線保護電路和電源單元。其中，所述天線保護電路包括對所述環(huán)形天線的故障情況進行檢測的檢測單元、根據(jù)所述檢測單元的輸出信號對所述電源單元進行控制的電源控制單元、以及根據(jù)所述檢測單元的輸出信號進行故障分析的故障邏輯分析單元；所述故障邏輯分析單元的輸出信號傳送到所述計算機進行顯示和記錄。所述大功率發(fā)射機中的多級放大器包括依次連接的信號隔離電路、驅(qū)動放大器、IGBT；所述信號隔離電路與所述發(fā)射用信號連接，以接收其輸出的頻率信號；所述IGBT的輸出端連接到所述環(huán)形天線。
在本發(fā)明所述的井下無線通信系統(tǒng)中，所述接收裝置包括依次連接的接收電路、連續(xù)相位頻移鍵控式解調(diào)器和解碼器，還包括微處理器、顯示器和來電提示器；所述微處理器控制所述解調(diào)器和解碼器的工作，并向所述提示器輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號，同時向所述顯示器輸出相應(yīng)的顯示信號。所述顯示器可以是LCD顯示器，所述提示器可以是發(fā)光燈、振動器及蜂鳴器中的一種或多種。
通過采取上述方案，本發(fā)明的井下無線通信系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(1)采用雙頻工作載波模式來發(fā)射信息，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，使電波穿透巖石的能力增強，傳輸距離增大，同時所需元器件數(shù)量減少，成本大大降低；(2)整個系統(tǒng)的信息編輯、發(fā)射信號調(diào)制以及大功率發(fā)射機之間相互協(xié)作，可自動反饋和處理各種故障信息；(3)操作界面更人性化，可進行復(fù)雜的消息排隊以及其它功能擴展。將這種井下無線通信系統(tǒng)推廣應(yīng)用后，可提高礦山企業(yè)的事故預(yù)警和事故救援能力，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖1是本發(fā)明井下無線通信系統(tǒng)的原理框圖；圖2是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中將編碼器與調(diào)制解調(diào)器集成在一起時的原理圖；圖3是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中發(fā)射機的原理圖；圖4是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中接收裝置的原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明井下無線通信系統(tǒng)的原理如圖1所示，圖中的虛線框內(nèi)是發(fā)射裝置，右下部是與之配合三個便攜式接收裝置。從圖中可以看出，在發(fā)射裝置中，先由計算機編輯處理需要發(fā)出的信息并輸出到編碼器，再由編碼器將該信息處理為預(yù)定制式的二進制編碼信號并輸出到發(fā)射用信號調(diào)制解調(diào)器，該調(diào)制解調(diào)器將二進制數(shù)的‘0’調(diào)制為第一頻率信號，‘1’調(diào)制為第二頻率信號，再輸出到大功率發(fā)射機，由其環(huán)形天線發(fā)射出去。具體實施時，其中的發(fā)射機安裝在礦井口，環(huán)形天線安裝在礦井內(nèi)，而計算機、編碼器和調(diào)制解調(diào)器則根據(jù)煤礦的實際情況來布置，通常是安裝在附近或幾公里之外的指揮中心，所以調(diào)制解調(diào)器與發(fā)射機之間需要用電纜連接以傳遞調(diào)制后的信號。
本發(fā)明的一個主要特征是采用雙載波來發(fā)射信號，其中的調(diào)制解調(diào)器為CPFSK(Continuous-Phase Frequency Shift Keying，連續(xù)相位頻移鍵控)調(diào)制解調(diào)器，其工作頻率在7-50KHz之間，例如可采用以下幾組固定的頻率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；并可以通過軟件任意改變以上雙載波頻率組。本實施例中，將二進制數(shù)的‘0’調(diào)制為10KHz信號，‘1’調(diào)制為13KHz信號，也就是說，即用10KHz信號表示“0”，13KHz信號表示“1”。采用這種雙頻工作載波模式后，可大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使電波穿透巖石的能力增強，傳輸距離增大，例如發(fā)送一個2毫秒(本發(fā)明中其數(shù)據(jù)速率為512BPS，即大約0.5KHz)的低電平“0”，或發(fā)一個2毫秒(同樣，其數(shù)據(jù)速率為512BPS，即大約0.5KHz)的高電平“1”時，載波將工作在10K或13K，因為13K/0.5K＝26，10K/0.5K＝20，相應(yīng)地，將發(fā)出20個100微秒或26個76微秒的方脈沖。而當接收與發(fā)送之間建立同步后，接收裝置在某一段同步的時間內(nèi)，只需要監(jiān)測到3個以上100微秒的脈沖或76微秒的脈沖，就可判斷是“0”或是“1”，所以具有極強的糾錯能力。另一方面，本實施例中采用高度集成的高速DSP芯片組，可大大減少所需元器件數(shù)量，從而使成本大大降低。
