一种井下巡检机器人的信息传输系统及方法技术方案

一种井下巡检机器人的信息传输系统及方法，系统：井下巡检机器人信息传输系统由数据处理与控制部分、信息采集部分、CTC信息传输部分组成；数据处理与控制部分由控制模块和动力及驱动模块组成；信息采集部分由视频采集模块、音频采集模块和传感器采集模块组成；CTC信息传输部分由WiFi通信模块、无线AP模块和ZigBee无线模块组成。方法：利用重叠频段进行WiFi与ZigBee设备的直连通信；WiFi与ZigBee信道的选择；通过预训练获取接收窗口大小及发射端能级调制个数；发射端编码发送；自适应调整发射能级个数与接收窗口大小；接收端接收并解码，实现信息跨网双向传输。该系统及方法实现了矿井信息的高效采集与故障的快速响应，提高了WiFi与ZigBee双向跨网通信的传输效率与吞吐量。吐量。吐量。

An information transmission system and method of underground inspection robot

【技术实现步骤摘要】
一种井下巡检机器人的信息传输系统及方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种井下巡检机器人的信息传输系统及方法。

技术介绍

[0002]煤炭是现阶段我国的主要战略支柱能源，在能源结构中一直占据主导地位，且未来煤炭资源仍会是我国能源体系的压舱石和兜底保障，因此，矿井安全问题始终备受各方关注。为切实保障煤矿井下的安全生产工作，对巷道中设备、环境、人员等关键数据的采集与巡检显得异常重要。目前井下设备监测、环境探测、人员感知等数据采集大都通过巷道中密集部署的ZigBee终端节点获得，再以多跳的方式经由路由节点转发至分站、服务器等设备。同时，巷道巡检机器人也可实现对关键数据，尤其是视频数据的及时采集与上传。因为图像、视频数据量较大，故主流巡检机器人通过配备WiFi模块完成数据的传输。此时，巡检机器人与巷道中Zigbee终端节点交互环境数据时，通常需要借助网关设备来完成。
[0003]然而，由于井下空间狭小、异构网络干扰严重、环境恶劣等问题，ZigBee多跳路由方式的信息传输，容易造成信号逐级衰减，故障响应延迟，且ZigBee通信范围有限，密集部署ZigBee节点也会增加成本。巡检机器人的WiFi模块与巷道中ZigBee终端节点交换数据需要额外部署网关等设备，不仅可移动性差，同时也会增加额外的硬件成本。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种井下巡检机器人的信息传输系统及方法，该系统组成结构简单，投入成本低，能助于实现井下信息的高效采集与故障问题的迅速响应。该方法利用跨网通信技术(Cross
‑
Technology Communication,CTC)步骤简单，通用性强，能降低ZigBee终端节点的部署密度，减少网关等设备的部署，进而有效降低成本，同时，优化了传统CTC技术中WiFi与ZigBee双向通信的吞吐量与准确率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供一种井下巡检机器人的信息传输系统，包括数据处理与控制部分、信息采集部分和CTC信息传输部分；
[0006]所述数据处理与控制部分由控制模块和动力及驱动模块组成；所述控制模块用于实现巡检机器人的核心控制功能；所述动力及驱动模块与控制模块连接，用于为巡检机器人提供电源能量供应，用于根据控制模块的控制指令控制巡检机器人的动作；
[0007]所述信息采集部分安装在巡检机器人上，其由视频采集模块、音频采集模块和传感器采集模块组成，并与控制模块连接；所述视频采集模块由红外摄像仪和高清摄像仪组成，红外摄像仪辅助高清摄像仪在光照度低的井下环境进行图像的实时采集，并实时发送给控制模块；所述音频采集模块由拾音器、音频传感器和音频处理器组成，用于实时采集现场的音频信号，并对音频信号进行降噪处理后发送给控制模块；所述传感器采集模块由温度传感器、烟雾浓度传感器和湿度传感器组成，所述温度传感器用于实时采集现场的温度信号，并通过单总线数据传输方式发送给控制模块；所述烟雾浓度传感器用于实时采集现
