本发明属于煤矿通信，涉及一种基于超宽带(ultrawideband,uwb)技术的矿井定位和语音通信系统及方法。
背景技术：
1、行业标准《aq 1119-2023煤矿井下人员定位系统通用技术条件》明确规定：系统在理想状态下静态定位精度能够达到0.3米。同时，各省煤监局出台文件“关于加快井下人员精确定位、无线通信及应急广播系统建设”，要求精确人员定位系统具有通信功能，明确提出“优先选择与矿灯一体化的标识卡”。
2、目前，煤矿井下人员精确定位系统采用蓝牙、zigbee和uwb等定位技术，蓝牙和zigbee无线通信技术在矿井巷道复杂环境下易受到电磁干扰以及多路径信号反射影响，而uwb信号具备较强的多路径分辨能力以及抗低频干扰能力。因此，uwb无线通信技术在精确定位和无线通信方面具有独特的抗干扰性能。煤矿井下无线通信系统主要采用wifi、4g/5g无线技术，由于wifi、4g/5g通信终端和系统建设成本高，通信终端很难大范围推广建设、普及至每个矿井工作人员。
3、为了满足矿井精确定位和语音通信融合需求，同时解决系统建设成本高的问题，迫切需要一种基于uwb技术的低成本精确定位和语音通信二合一融合系统，满足uwb精确定位、文字消息、语音消息和应急广播(即实时语音)等多应用场景需求，从而满足智能矿山建设需求。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于uwb技术的矿井定位和语音通信系统及方法，在矿灯设备上增加uwb精确定位功能和语音通信功能，在uwb基站利用现有的uwb通道提供语音数据传输功能，通过合理划分uwb时隙来动态适配多种任务需求，为矿灯提供精确定位和语音通信的融合通道，满足uwb精确定位、文字消息、语音消息和应急广播(即实时语音)等多应用场景需求，为智能矿山建设提供一种低成本的精确定位和语音通信二合一融合系统，解决煤矿井下设备建设成本高、人员负重量大等问题。
2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、基于uwb技术的矿井定位和语音通信系统，该系统包括中心站、若干uwb基站和矿灯；
4、所述中心站与uwb基站通过工业以太环网连接；
5、所述uwb基站与矿灯通过无线信号连接；
6、所述uwb基站具有2路uwb通道和4路网线接口，或者具有2路uwb通道和4路光纤接口；
7、所述矿灯具有1路uwb通道，具有液晶显示、语音播放和采集、声光振动提示和按键输入的功能；
8、所述uwb基站包括处理器、光电转换单元、两个uwb模块和数据存储单元；所述光电转换单元用于uwb基站之间互相级联或者接入工业以太环网，与中心站实现数据通信；2个uwb模块用于uwb基站与矿灯之间的uwb定位和语音数据无线传输，数据存储单元用于uwb基站缓存和管理文字消息数据、语音消息数据和实时语音数据；
9、所述矿灯由灯体和灯头组成，灯体包括灯体微控制器mcu、uwb模块、液晶显示屏、按键、led灯、蜂鸣器和振动电机；灯头包括灯头微控制器mcu、flash存储器、音频编解码器、功放、麦克、喇叭、led灯和按键；矿灯的灯体和灯头之间采用4芯线连接，包含电源线和rs232通信线，灯体微控制器mcu和uwb模块用于实现uwb定位和语音数据无线传输，液晶显示屏用于显示文字消息数据，按键、led灯、蜂鸣器和振动电机用于人机交互；灯体通过rs232通信方式将文字消息数据、语音消息数据和实时语音数据发送至灯头微控制器mcu，缓存至flash存储器，同时通过音频编解码器及功放和喇叭播放，告知用户；灯头按键和麦克以便用户向中心站发送语音消息；
10、所述uwb基站采用uwb通道进行定位和语音数据无线传输，采用uwb精确定位算法实现矿井巷道一维定位，采用时隙动态调度算法划分uwb时隙，动态适配多种任务需求；设定uwb时隙长度为5ms，定位周期为2s，2s的定位周期含有400个uwb时隙；uwb时隙分为两种：定位时隙和语音通信时隙；uwb时隙0至99为定位时隙，其他时隙为语音通信时隙，满足《aq1119-2023煤矿井下人员定位系统通用技术条件》对定位并发容量和刷新周期的要求。