如圖2所示是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中將編碼器與調(diào)制解調(diào)器集成在一起時的原理圖，整個虛線框內(nèi)的各功能模塊可采用一個高性能DSP(數(shù)字信號處理器)來實現(xiàn)。整個DSP通過RS232接口與計算機連接。在DSP內(nèi)，先采用POCSAG(無線尋呼系統(tǒng)編碼)編碼器進行編碼，將計算機所送來的信息處理為預(yù)定格式(POCSAG)的二進制碼；再送到調(diào)制解調(diào)器進行發(fā)射調(diào)制，將‘0’調(diào)制為10KHz信號，‘1’調(diào)制為13KHz信號；調(diào)制好的信號經(jīng)緩沖放大單元處理后，再通過電纜傳送到發(fā)射機進行發(fā)射。POCSAG編碼方式具有較低傳輸速率，以及極強的信號糾錯、修復(fù)功能。由于無線信號在傳輸過程中，難免會受到種種干擾和阻擋，造成信號殘缺、誤碼，因此編碼的糾錯、修復(fù)功能對于遙控器的可靠性有著決定性的作用。有了POCSAG碼的自動糾錯功能，無線信號即使惡劣的信號的環(huán)境下，也能可靠地接收訊息，可靠性極高，同時其技術(shù)實現(xiàn)也較成熟。
從圖2中可以看出，該模塊中還設(shè)有一個緊急信息單元，該單元中可存儲三條(或更多條)緊急信息，并配有一一對應(yīng)的三個緊急按鈕，按下某一緊急按鈕則直接向編碼器輸出相應(yīng)的緊急信息，然后經(jīng)編碼、調(diào)制后由發(fā)射機發(fā)射出去。當有緊急情況發(fā)生，或計算機發(fā)生故障時，按下緊急按鈕，即可不依靠計算機而直接發(fā)出緊急指令。
通過采用高度集成的嵌入式DSP，可獨立、自動地進行信號的傳輸，又能兼顧處理系統(tǒng)前段所反饋的控制信號，并全面反映在操作界面上。該DSP還可用于完成消息排隊功能，另外，通過采用適當?shù)臒o線空中接口協(xié)議，無須任何外加設(shè)備，就可以通過圖2中的緩沖放大單元向接收裝置直接發(fā)送信息，以修改接收裝置的各種參數(shù)。
如圖3所示為本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中發(fā)射機的原理圖，從圖中可以看出，該大功率發(fā)射機包括多級放大器、電源單元、環(huán)形天線以及天線保護電路等。其中，多級放大器包括依次連接的信號隔離電路、驅(qū)動放大器和IGBT(絕緣柵雙極型晶體三極管)；其中信號隔離電路可與圖2中的緩沖放大單元連接，以接收調(diào)制解調(diào)器所輸出的頻率信號，IGBT的輸出端則連接到環(huán)形天線。
從圖3中可以看出，其中的天線保護電路中包括對環(huán)形天線的過流、開路、漏電等故障情況進行檢測的多個檢測單元、根據(jù)各個檢測單元的輸出信號對電源單元進行控制的電源控制單元、以及根據(jù)各個檢測單元的輸出信號進行故障分析的故障邏輯分析單元(未在圖中畫出)；故障邏輯分析單元的輸出信號可經(jīng)圖2中所示的集成調(diào)制解調(diào)器模塊傳送到計算機進行顯示和記錄。
從圖3中可以看出，整個發(fā)射機由市電交流供電，電源內(nèi)設(shè)有抗干擾、全橋整流、工頻濾波、等電路。
如圖4所示為本發(fā)明一個優(yōu)選實施例中接收裝置的原理圖，該接收裝置包括依次連接的接收電路、連續(xù)相位頻移鍵控式解調(diào)器和解碼器，其中接收電路由前置放大器、帶通濾波器和限幅放大器組成；接收裝置中還包括微處理器(AR5020 OTP)、LCD顯示器和裝在礦工安全帽上的提示燈。其中微處理器控制解調(diào)器和解碼器的工作，并向帽燈繼電器輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號，使其閃爍以產(chǎn)生來電提示效果，同時向LCD顯示器輸出相應(yīng)的顯示信號。除上述帽燈之外，還可用振動器或蜂鳴器增加來電提示效果。從圖中可以看出，整個接收裝置的電源取自礦工安全帽上的帽燈電池。
利用本發(fā)明的上述系統(tǒng)，當在計算機上編輯好需要發(fā)射信息后，通過RS232串行電纜將這些信息從計算機傳到圖2所示的集成調(diào)制解調(diào)器模塊上；該模塊先對這些信息進行POCSAG(無線尋呼系統(tǒng)編碼)編碼，再由2CPFSK調(diào)制器將‘0’、‘1’分別調(diào)制到兩個超長波，再經(jīng)緩沖放大單元放大后，再通過雙絞線送到超長波大功率發(fā)射機上；發(fā)射機將信號放大至1千瓦左右送到環(huán)型天線，由環(huán)形天線的電磁輻射傳送至各無線接收裝置；接收裝置收到信息時，礦工的帽燈會閃爍，蜂鳴器發(fā)出鳴叫，同時接收裝置的顯示器將顯示出指揮中心所發(fā)出的指令信息。
當系統(tǒng)運作時，跨接在天線上的天線保護電路實時監(jiān)控天線的工作狀態(tài)，當天線出現(xiàn)短路、漏電、斷裂等情況時，這些信息會被天線故障檢測單元所捕獲，經(jīng)故障邏輯分析單元分析后，相應(yīng)的指示燈會發(fā)出提示。同時迅速切斷天線電源并把這些信息經(jīng)調(diào)制解調(diào)器模塊送至計算機進行記錄和顯示。
權(quán)利要求
