CN102323379A - 便携式无线井下气体检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种便携式无线井下气体检测仪，包括：传感器，用于感应井下气体的含量并产生相应的测量值；加速度计，用于获取当前时刻的加速度值；处理单元，与传感器和加速度计相连，用于比较测量值与预设值，并根据比较结果执行相应的操作，和根据加速度值计算当前位置信息；无线发射器与无线接收器，与处理单元相连，用于对处理单元与外围设备进行无线通信。电源，用于对与电源相连的传感器、加速度计、处理单元和无线发射器与无线接收器供电。根据该井下气体检测仪，可动态监测井下煤矿的各类危险气体并可提前预测和发现井下灾害，从而保障了井下人员的人身安全。另外，还可精确定位到当前位置，大大提高人身安全。

Description

便携式无线井下气体检测仪

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种便携式无线井下气体检测仪。

背景技术

随着社会的不断发展，人们对资源的需求量不断增加，尤其对煤矿等资源的需求量越来越大，致使更多的煤矿被很大程度的开发，这样，就需要更多的煤矿工人在煤矿井下进行工作。在煤矿不断开采的过程中，煤矿井下的有害气体往往不能及时地排除，从而引发爆炸等安全事故，同时一氧化碳、硫化氢等有毒气体还给煤矿工人的人身安全带来隐患。

因此，需要对煤矿井下的有害气体进行监控，以便保证煤矿工人的人身安全，保障煤矿安全生产。传统的移动式测量煤矿井下有害气体的方法通常采用人工的方法，由测量人员携带便携式测量装置进入矿井，在需要测量的地方启动装置，手工记录数据，然后测量人员返回井上时再进行相应的处理。这样不仅浪费大量人力，而且无法做到实时测量、存在较长时间的测量和报警之间的延时，不能及时有效的发现、上报和处理安全隐患。不仅如此，人为的检测方法也不能做到及时地对某特定位置进行有害气体监控，带来无法预知的安全隐患。另外一种固定式测量煤矿井下有害气体的方法为通过设置在相应位置的有线固定设备将采集的信号发送到煤矿井上的处理设备中，但是在发生安全事故以后，很容易造成有线的中断，使信号不能到达地面控制中心，同时监测区域及其有线，给煤矿安全带来隐患。

此外，一旦煤矿坍塌，现有的监控装置很难准确的判断出煤矿井中的煤矿工人的确切位置，因此不能及时对煤矿工人进行抢救，造成不可想象的灾难。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种便携式无线井下气体检测仪，该便携式无线井下气体检测仪对井下气体含量的检测时间短，检测精度高，并通过无线方式将检测信号发送给外围设备，可靠性高。

为实现上述目的，本发明提出的便携式无线井下气体检测仪，包括：传感器，所述传感器用于感应井下气体的含量并产生相应的测量值；加速度计，所述加速度计用于获取当前时刻的加速度值；处理单元，所述处理单元与所述传感器和所述加速度计相连，用于比较所述测量值与预设值，并根据比较结果执行相应的操作，和根据所述加速度值、以及与预设的至少两个无线路由节点之间的无线信号强度变化量计算当前位置信息。无线发射器与无线接收器，所述无线发射器与无线接收器与所述处理单元相连，用于对所述处理单元与外围设备进行无线通信。电源，所述电源用于对与所述电源相连的传感器、所述加速度计、所述处理单元和所述无线发射器与无线接收器供电。

根据本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪，传感器把感应到的气体的含量值发送给处理单元处理，处理单元根据该含量值与预定的含量值之间进行相应的比较，从而判断出气体含量是否超标，并通过无线发射器与无线接收器将该测量结果发送给外围设备。从而及时地判断出气体的含量是否超标，及时做出相应的处理，保证了煤矿采掘和人身的安全。此外，通过加速度计将加速度值发送给处理单元进行处理，可以测量当前位置的确切位置信息，具有定位准确的优点。这样，在预测和抢险过程中，可以准确定位到井下人员的所在位置，从而大大提高人身安全。

另外，根据本发明的便携式无线井下气体检测仪还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述处理单元用于根据所述预设的至少两个无线路由节点的位置信息、以及所述处理单元通过上述无线路由节点的其中之一时的无线信号强度变化峰值计算基准位置，并根据从所述基准位置开始的加速度计的测量值的时间积分计算所述当前位置相对于通过的无线路由节点间的距离，并根据所述预设的至少两个无线路由节点的位置信息、以及与另一无线路由节点之间的无线信号强度变化量计算所述当前位置相对于所述另一无线路由节点之间的距离。