11、进一步，所述uwb精确定位算法具体为：
12、矿井巷道属于线型结构，安装距离和天线方向决定uwb基站的有效覆盖范围；设定uwb基站左边为正+、右边为负-，通信距离为400m；
13、矿灯与uwb基站采用tof定位算法进行uwb定位，获得定位结果需要通信4次：测距请求帧poll、测距响应帧_左天线resp_l、测距响应帧_右天线resp_r和测距数据帧final；
14、矿灯与uwb基站左天线之间距离dl的计算公式为：
15、
16、矿灯与uwb基站右天线之间距离dr的计算公式为：
17、
18、式中：
19、tsp表示测距请求帧的发送时间戳；
20、trp_l表示测距请求帧的左天线接收时间戳；
21、trp_r表示测距请求帧的右天线接收时间戳；
22、tsr_l表示测距响应帧的左天线发送时间戳；
23、tsr_r表示测距响应帧的右天线发送时间戳；
24、trr_l表示测距响应帧的左天线接收时间戳；
25、trr_r表示测距响应帧的右天线接收时间戳；
26、tsf表示测距数据帧的发送时间戳；
27、trf_l表示测距数据帧的左天线接收时间戳；
28、trf_r表示测距数据帧的右天线接收时间戳；
29、c为光速，3.0×108m/s；
30、根据矿井巷道一维线型空间特点，uwb基站的左、右天线成对安装，二者之间距离为dδ；
31、矿灯与uwb基站的左、右天线的测距值分别为dl和dr，uwb定位方向判断机制如下：
32、1)dl＜dr且dr＞dδ时，矿灯位于uwb基站的左边，距离为dl，方向为正；
33、2)dr＜dl且dl＞dδ时，矿灯位于uwb基站的右边，距离为dr，方向为负；
34、3)dl≤dδ且dr≤dδ时，矿灯位于uwb基站的左、右天线中间，距离为dl或dr。
35、进一步，所述时隙动态调度算法具体为：
36、定位时隙用于矿灯与uwb基站完成uwb定位，存在两种状态：空闲和定位，空闲时分配给新入网的矿灯，状态由空闲变为工作；定位时隙处于工作状态下，若uwb定位失败，则uwb基站收回该定位时隙，状态由工作变为空闲；矿灯在uwb定位时，得知是否存在文字消息数据、语音消息数据和实时语音数据，若存在，则在语音通信时隙里接收数据，若不存在，则休眠至下一个定位周期，定时唤醒进行uwb定位。
37、进一步，所述中心站到uwb基站，再到矿灯中的语音数据存在3种：
38、①文字消息数据；
39、②语音消息数据；
40、③实时语音数据；
41、矿灯到uwb基站，再到中心站中的语音数据只有1种：语音消息数据。
42、进一步，所述中心站与uwb基站之间语音数据传输采用tcp/ip技术，矿灯与uwb基站之间的语音数据的传输机制为：
43、①文字消息数据
44、中心站给矿灯发送文字消息后，矿灯与uwb基站进行uwb定位时，判断是否存在属于本矿灯的文字消息数据，若存在，则在定位时隙内向uwb基站发送文字消息数据请求帧、接收文字消息数据响应帧，接收完毕且校验正确后，通过液晶显示屏告知用户；
45、②语音消息数据
46、中心站给矿灯发送语音消息后，矿灯与uwb基站进行uwb精确定位时，判断是否存在属于本矿灯的语音消息数据，若存在，则在语音通信时隙里向uwb基站发送语音消息数据请求帧、接收语音消息数据响应帧，灯体微控制器mcu转发语音消息数据至灯头微控制器mcu，接收完毕且校验正确后，通过音频编解码器和功放及喇叭告知用户；
47、③实时语音数据
48、中心站启动应急广播时，给所有uwb基站发送实时语音数据，uwb基站在语音通信时隙里广播发送实时语音数据；矿灯与uwb基站进行uwb精确定位时得知存在实时语音数据，在语音通信时隙里被动接收实时语音数据，灯体微控制器mcu转发语音消息数据至灯头微控制器mcu，通过音频编解码器和功放及喇叭告知用户，实现应急广播至每个矿灯；
49、所述uwb基站广播所述实时语音数据时，每个实时语音数据帧连续广播3次，间隔5ms；针对每一条实时语音数据，uwb基站先在左天线广播发送、后在右天线广播发送，5ms后重复广播发送第二次，再5ms后重复广播发送第三次，提高传输可靠性。
