基于ARDUINO的鈾礦井下環(huán)境監(jiān)測及智能通風系統設計*

耿新洋，袁正平，王富林

(南華大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

鈾礦井下采場屬于典型的受限作業(yè)空間，其空氣環(huán)境中除了與普通金屬礦山基本一致的有毒有害氣體以外，氡及氡子體、含放射性核素的粉塵、氣溶膠等可吸入性物質是造成內照射的主要原因[1-3]。受限作業(yè)空間中氡及氡子體的濃度、析出規(guī)律以及粉塵的分布特征受到通風方式、通風風量、礦巖掘進、礦石爆破等因素的影響，而通風降氡是地下鈾礦開采輻射防護極其主要、有效的方式。但這些因素之間相互影響制約，一是難以實時精準監(jiān)測氡及氡子體濃度，二是無法適應環(huán)境—通風協調的通風降氡需求[4]。

當鈾礦采用抽出式通風時，隨著風量的增大，作業(yè)空間內氡的析出量也隨之上升[5]，特別是開采進入中后期時，抽出式通風會使工作面入風氡污染較嚴重；當采用壓入式通風時，正壓作用能抑制礦壁中氡的析出，從而降低風流中氡的濃度，同時總排風口排氡量少，對排風井附近的環(huán)境影響也較小[6]。由此，地下開采鈾礦采用基于環(huán)境質量監(jiān)測的自動調節(jié)通風系統不僅可以降低氡濃度超標對人體的影響，還可以提高通風效率、實現按需供風，同時遵循變頻調控規(guī)則，環(huán)境異常時發(fā)出預警[7]。

本文選用壓入式通風方案，基于ARDUINO硬件平臺，設計1種“人—機—環(huán)”互聯自適應的鈾礦智能通風降氡系統。通過監(jiān)測井下受限作業(yè)空間中氡及其子體濃度、鈾礦塵濃度、風速等環(huán)境數據，利用云計算平臺將數據整合儲存至網絡數據服務器中，實現環(huán)境數據信息化，遠程智能控制通風系統，進而影響環(huán)境中各項指標，實現人、設備、環(huán)境三者互聯。

1 系統總體框架設計

圖1為基于ARDUINO的鈾礦環(huán)境監(jiān)測及智能調控系統結構圖，其由數據感知輸入層、指令信號決策層、云監(jiān)測及控制層3個部分組成。數據感知輸入層實現鈾礦井下環(huán)境參數數據監(jiān)測，局部監(jiān)測點采集的數據經過信號處理后傳入指令信號決策層，指令信號決策層通過ARDUINO主控完成邏輯判斷，將指令傳至通風系統和報警系統，其中主通風機根據系統總風量調節(jié)。輔助通風機由相應回采工作面、掘進工作面、硐室的環(huán)境檢測數據控制；圖1中上方為云監(jiān)測及控制層，用于存儲記錄環(huán)境參數數據、輸出控制指令，實現遠程動態(tài)可視化監(jiān)測，采用ESP8266-WiFi模塊進行數據上傳和接收云平臺的控制指令，可實現人工干預通風設備降氡降塵。

圖1 基于ARDUINO的鈾礦環(huán)境監(jiān)測及智能調控系統

2 硬件系統設計

2.1 主控設計

鈾礦井下存在多種環(huán)境參數復合的情況，需要主控能夠同時接入多個不同的環(huán)境數據進行處理，且需要輸出多個信號實現控制通風設備及數據聯網。本文系統中，硬件主控采用基于AVR單片機的ARDUINO UNO R3開發(fā)板，該開發(fā)板能夠實現多輸入、多輸出的功能，將傳感器捕獲的數據進行處理，并將控制信號輸出至相應設備，進而實現環(huán)境調控功能。因其具有較優(yōu)的開發(fā)性，硬件傳感器可根據鈾礦井下具體實施情況進行改良，主控開發(fā)板內置程序可重復編寫燒錄，為后期升級系統提供基礎。在程序編寫方面，ARDUINO作為1種具有開放代碼源的電子開發(fā)系統，具有語言封裝性高的優(yōu)勢，其絕大部分功能提供庫函數，可直接調用函數進行編程[8]。圖2為ARDUINO UNO R3開發(fā)板引腳說明，共有14個數字輸入/輸出引腳，其中3，5，6，9，10，11數字接口可作為PWM輸出引腳，數字接口作為數字輸出引腳分別連接通風設備輸入端口、報警設備輸入端口。6個模擬輸入引腳依次接入氡及其子體濃度傳感器、風速傳感器、粉塵濃度傳感器。USB接口用于燒錄主控程序。