在本发明的一个实施例中，所述无线发射器与无线接收器通过Zigbee、WiFi或蓝牙的无线方式与外界进行无线通信。

在本发明的一个实施例中，所述的便携式无线井下气体检测仪还包括：射频放大器，所述射频放大器用于将所述无线发射器与无线接收器的发射与接收信号进行放大；天线，所述天线用于提高所述无线发射器与无线接收器的发射与接收信号的强度。

在本发明的一个实施例中，所述的便携式无线井下气体检测仪还包括：A/D转换器，所述A/D转换器的一端与所述传感器相连而另一端与所述处理单元相连，用于将所述测量值与数字信号进行相互转换。

在本发明的一个实施例中，所述加速度计为三轴加速度计。

在本发明的一个实施例中，所述传感器包括：瓦斯传感器、一氧化碳传感器和硫化氢传感器的至少之一。

在本发明的一个实施例中，所述的便携式无线井下气体检测仪还包括：显示装置，所述显示装置用于显示瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的至少之一的百分比含量；报警器，所述报警器与所述处理单元相连，所述报警器用于根据所述处理单元对当前瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的至少之一的百分比含量与瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的至少之一的预设百分比含量的比较结果进行报警。

在本发明的一个实施例中，所述的便携式无线井下气体检测仪还包括：存储单元，所述存储单元与所述处理单元相连以存储由处理单元处理后的数据。

在本发明的一个实施例中，所述的便携式无线井下气体检测仪还包括：电源管理器，所述电源管理器用于对所述电源进行充放电管理及过载防护。

在本发明的一个实施例中，所述显示装置为数码管，所述报警器为扬声器、发光二极管，蜂鸣器或震动器。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪的结构图；

图2为本发明实施例的气体检测的流程图；

图3为本发明实施例的定位过程的流程图；以及

图4为应用本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪的一个定位过程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图1-3描述根据本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪。

如图1所示，为本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪的结构图。根据本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪，包括：传感器110、加速度计190、处理单元130、无线发射器151与无线接收器152和电源160。

其中，所述传感器110用于感应井下气体的含量并产生相应的测量值。所述加速度计190用于获取当前时刻的加速度值。所述处理单元130与所述传感器110和所述加速度计190相连，用于比较所述测量值与预设值，并根据比较结果执行相应的操作，和根据所述加速度值、以及与预设的至少两个无线路由节点之间的无线信号强度变化量计算当前位置信息。所述无线发射器151与无线接收器152与所述处理单元130相连，用于使所述处理单元130与外围设备进行无线通信。所述电源160用于对与所述电源160相连的传感器110、所述加速度计190、所述处理单元130和所述无线发射器151与无线接收器152供电。

如图2所示，为本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪的检测流程图。

结合图1，作为一个具体的例子，首先，该便携式无线井下气体检测仪进行自检初始化，然后传感器110在预定的时间周期开始进行感应气体，例如可以为瓦斯。传感器110的感应过程需要一定的延迟，随后传感器110将这一次的检测结果经过数字转换后发送给处理单元130。为了使传感器110的感应更为准确，在本发明的一个实施例中，可以连续感应5次，并把5次的检测结果分别经数字转换后发送给处理单元130，处理单元130对5次检测结果取平均值，这样提高了检测精度。最后经处理单元130处理后，通过无线发射器151将检测结果通过ZigBee无线方式发送给外围设备。

在本发明的另一实施例中，如图3所示，为应用本发明的定位过程流程图。

具体而言，首先预先设置至少两个间隔开的第一无线路由节点和第二无线路由节点，并测量得到所述第一无线路由节点和第二无线路由节点的位置信息。

结合图4，在本发明的一个实施例中，例如可以根据测量和实际情况，布局好固定的路由节点R1到Rn(n为大于1的整数，表示第n个路由节点)，节点之间的相对位置通过安装时的详细测量给出，并绘制相应的路由节点布局图，这样，可以确定路由节点R1到Rn的准确位置信息。

接着，处理单元130判断处理单元的当前位置在所述第一无线路由节点和第二无线路由节点的连线方向上是否通过所述第一无线路由节点和第二无线路由节点的至少一个。

作为一个具体的例子，如图4所示，例如当前位置Tn经过每个路由节点Rx时(x为1到n之间的整数)，当前位置Tn到路由节点Rx的信号强度达到最大值，而Tn到其余R的信号强度为较小值，且不是峰值。此时判断Tn的位置为当前所在的Rx，例如图4所示的路由节点R1。这样，可以判断出当前位置Tn必然通过至少一个路由节点。