50、基于uwb技术的矿井定位和语音通信方法，该方法为：中心站与uwb基站通过工业以太环网连接；
51、uwb基站与矿灯通过无线信号连接；
52、uwb基站包括处理器、光电转换单元、两个uwb模块和数据存储单元；uwb基站之间互相级联或者接入工业以太环网通过光电转换单元实现，与中心站实现数据通信；uwb基站与矿灯之间的uwb定位和语音数据无线传输通过2个uwb模块实现，数据存储单元用于uwb基站缓存和管理文字消息数据、语音消息数据和实时语音数据；
53、灯体微控制器mcu和uwb模块实现uwb定位和语音数据无线传输，液晶显示屏显示文字消息数据，按键、led灯、蜂鸣器和振动电机进行人机交互；灯体通过rs232通信方式将文字消息数据、语音消息数据和实时语音数据发送至灯头微控制器mcu，缓存至flash存储器，同时通过音频编解码器及功放和喇叭播放，告知用户；灯头按键和麦克以便用户向中心站发送语音消息；
54、uwb基站采用uwb通道进行定位和语音数据无线传输，采用uwb精确定位算法实现矿井巷道一维定位，采用时隙动态调度算法划分uwb时隙，动态适配多种任务需求；设定uwb时隙长度为5ms，定位周期为2s，2s的定位周期含有400个uwb时隙；uwb时隙分为两种：定位时隙和语音通信时隙；uwb时隙0至99为定位时隙，其他时隙为语音通信时隙，满足《aq1119-2023煤矿井下人员定位系统通用技术条件》对定位并发容量和刷新周期的要求。
55、进一步，所述uwb精确定位算法具体为：
56、矿井巷道属于线型结构，安装距离和天线方向决定uwb基站的有效覆盖范围；设定uwb基站左边为正+、右边为负-，通信距离为400m；
57、矿灯与uwb基站采用tof定位算法进行uwb定位，获得定位结果需要通信4次：测距请求帧poll、测距响应帧_左天线resp_l、测距响应帧_右天线resp_r和测距数据帧final；
58、矿灯与uwb基站左天线之间距离dl的计算公式为：
59、
60、矿灯与uwb基站右天线之间距离dr的计算公式为：
61、
62、式中：
63、tsp表示测距请求帧的发送时间戳；
64、trp_l表示测距请求帧的左天线接收时间戳；
65、trp_r表示测距请求帧的右天线接收时间戳；
66、tsr_l表示测距响应帧的左天线发送时间戳；
67、tsr_r表示测距响应帧的右天线发送时间戳；
68、trr_l表示测距响应帧的左天线接收时间戳；
69、trr_r表示测距响应帧的右天线接收时间戳；
70、tsf表示测距数据帧的发送时间戳；
71、trf_l表示测距数据帧的左天线接收时间戳；
72、trf_r表示测距数据帧的右天线接收时间戳；
73、c为光速，3.0×108m/s；
74、根据矿井巷道一维线型空间特点，uwb基站的左、右天线成对安装，二者之间距离为dδ；
75、矿灯与uwb基站的左、右天线的测距值分别为dl和dr，uwb定位方向判断机制如下：
76、1)dl＜dr且dr＞dδ时，矿灯位于uwb基站的左边，距离为dl，方向为正；
77、2)dr＜dl且dl＞dδ时，矿灯位于uwb基站的右边，距离为dr，方向为负；
78、3)dl≤dδ且dr≤dδ时，矿灯位于uwb基站的左、右天线中间，距离为dl或dr。
79、进一步，所述时隙动态调度算法具体为：
80、定位时隙用于矿灯与uwb基站完成uwb定位，存在两种状态：空闲和定位，空闲时分配给新入网的矿灯，状态由空闲变为工作；定位时隙处于工作状态下，若uwb定位失败，则uwb基站收回该定位时隙，状态由工作变为空闲；矿灯在uwb定位时，得知是否存在文字消息数据、语音消息数据和实时语音数据，若存在，则在语音通信时隙里接收数据，若不存在，则休眠至下一个定位周期，定时唤醒进行uwb定位。
81、进一步，所述中心站到uwb基站，再到矿灯中的语音数据存在3种：
82、①文字消息数据；
83、②语音消息数据；
84、③实时语音数据；
