井下有毒氣體檢測(cè)礦燈

王皓 宋睿 蔣皓晨 吳飛

摘要：為了達(dá)到對(duì)空氣主要成分和當(dāng)前環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)并通知相關(guān)人員以減少人員損失和經(jīng)濟(jì)損失的目的，我們推出多功能礦業(yè)作業(yè)的安全帽，通過(guò)配置相應(yīng)的傳感器及報(bào)警器，并通過(guò)通信將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過(guò)配套的綜合管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)軟件對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的地理位置、測(cè)量值或工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)采集，如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成報(bào)警（聲光報(bào)警）第一時(shí)間通知到相關(guān)人員，將可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情消滅在萌芽狀態(tài)，避免造成大的經(jīng)濟(jì)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(tái)、氣體監(jiān)測(cè)

一.項(xiàng)目背景

我國(guó)是世界煤炭生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量占世界的百分之三十一，同時(shí)煤炭作為我國(guó)基本能源和重要材料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的戰(zhàn)略地位，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占我國(guó)一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的70%左右，并且在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)煤炭仍將是我國(guó)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(guó)煤礦與世界各主要產(chǎn)煤國(guó)家比較，不僅地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，以井工開(kāi)采為主，而且自然災(zāi)害也較為嚴(yán)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(shí)不夠、沒(méi)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(lái)，我國(guó)煤礦事故頻繁發(fā)生，輕則造成經(jīng)濟(jì)損失，重則人員傷亡，安全問(wèn)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(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，同時(shí)也對(duì)煤礦工作者造成了巨大的心理負(fù)擔(dān)。近年來(lái)，隨著煤炭產(chǎn)量的逐年增加，煤礦安全生產(chǎn)事故又有進(jìn)一步提升的趨勢(shì)。為此，我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)和普通民眾對(duì)煤礦安全生產(chǎn)越來(lái)越重視，煤礦安全監(jiān)控設(shè)備的研究已經(jīng)成為近年來(lái)國(guó)家大力扶持及發(fā)展。

要解決煤礦安全生產(chǎn)問(wèn)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(jìn)的安全監(jiān)控設(shè)備及技術(shù)平臺(tái)。需要24小時(shí)對(duì)井下環(huán)境參數(shù)及工作人員狀況進(jìn)行監(jiān)控，方便管理者對(duì)井下設(shè)備及人員進(jìn)行調(diào)整，一旦發(fā)生事故，可以引導(dǎo)礦工及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)，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(kuò)大，隨著煤炭開(kāi)采的推進(jìn)，很難及時(shí)將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)到開(kāi)采面，不能及時(shí)監(jiān)測(cè)這些危險(xiǎn)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、造價(jià)低廉、維護(hù)簡(jiǎn)單的煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二.項(xiàng)目技術(shù)路線

礦井是一個(gè)密閉空間與多種氣體交匯的場(chǎng)所，為了充分保障管廊內(nèi)環(huán)境安全，需要對(duì)其內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以達(dá)到實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)礦井下開(kāi)采環(huán)境。

為了達(dá)到對(duì)空氣主要成分和當(dāng)前環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)并通知相關(guān)人員以減少人員損失和經(jīng)濟(jì)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(bào)警器監(jiān)測(cè)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(shí)利用mQTT協(xié)議通信將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)桨⒗镌票O(jiān)控中心，通過(guò)配套的綜合管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)軟件對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的地理位置、測(cè)量值或工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)采集，如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成報(bào)警（聲光報(bào)警）第一時(shí)間通知到相關(guān)人員，所有的參數(shù)和險(xiǎn)情都將在小程序端同步顯示，將可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情消滅在萌芽狀態(tài)，避免造成大的經(jīng)濟(jì)損失及影響礦井的正常工作。

三.項(xiàng)目特色與創(chuàng)新點(diǎn)

1.氣體傳感器類(lèi)型新穎，跳出“智慧農(nóng)業(yè)”舒適區(qū)，對(duì)我們隊(duì)是否能高效率、高標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)完成任務(wù)是一個(gè)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(shí)具備高靈敏度、高可靠性和低能耗三大優(yōu)點(diǎn)，部署在環(huán)境惡劣的礦區(qū)，理論上對(duì)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(chǎng)景的部署難度，讓客戶易上手，易維護(hù)，資源占用少，成本低。

4.后臺(tái)數(shù)據(jù)方便收集，結(jié)合如今的大數(shù)據(jù)平臺(tái)處理技術(shù)，可以對(duì)每一個(gè)礦井的數(shù)據(jù)收集分析后生成并維護(hù)一個(gè)環(huán)境閾值，針對(duì)性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，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(jì)了一種基于WiFi的礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集云平臺(tái)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(tái)和手機(jī)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(guò)esp8266模塊傳輸?shù)桨⒗镌贫?，并在手機(jī)小程序端同步展示報(bào)警信息。經(jīng)過(guò)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(bào)、手機(jī)APP查看測(cè)量環(huán)境數(shù)據(jù)等功能，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)可用于各種地下探勘，開(kāi)發(fā)工作。本系統(tǒng)采用的WiFi通信可以拓展為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、NB-IoT、LoRa、藍(lán)牙等，根據(jù)不同的傳感信息實(shí)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(jiǎn)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(dòng)化學(xué)院18級(jí)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，研究方向：智慧農(nóng)業(yè)，智慧交通，智慧醫(yī)療。