最后，处理单元130判断出如果其所在当前位置通过所述第一无线路由节点和第二无线路由节点的至少一个，则根据所述预设的至少两个无线路由节点的位置信息、以及所述处理单元130通过上述无线路由节点的其中之一时的无线信号强度变化峰值计算基准位置，并根据从所述基准位置开始的加速度计190的测量值的时间积分计算所述当前位置相对于通过的无线路由节点间的距离，并根据所述预设的至少两个无线路由节点的位置信息、以及与另一无线路由节点之间的无线信号强度变化量计算所述当前位置相对于所述另一无线路由节点之间的距离。

具体而言，再次结合图4，首先当前位置Tn从一个已知的Rx(如R1)到另一个已知的R(如R2)，当前位置Tn在此过程中以R1为基准点，然后对该当前位置Tn相对于该基准点R1的加速度值进行积分得到该当前位置Tn此时与R1的相对位移，并把数据发给R1。然后R1进一步计算得到Tn的具体位置，并逐级发送到外围设备中，从而最终得到当前位置Tn的精确位置。

当前位置Tn通过R2时，则将之前的加速度计190的加速度值清零，并以R2为基准点，重复上述操作。进而得到任意时刻的Tn的精确位置。

根据本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪，传感器把感应到的气体(如瓦斯、一氧化碳和硫化氢)的含量值发送给处理单元处理，处理单元根据该含量值与预定的含量值之间进行相应的比较，从而判断出气体含量是否超标，并通过无线发射器与无线接收器将该测量结果发送给外围设备。从而及时地判断出气体的含量是否超标，及时做出相应的处理，保证了煤矿采掘和人身的安全。此外，通过加速度计将加速度值发送给处理单元进行处理，可以测量当前位置的确切位置信息，具有定位准确的优点。这样，在预测和抢险过程中，可以准确定位到井下人员的所在位置，从而大大提高人身安全。

结合图1，在本发明的一些示例中，例如无线发射器151与无线接收器152可以通过Zigbee、WiFi或蓝牙等无线通信方式与外围设备进行无线通信。在本发明的一个优选实施例中，例如采用Zigbee无线方式，Zigbee无线通信协议具有低功耗的特点，由此提高电池160的使用寿命。此外，Zigbee无线网络具有成本低、短时延、高容量和高安全的优点，由此，提高近距离无线传输的可靠性与安全性。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，该便携式无线井下气体检测仪例如还包括射频放大器170和天线180。

射频放大器170用于将无线发射器151与无线接收器152的发射与接收到的信号进行放大，由此，起到提高信号强度的功能。天线180用于提高无线发射器151与无线接收器152的发射与接收信号的强度，这样，提高了发射与接收的可靠性。

本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪还具有定位功能，作为一个具体的例子，例如该便携式无线井下气体检测仪还包括加速度计190。该加速度计190与处理单元130相连，该加速度计190用于获取当前时刻的加速度值并把加速度值发送给处理单元。优选地，例如加速度计可为三轴加速度计。

有利地，该处理单元130还用于根据当前时刻的加速度值计算当前时刻的位置与预设位置之间的距离值。

在本发明的一个实施例中，例如该便携式无线井下气体检测仪还包括A/D转换器120，所述A/D转换器120的一端与所述传感器110相连而另一端与所述处理单元130相连，用于将所述测量值与数字信号进行相互转换。此外，例如还可包括存储单元140，所述存储单元140与所述处理单元130相连以存储由处理单元处理后的数据.

如图3所示，为本发明实施例的加速度计的工作流程图。

具体而言，结合图1与图3，加速度计190首先采集当前时刻的加速度值和当前时刻值，然后对加速度值进行滤波，以得到更为精确地加速度值，随后加速度计190根据预先定位好的位置，通过与该预先定位好的位置之间的加速度值和时刻值同时发送给处理单元130中，处理单元根据加速度值和时刻值计算得到当前位置与预先定位好的位置之间的距离。

需要注意的是，预先定位好的位置可为多个，这样，在每次计算加速度值时首先判断当前位置相对于哪个预先定位好的位置，这样，计算得到的距离为当前位置相对于这一个预先定位好的位置的距离。

在本发明的一个实施例中，例如传感器110可以包括瓦斯传感器、一氧化碳传感器和硫化氢传感器的一个或者多个。这样，该传感器110可以同时检测瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的一种或几种的含量值。