85、矿灯到uwb基站，再到中心站中的语音数据只有1种：语音消息数据。
86、进一步，所述中心站与uwb基站之间语音数据传输采用tcp/ip技术，矿灯与uwb基站之间的语音数据的传输机制为：
87、①文字消息数据
88、中心站给矿灯发送文字消息后，矿灯与uwb基站进行uwb定位时，判断是否存在属于本矿灯的文字消息数据，若存在，则在定位时隙内向uwb基站发送文字消息数据请求帧、接收文字消息数据响应帧，接收完毕且校验正确后，通过液晶显示屏告知用户；
89、②语音消息数据
90、中心站给矿灯发送语音消息后，矿灯与uwb基站进行uwb精确定位时，判断是否存在属于本矿灯的语音消息数据，若存在，则在语音通信时隙里向uwb基站发送语音消息数据请求帧、接收语音消息数据响应帧，灯体微控制器mcu转发语音消息数据至灯头微控制器mcu，接收完毕且校验正确后，通过音频编解码器和功放及喇叭告知用户；
91、③实时语音数据
92、中心站启动应急广播时，给所有uwb基站发送实时语音数据，uwb基站在语音通信时隙里广播发送实时语音数据；矿灯与uwb基站进行uwb精确定位时得知存在实时语音数据，在语音通信时隙里被动接收实时语音数据，灯体微控制器mcu转发语音消息数据至灯头微控制器mcu，通过音频编解码器和功放及喇叭告知用户，实现应急广播至每个矿灯；
93、所述uwb基站广播所述实时语音数据时，每个实时语音数据帧连续广播3次，间隔5ms；针对每一条实时语音数据，uwb基站先在左天线广播发送、后在右天线广播发送，5ms后重复广播发送第二次，再5ms后重复广播发送第三次，提高传输可靠性。
94、本发明的有益效果在于：
95、(1)基于uwb技术实现矿井精确定位和语音通信二合一融合系统，简化了uwb基站设计方案，矿灯集成了照明、精确定位和语音通信功能，降低了煤矿井下设备建设成本和人员负重量。
96、(2)uwb基站通过合理划分uwb时隙来动态适配多种任务需求，为矿灯精确定位和语音通信提供了融合通道，满足uwb精确定位、文字消息、语音消息和应急广播(即实时语音)等多应用场景需求。
97、(3)根据矿井巷道一维线型空间特点，提出了一种基于单基站左、右天线的uwb精确定位算法及方向判断机制，算法逻辑简单，大大减少了系统复杂度。
98、(4)针对应急广播数据(即实时语音数据)，提出了一种矿灯与uwb基站之间的语音数据可靠传输机制，连续多次广播方式，实现简单、稳定可靠。
99、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
1.基于uwb技术的矿井定位和语音通信系统，其特征在于：该系统包括中心站、若干uwb基站和矿灯；
2.根据权利要求1所述的基于uwb技术的矿井定位和语音通信系统，其特征在于：所述uwb精确定位算法具体为：
3.根据权利要求1所述的基于uwb技术的矿井定位和语音通信系统，其特征在于：所述时隙动态调度算法具体为：
4.根据权利要求1所述的基于uwb技术的矿井定位和语音通信系统，其特征在于：所述中心站到uwb基站，再到矿灯中的语音数据存在3种：
5.根据权利要求4所述的基于uwb技术的矿井定位和语音通信系统，其特征在于：所述中心站与uwb基站之间语音数据传输采用tcp/ip技术，矿灯与uwb基站之间的语音数据的传输机制为：
6.基于uwb技术的矿井定位和语音通信方法，其特征在于：该方法为：中心站与uwb基站通过工业以太环网连接；
7.根据权利要求6所述的基于uwb技术的矿井定位和语音通信方法，其特征在于：所述uwb精确定位算法具体为：
8.根据权利要求6所述的基于uwb技术的矿井定位和语音通信方法，其特征在于：所述时隙动态调度算法具体为：
9.根据权利要求6所述的基于uwb技术的矿井定位和语音通信方法，其特征在于：所述中心站到uwb基站，再到矿灯中的语音数据存在3种：
10.根据权利要求9所述的基于uwb技术的矿井定位和语音通信方法，其特征在于：所述中心站与uwb基站之间语音数据传输采用tcp/ip技术，矿灯与uwb基站之间的语音数据的传输机制为：
