[發(fā)明專利]一種基于無線傳感器的礦井環(huán)境有害氣體檢測系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN104713985A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發(fā)明（設計）人: 徐通
• 申請（專利權）人: 徐通
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00
• 代理公司: 淮安市科文知識產權事務所 32223
• 代理人: 謝觀素

技術領域

本發(fā)明涉及礦井環(huán)境的智能檢測與控制和控制網(wǎng)絡技術領域，具體涉及一種基于無線傳感器的礦井環(huán)境有害氣體檢測系統(tǒng)。

背景技術

目前，保障煤礦生產安全，防止煤礦事故，保護煤礦職工人身安全，促進采礦業(yè)的發(fā)展，確保井下人員足夠的新鮮空氣必須把有害氣體和粉塵沖淡到安全濃度以下，它們包括CO、H2S、CO2、CH4等氣體，因此必須測量有害氣體的分布狀況。

上述氣體的來源于多方面，如CO在煤礦井下主要產生于煤的自然發(fā)火和坑木腐爛以及放炮的炮煙中，在煤礦井下監(jiān)測CO濃度變化趨勢可作為判斷煤層是否發(fā)生自然發(fā)火的指標；急性CO中毒是吸入高濃度CO后引起以中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害為主的全身性疾病。輕、中度中毒主要表現(xiàn)為頭痛、頭昏、心悸、惡心、嘔吐、四肢乏力、意識模糊,甚至昏迷。二氧化碳(CO2)主要存在于煤層和煤塊內，在采煤過程中與瓦斯一道排出，坑木腐爛、人員呼吸、煤自然發(fā)火以及爆破等也可產生二氧化碳(CO2)，由于二氧化碳(CO2)密度大，一般多積聚于巷道低處及通風不良的廢巷中，個別煤層或巖層中會出現(xiàn)大量二氧化碳(CO2)異常涌出現(xiàn)象，稱為二氧化碳(CO2)突出，如營城煤礦和窯街礦區(qū)曾發(fā)生二氧化碳(CO2)突出事故，二氧化碳(CO2)主要經(jīng)呼吸道吸入人體內，高密度時有顯著毒性作用，主要是對呼吸中樞的毒性作用。礦井中二氧化硫主要來源于含硫礦物(如黃鐵礦等)的氧化和自然以及井下爆破；二氧化硫(SO2)主要是通過呼吸道吸入而產生中毒作用，其次是皮膚、粘膜的接觸吸收；硫化氫是具有臭雞蛋氣味的劇毒氣體，且易燃易爆，爆炸濃度范圍為4.3%-46%。有機物腐敗時可產生硫化氫，故糞窯、污水溝、暗渠中常有硫化氫積聚，硫化氫屬于化學性窒息性氣體，急性中毒時可引起肺水腫和中毒性腦病；氨是無色有惡臭氣味的刺激性氣體，極易溶于水而形成氫氧化銨(氨水)，也容易從水溶液中逸出。

我國某些礦井巖層中有天然氨涌出，如鐵法礦區(qū)和峰峰礦區(qū)的萬年礦等，低濃度氨對眼和上呼吸道粘膜有刺激作用，吸入高濃度的NH3會引起支氣管炎癥及中毒性肺炎、肺水腫；礦井空氣中的氮氧化物主要產生于用硝銨炸藥爆破的炮煙中，氮氧化物為刺激性氣體，較難溶于水，因而可達呼吸道深部的細支氣管和肺泡，對肺組織產生強烈的刺激和腐蝕作用，可引起支氣管炎和肺水腫等；當在煤層、斷層或其它裂隙、空隙處積聚了大量甲烷，處于極高的壓力狀態(tài)下，具備一定條件時，會發(fā)生甲烷噴出或突出現(xiàn)象，分別稱為瓦斯噴出和瓦斯突出。在我國陳奎開發(fā)了基于Web?的煤礦瓦斯動態(tài)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，提高了煤礦瓦斯采集的網(wǎng)絡化與數(shù)字化水平，李?兵等開發(fā)了基于WSN的礦井瓦斯檢測系統(tǒng)，楊麗等開發(fā)了基于STC12LE5608AD?的便攜式瓦斯檢測報警儀，這些測試方法具有可靠性低、準確性低和實時性差等特點，它們不能準確測量出煤礦有害氣體的濃度，特別是煤礦有害氣體的成分復雜，它們的形成過程復雜，因此采用單一的測量方法是不能夠有效地測量出有害氣體的濃度。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種基于無線傳感器的礦井環(huán)境有害氣體檢測系統(tǒng)，本發(fā)明通過研究現(xiàn)有煤礦有害氣體檢測技術準確性低和實時性差的難題，設計一種準確性高和實時性強的煤礦環(huán)境有害氣體檢測系統(tǒng)，該方法構造的檢測系統(tǒng)具有結構簡單、智能化程度高、準確性能好和實時性高等優(yōu)點；該檢測系統(tǒng)可以根據(jù)煤礦檢測點的實際狀況把進氣口均勻分布在被檢測煤礦的不同部位實現(xiàn)多點同時檢測煤礦有害氣體濃度的實際狀況，并確定礦井內每個被檢測點、檢測面或者整個礦井檢測環(huán)境有害氣體濃度的時空分布狀況。

實際生產中被檢測礦井環(huán)境面積比較大，有害氣體的分布狀況比較復雜，傳統(tǒng)的單獨檢測一個或者幾個點不能代表礦井環(huán)境有害氣體的實際狀況與變化趨勢。因此，本檢測系統(tǒng)根據(jù)礦井環(huán)境規(guī)模較大的實際狀況，開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡能夠多個檢測點的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個檢測單元和檢測中心計算機組成，檢測單元用于采集礦井環(huán)境檢測點的有害氣體參數(shù)，通過該檢測單元的無線通信接口上傳給檢測中心計算機，檢測中心計算機實現(xiàn)對礦井環(huán)境的有害氣體的參數(shù)進行處理，實現(xiàn)檢測點、檢測面和整個檢測環(huán)境有害氣體的等級進行判別等。

（1）檢測單元設計：檢測單元由有害氣體參數(shù)采集電路、氣路和通信接口單元組成，氣路和參數(shù)采集電路由礦井環(huán)境氣體進氣口、潔凈空氣進氣口、進氣電磁閥、排氣口、排氣電磁閥、風扇和傳感器陣列、溫濕度傳感器以及濾波電路、信號調理電路和MSP430單片機構成；通信部分由nRF2401通信模塊實現(xiàn)。（圖1）