如表1所示，为本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪检测指标范围。

技术指标内容	本项目产品技术指标
		瓦斯测量范围	0～4％
瓦斯测量相对误差	2％(相对)
		一氧化碳测量范围	0～2000
一氧化碳测量相对误差	2.5％(相对)
		硫化氢测量范围	0～200ppm
硫化氢测量误差	2.5％(相对)
		温度测量范围	-55～125℃
响应时间	10s～30s
		数据传输方式	无线
数据传输速率	10k～1M bps可调
		人员定位精度	1～5m
工作电压	2.7～5V
		功耗	0.9W
重量	0.1kg
		体积	80×40×30(mm)

表1

根据本发明的一个实施例，该便携式无线井下气体检测仪例如还包括2显示装置200和报警器210。

显示装置200用于显示瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的至少之一的百分比含量。在本发明的一个实施例中，例如显示装置可以为数码管，所述报警器为扬声器、发光二极管，蜂鸣器或震动器等。由此，可以方便用户观察当前气体的含量是否超标。

报警器210与处理单元130相连，用于根据处理单元130对当前瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的至少之一的百分比含量与瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的至少之一的预设百分比含量的比较结果进行报警。这样，提高安全性。

在本发明的一个实施例中，该便携式无线井下气体检测仪例如还包括电源管理器220，该电源管理器220用于对电源160进行充放电管理及过载防护。由此，防止电源160的损害，同时提高电源的使用寿命。

根据本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪，传感器110把感应到的气体(如瓦斯、一氧化碳和硫化氢)的含量值通过A/D转换器120转换后发送给处理单元130进行处理，处理单元130根据该含量值与预定的含量值之间进行相应的比较，从而判断出该气体的含量是否超标，接着将检测结果存储到存储单元140中，并通过无线发射器151与无线接收器152对存储单元140中的数据进行存取，并与外围设备进行数据传输。从而及时地判断出该气体的含量是否超标，及时做出相应的处理，保证了人身安全。另外，本发明实施例的便携式无线井下气体检测仪通过加速度计190能够计算当前位置的精确信息，这样，更为保证了人身安全。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，包括：

传感器，所述传感器用于感应井下气体的含量并产生相应的测量值；

加速度计，所述加速度计用于获取当前时刻的加速度值；

处理单元，所述处理单元与所述传感器和所述加速度计相连，用于比较所述测量值与预设值，并根据比较结果执行相应的操作，和根据所述加速度值、以及与预设的至少两个无线路由节点之间的无线信号强度变化量计算当前位置信息；

无线发射器与无线接收器，所述无线发射器与无线接收器与所述处理单元相连，用于对所述处理单元与外围设备进行无线通信；和

电源，所述电源用于对与所述电源相连的传感器、所述加速度计、所述处理单元和所述无线发射器与无线接收器供电。

2.根据权利要求1所述的便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，所述处理单元用于根据所述预设的至少两个无线路由节点的位置信息、以及所述处理单元通过所述无线路由节点的其中之一时的无线信号强度变化峰值计算基准位置，并根据从所述基准位置开始的加速度计的测量值的时间积分计算所述当前位置相对于通过的无线路由节点间的距离，并根据所述预设的至少两个无线路由节点的位置信息、以及与另一无线路由节点之间的无线信号强度变化量计算所述当前位置相对于所述另一无线路由节点之间的距离。

3.根据权利要求1所述的便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，所述无线发射器与无线接收器通过Zigbee、WiFi或蓝牙的无线方式与外界进行无线通信。

4.根据权利要求1所述的便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，还包括：

射频放大器，所述射频放大器用于将所述无线发射器与无线接收器的发射与接收信号进行放大；

天线，所述天线用于提高所述无线发射器与无线接收器的发射与接收信号的强度。

5.根据权利要求1所述的便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，还包括：

A/D转换器，所述A/D转换器的一端与所述传感器相连而另一端与所述处理单元相连，用于将所述测量值与数字信号进行相互转换。

6.根据权利要求5所述的便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，所述加速度计为三轴加速度计。

7.根据权利要求6所述的便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，所述传感器包括：

瓦斯传感器、一氧化碳传感器和硫化氢传感器的至少之一。

8.根据权利要求7所述的便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，还包括：

显示装置，所述显示装置用于显示瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的至少之一的百分比含量；

报警器，所述报警器与所述处理单元相连，所述报警器用于根据所述处理单元对当前瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的至少之一的百分比含量与瓦斯、一氧化碳和硫化氢气体的至少之一的预设百分比含量的比较结果进行报警。

9.根据权利要求1所述的便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，还包括：

存储单元，所述存储单元与所述处理单元相连以存储由处理单元处理后的数据。

10.根据权利要求1所述的便携式无线井下气体检测仪，其特征在于，还包括：

电源管理器，所述电源管理器用于对所述电源进行充放电管理及过载防护。

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