基于智能安全帽的井下气体浓度分布测量与预警系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于智能安全帽的井下气体浓度分布测量与预警系统和方法

【技术实现步骤摘要】
基于智能安全帽的井下气体浓度分布测量与预警系统和方法


[0001]本专利技术属于井下安全
，更具体地说，涉及一种基于智能安全帽的井下气体浓度分布测量与预警系统和方法
。

技术介绍

[0002]在矿业作业过程中，气体浓度的分布是一个非常重要的问题
。
井下环境通常存在着多种有害气体，如甲烷
、
硫化氢等，而这些气体的浓度超过一定的安全范围时，可能会引发矿工中毒
、
窒息等严重危险
。
因此，准确监测和预警井下气体浓度的变化是保障矿工安全的关键
。
[0003]目前，传统的气体浓度监测方法主要依赖于固定式气体检测仪器，这些仪器需要安装在井下的固定位置，无法提供实时
、
移动式的监测
。

技术实现思路

[0004]智能安全帽配备了传感器和预警装置，可通过穿戴在矿工头部的方式，实时监测气体浓度并提供预警信息，从而及时提醒矿工采取相应的安全措施
。
[0005]基于矿用智能安全帽的井下气体浓度分布与预警方法主要包括以下几个关键技术：首先，选择合适的气体传感器，并将其嵌入智能安全帽中，以确保传感器能够准确
、
稳定地采集气体浓度信息
。
其次，通过传感器采集到的数据传输到计算设备，进行数据处理和分析，以判断气体浓度是否达到预警值
。
然后，设计合理有效的预警算法，这可以涉及到阈值的设定
、
基于历史数据的趋势分析/>、
机器学习等技术手段
。
最后，根据预警算法的结果，通过智能安全帽上的报警装置
(
如蜂鸣器
、
震动装置或者显示屏
)
，向矿工传递预警信息，以便矿工采取相应的防护措施
。
[0006]矿用智能安全帽的出现，为井下气体浓度分布与预警方法带来了全新的解决方案
。
通过将传感器
、
数据处理
、
预警算法和报警装置集成在智能安全帽中，可以实现实时
、
移动式的井下气体浓度监测和预警，提高矿工的安全水平
。
[0007]基于本专利技术的一个方面，一种基于智能安全帽的井下气体浓度分布测量与预警系统，
[0008]所述系统包括安全帽本体，所述安全帽本体上设有监测报警装置；
[0009]所述监测报警装置包括传感器模块
、
定位模块
、
语音提示模块
、
视频监测模块
、
通信模块
、
微处理单元和电源模块；
[0010]所述电源模块，为监测报警装置提供电源；
[0011]所述传感器模块，与微处理单元连接；
[0012]所述定位模块
、
语音提示模块
、
视频监测模块和通信模块均分别与微处理单元连接
。
[0013]进一步的，所述传感器模块包括温湿度传感器
、
一氧化碳传感器
、
甲烷传感器
、
硫化氢传感器和氧气浓度传感器；
[0014]所述温湿度传感器选用了
SHT30
，
SHT30
采用
IIC
总线进行通讯，获取数据命令将提供相同的数据，直到新的测量更新湿度和温度值；收到的数据中前
16
位为温度数据，后
16
位为湿度数据；将数据传输到单片机中进行公式计算，便可得出具体的温度和湿度，公式如下：
[0015][0016][0017]进一步的，所述一氧化碳传感器采用了
MQ
‑7气体传感器；传感器表面电阻
RS
，通过与其串联的负载电阻
RL
上的有效电压信号
VRL
输出而获得，二者之间的关系为：
[0018][0019]根据公式，可以得到如下关于
PPM
计算的组合公式：
[0020][0021][0022][0023]通过公式3便可以将
MQ
‑7输入的电压值转换为实际的物理量
。
[0024]进一步的，所述甲烷传感器采用了
MQ
‑4可燃气体传感器；所述硫化氢浓度传感器采用了
GT
‑
203H2S
传感器；所述氧气浓度传感器采用了智能型气体检测模组，模组内置高精度电化学传感器，通过电路将气体浓度信号输出为需要的数字信号
。
[0025]进一步的，所述微处理单元采用
STM32G431RBT6
开发平台及其外围电路组成的最小系统；
[0026]所述最小系统主要由晶振电路，复位电路，电源电路组成；
[0027]所述语音模块采用
SYN6288
，所述
SYN6288
语音合成芯片通过