圖2 ARDUINO UNO R3開發(fā)板引腳說明

2.2 通信系統設計

基于大數據、云計算的礦井監(jiān)測與預警技術未來發(fā)展趨勢，根據“智慧礦山”基本內涵與建設要求，未來礦山安全監(jiān)測將實現信息智能化，數據接入云平臺后，建立監(jiān)測參數數據庫為人工智能提供設計和數值分析模型，以產生更高效地降氡降塵的通風實施方案。人員能夠遠程直觀觀測鈾礦井下環(huán)境參數，手動調節(jié)通風設備的工作狀態(tài)，以產生更有效、更靈活的實施方案。通信系統采用ESP8266-01s型號Wi-Fi傳輸模塊與ARDUINO主控之間通信，其內置TCP/IP協議棧，實現遠程傳輸數據和控制的功能[9]。配置ESP8266-01s聯網命令，實現自動進入透傳模式連接云平臺且掉線重連功能，接線方式為ARDUINO UNO R3的RX接口和TX接口分別與ESP8266-01s的TXD接口與 RXD接口連接，建立傳感器采集數據上傳云平臺與云平臺傳輸控制信號的通信。

2.3 環(huán)境參數采集傳感模塊設計

本文系統設計需要對鈾礦井下氡及其子體濃度、風速、鈾礦粉塵濃度進行監(jiān)測，風量可根據風速推算得知。分別選用RHZM—Ⅰ型氡及其子體連續(xù)監(jiān)測儀、JY-YL2葉輪風速傳感器、GCD1000型粉塵濃度傳感器。RHZM—Ⅰ型氡及其子體連續(xù)監(jiān)測儀具有體積小、靈敏度高、響應時間快、可連續(xù)測定氡及其子體濃度等特點，監(jiān)測過程中，氡子體在入口濾膜聚集，其可被硅探測器所探測并實時測量，純氡在收集衰變室產生新的子體，其主要部分被靜電高壓作用下聚集在收集衰變室出口處，通過測出口探測器所得的α計數確定氡濃度[10]，經過檢測儀內部微處理器將處理后的信號通過串口傳輸；JY-YL2葉輪風速傳感器具有測量正反風速、精度高等特點，工作環(huán)境溫度在-20 ℃至+80 ℃之間，能夠良好地適應井下高溫環(huán)境；GCD1000型粉塵濃度傳感器粉塵濃度測量范圍：0.1～1 000 mg/m3、粉塵設置范圍：0～1 000 mg/m3。

傳感器數據采集布局設計中，風速、鈾礦粉塵濃度、氡及其子體濃度傳感器數據采集監(jiān)測點分別設置在各回采工作面、掘進工作面、硐室。監(jiān)測點傳感器將連續(xù)測得的數據經過數據處理后傳入ARDUINO主控中，進行數據處理后控制局部通風系統工作[11]。

2.4 氡及其子體濃度及鈾礦塵超標報警設計

由于氡氣無色無味的物理性質，施工作業(yè)人員無法察覺工作環(huán)境的氡及其子體濃度，若濃度超標將對人體造成極大危害，濃度報警裝置可根據氡及其子體連續(xù)監(jiān)測儀監(jiān)測到的濃度數值通過主控發(fā)送工作指令信號，警示施工人員盡快撤離。鈾礦塵超標報警設計由蜂鳴器和紅色報警燈組成，報警器和紅色報警燈可直接接收ARDUINO主控中輸出的高低電平，將報警器的信號輸入端與ARDUINO主控的數字輸出引腳8相連，設置為低電平持續(xù)觸發(fā)，報警器連續(xù)工作，紅色報警燈與ARDUINO主控的數字輸出引腳12相連，低電平觸發(fā)工作，同時將報警信息上傳至云平臺，并將報警區(qū)域、時間、氡及其子體濃度和鈾礦粉塵濃度隨時間變化趨勢、通風系統反饋動作記錄云平臺數據庫中，為分析事故原因及預判事故發(fā)生提供數據基礎。

3 軟件系統設計

主通風機程序設定，計算全礦井所需總風量且因存在內外漏風、分風不均衡等多種不可準確估計的因素，在設定總需風量時留有一定富余量，判斷系統總風量是否低于總需風量，智能改變主通風機工作特性，調節(jié)系統總風量。讀取傳感器數據輸入值，與ARDUINO主控程序中設定數值進行邏輯運算，根據判斷結果控制主通風機的運作。