1.一種井下無線通信系統(tǒng)，包括發(fā)射裝置及與之配合的一個或多個便攜式接收裝置，所述發(fā)射裝置中包括發(fā)射用信號調(diào)制器和大功率發(fā)射機，所述調(diào)制器將需要發(fā)出的信號調(diào)制為預(yù)定頻率的信號，并輸出到所述大功率發(fā)射機進行發(fā)送，其特征在于，所述發(fā)射裝置中還包括計算機和編碼器，所述計算機用于編輯處理需要發(fā)出的信息并輸出到所述編碼器，所述編碼器將所述信息處理為二進制數(shù)字信號并輸出到所述調(diào)制器；所述發(fā)射用信號調(diào)制器為連續(xù)相位頻移鍵控式調(diào)制器，該調(diào)制器將二進制數(shù)的‘0’調(diào)制為第一頻率信號，‘1’調(diào)制為第二頻率信號，再輸出到所述大功率發(fā)射機進行發(fā)射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射裝置中還包括一個緊急信息單元，所述緊急信息單元的輸出端與所述編碼器的輸入端連接，用于輸出預(yù)置的緊急信息；該緊急信息單元中存儲有一條或多條緊急信息，并配有與緊急信息相應(yīng)數(shù)目的緊急按鈕，按下某一緊急按鈕則直接向編碼器輸出相應(yīng)的緊急信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述大功率發(fā)射機包括用于對所述發(fā)射用信號調(diào)制器輸出的信號進行放大的多級放大器，以及與所述多級放大器連接的環(huán)形天線；還包括天線保護電路和電源單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的井下無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述天線保護電路包括對所述環(huán)形天線的故障情況進行檢測的檢測單元、根據(jù)所述檢測單元的輸出信號對所述電源單元進行控制的電源控制單元、以及根據(jù)所述檢測單元的輸出信號進行故障分析的故障邏輯分析單元；所述故障邏輯分析單元的輸出信號傳送到所述計算機進行顯示和記錄。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的井下無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述大功率發(fā)射機中的多級放大器包括依次連接的信號隔離電路、驅(qū)動放大器以及IGBT，所述信號隔離電路與所述發(fā)射用信號連接，以接收其輸出的頻率信號；所述IGBT的輸出端連接到所述環(huán)形天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的井下無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述接收裝置包括依次連接的接收電路、連續(xù)相位頻移鍵控式解調(diào)器和解碼器，還包括微處理器、顯示器和來電提示器；所述微處理器控制所述解調(diào)器和解碼器的工作，并向所述提示器輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號，同時向所述顯示器輸出相應(yīng)的顯示信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的井下無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述顯示器為LCD顯示器，所述提示器為發(fā)光燈、振動器及蜂鳴器中的一種或多種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的井下無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述編碼器為無線尋呼系統(tǒng)編碼制式編碼器，所述解碼器為無線尋呼系統(tǒng)編碼制式解碼器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的井下無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述第一頻率和第二頻率在7-50千赫茲之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的井下無線通信系統(tǒng)，其特征在于，所述第一頻率為10千赫茲，所述第二頻率為13千赫茲。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種井下無線通信系統(tǒng)，包括發(fā)射裝置及與之配合的一個或多個便攜式接收裝置，所述發(fā)射裝置中包括發(fā)射用信號調(diào)制器和大功率發(fā)射機，還包括計算機和編碼器，所述計算機用于編輯處理需要發(fā)出的信息并輸出到所述編碼器，所述編碼器將所述信息處理為二進制數(shù)字信號并輸出到所述調(diào)制器；所述調(diào)制器為連續(xù)相位頻移鍵控式調(diào)制器，該調(diào)制器將二進制數(shù)的“0”調(diào)制為第一頻率信號，“1”調(diào)制為第二頻率信號，再輸出到所述大功率發(fā)射機進行發(fā)射。本發(fā)明采用雙頻工作載波模式來發(fā)射信息，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時所需元器件數(shù)量減少，系統(tǒng)成本大大降低。
文檔編號H04B7/00GK1581721SQ03140128
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者劉玉貞, 王國忠, 粱明達, 趙軍亞, 黃玉剛 申請人:深圳市威迪泰通信技術(shù)有限公司