场的烟雾浓度信号，并经过A/D转换后发送给控制模块；所述湿度传感器用于采集现场的湿度信号，并通过单总线数据传输方式发送给控制模块。
[0008]所述CTC信息传输部分由若干个ZigBee无线模块、若干个无线AP模块和WiFi通信模块组成，若干个ZigBee无线模块为原有安装在巷道中的ZigBee无线模块；若干个无线AP模块为巷道中原有的无线AP模块，若干个无线AP模块之间通过无线的方式交互通信，且与地面网络通过有线的方式交互通信；所述WiFi通信模块安装在巡检机器人上，与控制模块通过有线的方式连接，用于通过无线通信的方式连接对应巷道内的无线AP，并与ZigBee无线模块进行双向跨网通信；所述CTC信息传输部分用于利用巡检机器人的WiFi通信模块配合巷道中原有的无线AP模块完成与巷道中的ZigBee无线模块间的双向信息交互，打破WiFi与ZigBee的通信壁垒。
[0009]作为一种优选，所述控制模块由嵌入式核心控制板与工控机组成，二者通过RS232总线方式直连。
[0010]本专利技术中，通过CTC信息传输部分的设置，可以有助于提供频谱资源共享的机会，满足了不同无线通信协议间的通信需求，而不需通过单纯的信道资源竞争来降低跨网干扰。CTC信息传输部分利用巷道中原有的无线AP模块使得巡检机器人的WiFi通信模块与巷道中ZigBee终端节点建立直接通信，再通过WiFi网络及时将监控信息上传至矿井通信系统，实现了对巷道内设备状态、环境参数、人员状况等数据的采集，拓展了巡检机器人的信息采集方式，做到了重点区域的有效监控，实现了信息的高效采集与故障问题的迅速响应。该系统不同于传统的网关设计，信息传输部分无需额外的硬件部署，利用无线信道重叠引发的干扰特性，实现了WiFi与ZigBee间的直连通信。
[0011]本专利技术还提供了一种井下巡检机器人的信息传输方法，包括以下步骤：
[0012]步骤一：在2.4GHz频段上，利用重叠频段进行WiFi通信模块与ZigBee无线模块信道的选择，采用WiFi的11信道与ZigBee的23信道建立WiFi到ZigBee方向的跨网通信；ZigBee的23信道覆盖WiFi 11信道索引编号为7to 12的六个子载波，在ZigBee到WiFi方向的跨网通信中，WiFi端选择索引编号为9、11或索引编号为9、10的数据子载波建立与ZigBee的直接通信；
[0013]步骤二：获取接收端解码窗口大小及发射端的能级调制个数；
[0014]S21：通过预训练获取接收端解码窗口大小。初始接收端解码窗口大小为T0，接收端预先通过大量实验评判该区域某段时间内信道质量，根据信道质量调整接收端解码窗口大小：
[0015]S22：通过预训练获取发射能级调制个数。初始发射能级个数为K0，发送端根据接收端反馈的信道质量调整发送端发射能级个数：K＝K0±
b,b＝1,2,3
…
；
[0016]S23：根据发射端可调制的能级个数K，一个解码窗口可解码log2K bit的信息，通过预先不断的实验训练得到合适的发射能级个数与解码窗口大小，以实现对吞吐量与解码准确率之间的最佳平衡；
[0017]步骤三：发射端依照能级编码方式对待发送的数据包进行编码；
[0018]S31：WiFi到ZigBee方向的跨网通信，通过调整WiFi发送端的发射能级，使得同频段ZigBee的RSSI值发生变化，建立起WiFi到ZigBee的直连通信；
[0019]S32：ZigBee到WiFi方向的跨网通信，巷道中所部署的ZigBee节点作为发送端，根据预设的编码能级进行编码，实现CTC信息传输；
