基于井下红外通信的矿灯识别跟踪研究

基于井下红外通信的矿灯识别跟踪研究

1,贾汉伟,2,刘方森,3,刘宇浩

1、中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司   2、3、中国移动通信集团山东有限公司   250000

摘  要：本文分析了井下红外通信和图像识别跟踪等相关技术，研究了基于矿灯的矿井中红外通信和图像识别跟踪技术，在对图像识别跟踪研究过程中，重点对矿灯图像的预处理、矿灯图像识别和矿灯图像的跟踪采用不同的算法进行对比分析。通过基于红外通信和红外图像识别技术的深入研究，在矿灯中增加红外灯，既可以满足矿灯编码信息上传到监控中心，又可以在图像识别和跟踪过程中，减少由于强逆光等因素影响对矿灯的跟踪过程，并对跟踪精度进行分析，证实了红外图像跟踪的有效性和精准度。

关键词：矿灯，红外通信，算法，图像跟踪

引言

本文在上述计算机视觉基础上提出了一种基于井下红外通信的矿灯识别跟踪方法，解决了无线电波通信易受电磁干扰，实现对井下作业的规范化和信息化管理，通过系统的实时监控，提高了安全性和生产效率，促进井下煤矿开采实现可持续发展。

1基于图像识别跟踪矿灯相关概述

1.1图像识别技术

图像是借助计算机技术，对人体或物体相关信息实时采集、处理和分析的过程，最终实现对人或物体的识别，从而可以获取对象的相关信息。在实际运用过程中，可以实现身份核验、安全检查、物品分类、位置跟踪等智能化功能包括文字识别、图像处理、物体识别三个阶段。机器视觉识别是研究如何通过云计算机对图像进行处理、分析和表示，根据特定的需求从图像中检测出目标对象，图像预处理、图像分割和特征提取及比对是在检测和识别过程中比较常用的方法。

2.2 矿灯图像识别

矿灯是矿工在矿井中作业过程中使用的具有特殊功能照明灯具。矿灯图像识别是通过矿井中安装的固定位置摄像机实现对移动矿工所佩戴的矿灯进行检测和标识的过程。在矿井中，个矿灯都有唯一的编码，通过对矿灯的跟踪识别可以达到对井下人员监控、跟踪和管理的目的。矿灯蕴涵矿工的姓名、性别、年龄、班组、职务、工种等相关信息。因此，对矿灯进行实时的跟踪和监控，可以确保风险来临，地面监控中心能够在第一时间内准确的掌握被困人员的数量、位置等基本信息，为快速营救争取宝贵的时间。矿灯图像识别包括预处理、边界检测、形态学分析三个步骤。

2.3矿灯设备实验样机设计与实现

根据矿灯安全通用要求，再加上矿灯为头部佩戴，应以舒适安全为主，因此，需要控制矿灯的额定电压和电流，电压一般选5V，而额定电流不大于1.5A，具有电路保护功能，一旦发现意外，可以自动切断对所有灯泡的供电。矿工安全头盔上的矿灯及其附属装置是由灯组模块、供电模块、控制模块以及外壳等部分组成；灯组用以照明与发信号，灯组能量由供电模块供给，灯组发送信息的方式由控制模块调控。

2.4 不同跟踪算法对矿灯的跟踪实验

基于图像技术对矿灯进行跟踪矿灯只要进入跟踪区域，系统便可对目标进行锁定和跟踪，煤矿地面监控中心的实时监控画面中就可以实时显示被跟踪者，可以根据需要自动控制摄像机进行相应的图像画面调整，对于矿灯的跟踪必须有较强的适应性，不受复杂的电磁环境、杂音、强光等因素的影响。因此，可以通过采用跟踪对比的算法进行有重点的跟踪处理，这样系统的跟踪计算时间短，跟踪的实时性更好。

3 基于红外和图像融合的矿灯识别研究

3.1 井下红外通信技术实现

由于矿井中环境非常复杂，受光线、弯道、噪声等因素干扰比较严重，各类无线通信无法有效的使用。一般情况下，对于无线设备的发射功能都有相应的要求，涉及辐射和耗电等多方面因素，红外通信技术具有很大技术优势。在硬件方面，在既有的矿灯上增加红外LED灯，并通过红外LED灯发射信号，与固定的摄像机处的红外感应基站进行通信，每个矿灯具有唯一的信息编码，通过红外信息编码可以确定佩戴矿灯的人员信息。充分结合每个基站的位置就可以实现对所有人员的位置进行定位和跟踪。

3.1红外通信关键器件

首先，红外通信关键器件包括红外光发射部件和红外收发部件。其中发射装置一般采用单片机作为处理器实现二进制编码，再调制成不同的脉冲串信号，将电信号转化为光信号，通过红外LED灯发射出红外信号。红外收发部分是能外通信的重要组成部分，选用光敏电阻，既要对光电流进行放大，同时又要防止由于放大电路带来的噪声，通过均衡电路拓展接收带宽，最终达到后端均衡的目的。其次，井下红外通信技术系统结构。井下通信识别跟踪系统的构建涉及矿井下和地面两部分的建设。基站收到矿灯发送的信息后根据数据库中与人员的对应关系就可以识别出工作人员。基站（BS）实时的将基站覆盖范围内的所有信息传输到指挥中心，结合基站的位置和人员的标识信息可以比较方便的进行人员身份识别和定位，同时可以通过视频的方式进行实时显示。

3.2 通信协议

红外通信协议基本结构包括物理层规范、链接建立协议和链路管理协议三个规范和协议。矿灯红外传输协议是一种红外传输协议，具有传输效率高，成本低，电路实现简单，抗干扰强等特点，在我们的日常生活中运用广泛广。红外通信主要是通信协议约定进行通信，本文所提出的通信识别方法可以对多个矿灯同时进行通信识别。对于多个矿灯同时出现在监控画面范围时，井下通信采用的是轮询机制来访问各矿灯，其原理是时分复用技术（time-pision multiplexing, TDM），该时分复用技术是把固定的时间周期划分为多个相对固定的时间片，每个时间片给不同的矿灯使用，不同的时间段内交织着不同的信号，所有矿灯在不同的时间占用相同的频带宽度，可以在同一信道内传输数据，达到多路传输的目的。

4 实验结果与分析

本文在固定位置的视频基站上增加红外接收器，与矿灯上的红外灯进行通信，并与之前不具备红外灯的矿灯图像识别效果进行比对，通过PyCharm对同一视频采用CSRT、MOSSE、KCF三种跟踪算法进行标记，实现对模拟矿井下环境中矿井人员头上佩戴的矿灯识别跟踪。最理想的状态是跟踪过程中矿灯从出现直至消失的全过程中目标不会丢失，再通过红外通信协议可以把矿灯对应的编码信息发送至基站，基站通过光纤通道将视频和矿灯编码信息发送到地面中心服务器，地面服务器实时的对矿灯进行解码，并通过数据库比对在矿灯对应的矿工信息，在显示器上即可自动的将矿工信息显示出来。

5结束语

本文先后对矿井的巷道分布特征、矿工作业模式、矿井中的相关机械设备、传统矿灯和基站的结构、红外通信的技术原理和实现等都做了深入的学习和掌握。本次基于矿灯的井下通信识别跟踪研究中，研究在红外通信、图像识别跟踪及算法等方面进行了深入的研究，对于硬件方面包括红外通信部件设计的优化、传感器、红外天线等的研究相对较少，程序的开发也是基于OpenCV和Python进行的开发，功能相对单一，为后续从事红外通信和图像跟踪研究明确了方向。

参考文献

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