井下有毒氣體檢測礦燈

王皓 宋睿 蔣皓晨 吳飛

摘要：為了達到對空氣主要成分和當前環(huán)境溫度的實時檢測并通知相關(guān)人員以減少人員損失和經(jīng)濟損失的目的，我們推出多功能礦業(yè)作業(yè)的安全帽，通過配置相應(yīng)的傳感器及報警器，并通過通信將監(jiān)測信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過配套的綜合管理軟件對數(shù)據(jù)進行分析。通過軟件對每個測點的地理位置、測量值或工作狀態(tài)進行連續(xù)采集，如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會自動生成報警（聲光報警）第一時間通知到相關(guān)人員，將可能出現(xiàn)的險情消滅在萌芽狀態(tài)，避免造成大的經(jīng)濟損失及影響框架礦井的正常工作。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)、井下勘探、云平臺、氣體監(jiān)測

一.項目背景

我國是世界煤炭生產(chǎn)大國，產(chǎn)量占世界的百分之三十一，同時煤炭作為我國基本能源和重要材料，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的戰(zhàn)略地位，在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占我國一次性能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中的70%左右，并且在相當長的時期內(nèi)煤炭仍將是我國的主要能源，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)將難以改變。

然而，我國煤礦與世界各主要產(chǎn)煤國家比較，不僅地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，以井工開采為主，而且自然災(zāi)害也較為嚴重。煤礦下自然環(huán)境復(fù)雜，存在多種安全隱患。特別是中小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦和私人煤礦，由于安全生產(chǎn)設(shè)備落后、安全生產(chǎn)意識不夠、沒有建立一套完整的安全生產(chǎn)管理體系，安全生產(chǎn)狀況令人擔(dān)憂。近年來，我國煤礦事故頻繁發(fā)生，輕則造成經(jīng)濟損失，重則人員傷亡，安全問題己經(jīng)成為煤礦生產(chǎn)的瓶頸，這種情況不僅直接影響了國家經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展，同時也對煤礦工作者造成了巨大的心理負擔(dān)。近年來，隨著煤炭產(chǎn)量的逐年增加，煤礦安全生產(chǎn)事故又有進一步提升的趨勢。為此，我國領(lǐng)導(dǎo)部門和普通民眾對煤礦安全生產(chǎn)越來越重視，煤礦安全監(jiān)控設(shè)備的研究已經(jīng)成為近年來國家大力扶持及發(fā)展。

要解決煤礦安全生產(chǎn)問題，不僅要建立合理的管理制度、完善的規(guī)章法則，更要有先進的安全監(jiān)控設(shè)備及技術(shù)平臺。需要24小時對井下環(huán)境參數(shù)及工作人員狀況進行監(jiān)控，方便管理者對井下設(shè)備及人員進行調(diào)整，一旦發(fā)生事故，可以引導(dǎo)礦工及時撤離現(xiàn)場，并為井上搜救人員提供井下信息輔助搜救。但現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)大都基于有線網(wǎng)絡(luò)且設(shè)備昂貴，不利于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，隨著煤炭開采的推進，很難及時將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)到開采面，不能及時監(jiān)測這些危險區(qū)域的情況，這就成為有線監(jiān)控系統(tǒng)存在的最大不足。因此，研究基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)、造價低廉、維護簡單的煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實意義。

二.項目技術(shù)路線

礦井是一個密閉空間與多種氣體交匯的場所，為了充分保障管廊內(nèi)環(huán)境安全，需要對其內(nèi)部環(huán)境進行監(jiān)測，以達到實時、自動監(jiān)測礦井下開采環(huán)境。

為了達到對空氣主要成分和當前環(huán)境溫度的實時檢測并通知相關(guān)人員以減少人員損失和經(jīng)濟損失的目的，我們推出多功能礦業(yè)作業(yè)的安全帽，配置相應(yīng)的氣體傳感器及報警器監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，借助I2C、UART串口協(xié)議傳輸并顯示參數(shù)的同時利用mQTT協(xié)議通信將監(jiān)測信號傳輸?shù)桨⒗镌票O(jiān)控中心，通過配套的綜合管理軟件對數(shù)據(jù)進行分析。通過軟件對每個測點的地理位置、測量值或工作狀態(tài)進行連續(xù)采集，如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會自動生成報警（聲光報警）第一時間通知到相關(guān)人員，所有的參數(shù)和險情都將在小程序端同步顯示，將可能出現(xiàn)的險情消滅在萌芽狀態(tài)，避免造成大的經(jīng)濟損失及影響礦井的正常工作。

三.項目特色與創(chuàng)新點

1.氣體傳感器類型新穎，跳出“智慧農(nóng)業(yè)”舒適區(qū)，對我們隊是否能高效率、高標準開發(fā)完成任務(wù)是一個全新挑戰(zhàn)。

2.傳感器芯片業(yè)內(nèi)成熟，都是選用新型傳感器，同時具備高靈敏度、高可靠性和低能耗三大優(yōu)點，部署在環(huán)境惡劣的礦區(qū)，理論上對于事故率的降低非常大，完勝大部分傳統(tǒng)方案。

3.云服務(wù)支持一定程度上減輕了業(yè)務(wù)場景的部署難度，讓客戶易上手，易維護，資源占用少，成本低。

4.后臺數(shù)據(jù)方便收集，結(jié)合如今的大數(shù)據(jù)平臺處理技術(shù)，可以對每一個礦井的數(shù)據(jù)收集分析后生成并維護一個環(huán)境閾值，針對性強，實時性強，極大提高礦井的作業(yè)效率和安全性。

四、總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于WiFi的礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集云平臺監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括傳感信息的采集，基于WiFi的信息傳輸，云平臺和手機APP端監(jiān)控等功能。系統(tǒng)在各種氣體傳感器模塊的控制下采集溫濕度、H2、甲烷、瓦斯等環(huán)境參數(shù)，通過esp8266模塊傳輸?shù)桨⒗镌贫耍⒃谑謾C小程序端同步展示報警信息。經(jīng)過調(diào)試，本系統(tǒng)能夠很好地完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)上報、手機APP查看測量環(huán)境數(shù)據(jù)等功能，基本實現(xiàn)了設(shè)計要求。本系統(tǒng)可用于各種地下探勘，開發(fā)工作。本系統(tǒng)采用的WiFi通信可以拓展為移動通信網(wǎng)絡(luò)、NB-IoT、LoRa、藍牙等，根據(jù)不同的傳感信息實現(xiàn)在智能交通、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。

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作者簡介：王皓、男、漢族、四川省大竹縣人、本科在讀、重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院18級物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生，研究方向：智慧農(nóng)業(yè)，智慧交通，智慧醫(yī)療。