[0020]步骤四：根据信道质量自适应调整接收窗口大小或通过反向CTC的方式告知发送端调整发射能级的个数；
[0021]设置两个阈值
①
和
②
，当接收端测得信噪比低于预设阈值
①
时，表明信道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种井下巡检机器人的信息传输系统，其特征在于；包括数据处理与控制部分、信息采集部分和CTC信息传输部分；所述数据处理与控制部分由控制模块和动力及驱动模块组成；所述控制模块用于实现巡检机器人的核心控制功能；所述动力及驱动模块与控制模块连接，用于为巡检机器人提供电源能量供应，用于根据控制模块的控制指令控制巡检机器人的动作；所述信息采集部分安装在巡检机器人上，其由视频采集模块、音频采集模块和传感器采集模块组成，并与控制模块连接；所述视频采集模块由红外摄像仪和高清摄像仪组成，红外摄像仪用于辅助高清摄像仪在光照度低的井下环境进行图像的实时采集，并实时发送给控制模块；所述音频采集模块由拾音器、音频传感器和音频处理器组成，用于实时采集现场的音频信号，并对音频信号进行降噪处理后发送给控制模块；所述传感器采集模块由温度传感器、烟雾浓度传感器和湿度传感器组成，所述温度传感器用于实时采集现场的温度信号，并通过单总线数据传输方式发送给控制模块；所述烟雾浓度传感器用于实时采集现场的烟雾浓度信号，并经过通过A/D转换后发送给控制模块；所述湿度传感器用于实时采集现场的湿度信号，并通过单总线数据传输方式发送给控制模块；所述CTC信息传输部分由若干个ZigBee无线模块、若干个无线AP模块和WiFi通信模块组成；若干个ZigBee无线模块为原有安装在巷道中的ZigBee无线模块；若干个无线AP模块为巷道中原有的无线AP模块，若干个无线AP模块之间通过无线的方式交互通信，且与地面网络通过有线的方式交互通信；所述WiFi通信模块安装在巡检机器人上，与控制模块通过有线的方式连接，用于通过无线通信的方式连接对应巷道内的无线AP，并与ZigBee无线模块进行双向跨网通信；所述CTC信息传输部分用于利用巡检机器人的WiFi通信模块配合巷道中原有的无线AP模块完成与巷道中的ZigBee无线模块间的双向信息交互，打破WiFi与ZigBee的通信壁垒。2.根据权利要求1所述的一种井下巡检机器人的信息传输系统，其特征在于，所述控制模块由嵌入式核心控制板与工控机组成，二者通过RS232总线方式直连。3.一种井下巡检机器人的信息传输方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在2.4GHz频段上，利用重叠频段进行WiFi通信模块与ZigBee无线模块信道的选择；采用WiFi的11信道与ZigBee的23信道建立WiFi到ZigBee方向的跨网通信；ZigBee的23信道覆盖WiFi 11信道索引编号为7 to 12的六个子载波，在ZigBee到WiFi方向的跨网通信中，WiFi端选择索引编号为9、11或索引编号为9、10的数据子载波建立与ZigBee的直接通信；步骤二：获取接收端解码窗口大小及发射端的能级调制个数；S21：通过预训练获取接收端解码窗口大小；初始接收端解码窗口大小为T0,接收端预先通过大量实验评判该区域某段时间内信道质量，根据信道质量调整接收端解码窗口大小：S22：通过预训练获取发射能级调制个数；初始发射能级个数为K0,发送端根据接收端反馈的信道质量调整发送端发射能级个数：K＝K0±
b,b＝1,2,3
…
；S23：根据发射端可调制的能级个数K，一个解码窗口可解码log2Kbit的信息，通过预先不断的实验训练得到合适的发射能级个数与解码窗口大小，以实现...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鸣，许善智，张帅，王赵文，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：