UART
接口方式与微处理单元连接；控制器可通过通讯接口向
SYN6288
语音合成芯片发送控制命令和文本，
SYN6288
语音合成芯片把接收到的文本合成为语音信号输出，输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放；
[0028]所述视频监测模块采用
ESP32
‑
CAM
；
[0029]所述通信模块采用无线传输单元
LORA
模块；
[0030]所述定位模块采用
UWB
收发器模组；
[0031]进一步的，所述系统还包括远程监控系统上位机，用于显示下位机头盔收集到的矿井内部的温湿度，气体浓度
、
位置信息，对安全等级和内部情况等参数进行实时监控
。
[0032]基于本专利技术的另一个方面，一种基于智能安全帽的井下气体浓度分布测量与预警方法，包括如下步骤：
[0033]S1.
确定计算区域的网格：将矿井区域划分为有限个网格，并确定网格之间的尺寸和距离；
[0034]S2.
建立气体扩散方程：根据气体的传播规律，建立气体扩散方程
[0035]S3.
离散化气体扩散方程：将气体扩散方程转化为离散的形式，使用有限差分法将偏导数离散化，将连续的方程转化为网格上的差分方程；
[0036]S4.
确定边界条件：根据矿井的边界条件，确定边界网格上的气体浓度值；
[0037]S5.
迭代求解：使用迭代方法，从初始条件开始，根据差分方程逐步更新网格上的气体浓度值，直到满足收敛条件为止；
[0038]S6.
结果分析：根据迭代求解得到的网格上的气体浓度值，生成气体浓度分布的图像或等值线图，分析和评估矿井内气体浓度的分布情况
。
[0039]根据本专利技术的另一方面，提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于智能安全帽的井下气体浓度分布测量与预警系统，其特征在于，所述系统包括安全帽本体，所述安全帽本体上设有监测报警装置；所述监测报警装置包括传感器模块
、
定位模块
、
语音提示模块
、
视频监测模块
、
通信模块
、
微处理单元和电源模块；所述电源模块，为监测报警装置提供电源；所述传感器模块，与微处理单元连接；所述定位模块
、
语音提示模块
、
视频监测模块和通信模块均分别与微处理单元连接
。2.
根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器模块包括温湿度传感器
、
一氧化碳传感器
、
甲烷传感器
、
硫化氢传感器和氧气浓度传感器；所述温湿度传感器选用了
SHT30
，
SHT30
采用
IIC
总线进行通讯，获取数据命令将提供相同的数据，直到新的测量更新湿度和温度值；收到的数据中前
16
位为温度数据，后
16
位为湿度数据；将数据传输到单片机中进行公式计算，便可得出具体的温度和湿度，公式如下：度数据；将数据传输到单片机中进行公式计算，便可得出具体的温度和湿度，公式如下：
3.
根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述一氧化碳传感器采用了
MQ
‑7气体传感器；传感器表面电阻
RS
，通过与其串联的负载电阻
RL
上的有效电压信号
VRL
输出而获得，二者之间的关系为：根据公式，可以得到如下关于
PPM
计算的组合公式：计算的组合公式：计算的组合公式：通过公式3便可以将
MQ
‑7输入的电压值转换为实际的物理量
。4.
根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述甲烷传感器采用了
MQ
‑4可燃气体传感器；所述硫化氢浓度传感器采用了
GT
‑
203H2S
传感器；所述氧气浓度传感器采用了智能型气体检测模组，模组内置高精度电化学传感器，通过电路将气体浓度信号输出为需要的数字信号
。5.
根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微处理单元采用
STM32G431RBT6

【专利技术属性】
技术研发人员：曹越洋，顾芳，周家涛，陆春玲，张加宏，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：