輔助通風機的工作狀態(tài)取決于其工作區(qū)域的風速和空氣中鈾礦塵濃度、氡及其子體濃度，根據程序設定，判斷工作面的風速是否達到規(guī)定施工值，輸入風速值未達到工作面規(guī)定施工值時，控制輔助通風機功率升高滿足工作面風速最低限定值，進入正常工作模式。傳感器采集的數據必然存在一定時延以及誤差，將氡及其子體濃度限定值下限的5%作為預設值，根據現場氡及其子體濃度判斷輔助通風機通風設備功率模式及報警模塊響應情況。同樣將鈾礦粉塵濃度限定值下限的5%作為預設值，根據現場采集到的鈾礦粉塵濃度，ARDUINO主控控制輔助通風機通風設備的功率模式，未出現濃度超標等情況，則判斷各區(qū)域風速是否超出標準限定的最高風速值，若超出將智能調節(jié)輔助通風機，整個系統的測定的總風量值將上傳至云平臺，系統總風量超出設定所需總風量值時報警，人工控制各輔助通風機與主通風機的功率模式。

主、輔通風機流程如圖3所示。

圖3 主、輔通風機流程

4 網絡云平臺搭建

云平臺構架如圖4所示。

圖4 云平臺構架

傳統的礦井下有線傳輸數據的通信方式存在一定弊端，例如：當線纜某一網絡節(jié)點斷開時，造成數據上傳不及時，引發(fā)安全問題。礦井下線纜部署困難，且耗費成本高。所以本文選用無線傳輸的通信方式，可有效解決線纜布局延展性差等弊端，方便后期根據不同情況建立新的檢測端口[12]。網絡搭建由ESP8266-WiFi模塊、ARDUINO主控模塊、網絡云平臺3部分組成，通過網絡協議進行數據傳輸，如圖5所示。云平臺創(chuàng)建相應傳感器的產品和控制通風及報警設備，環(huán)境參數將通過配置完畢的網絡協議連接通信接入云平臺的設備，以報文形式發(fā)送，實現PC端和手機應用端實時監(jiān)測環(huán)境中各項指標、遠程控制通風系統，協調各風機工作的功能。同時在云平臺應用管理界面進行編輯和設計，使各項指標易于分辨及觀測[13-16]。

圖5 ESP8266-WiFi模塊工作流程

配置完畢的ESP8266-WiFi模塊初始化后，自動接入云平臺服務器設備，數據感知輸入層中各傳感器進入初始化，獲取環(huán)境信息送至ARDUINO主控，通過ESP8266-WiFi模塊將環(huán)境信息上傳至云平臺服務器設備，在物聯網平臺實時監(jiān)測環(huán)境的變化。

5 展望

從大數據、云計算的未來發(fā)展趨勢看，未來礦山安全監(jiān)測與預警系統將會從傳感技術、控制技術、通信技術、人工智能技術等方面的發(fā)展得到快速升級。本文系統設計具有靈活性和開發(fā)性，后期可同步最新傳感器，能夠替換更加完善的傳感器，接入ARDUINO主控的硬件設施可根據不同的鈾礦山應用場景進行設備更換，同時云平臺將收集到的環(huán)境監(jiān)測數據以及通風系統機制同步反饋至數據庫，建立深度學習數據模型庫，結合最優(yōu)算法多環(huán)節(jié)、多層次進行迭代優(yōu)化，預測出最佳通風模式，并能夠提前告知預警信息，搭建集通風模式和預警最優(yōu)的反饋機制。未來礦山將集開采、冶煉、安全防護、尾礦充填建立起完整的數據調控中心，以云計算為基礎實現統一調控、相互協調、數據共享、自動化與數據分析相融合的現代化數字礦山。

6 結論

1)本文提出基于“人-機-環(huán)”互聯自適應的鈾礦智能通風降氡方案，架構基于Arduino的氡氣監(jiān)測及智能調控系統。

2)基于Arduino開發(fā)板和ESP8266-WiFi模塊等核心硬件，系統搭建出數據感知輸入、指令信號決策、云監(jiān)測及控制3個層次。

3)基于智能控制與物聯感知的融合技術，系統可實現通風設備自適應調控響應，同時實現環(huán)境監(jiān)測的遠程監(jiān)控和智能通風系統的遠程控制。