CN110062018A - 基于物联网的井下安全作业监测预警系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的井下安全作业监测预警系统及其控制方法，包括便携式井下作业环境监测预警终端、井口通信路由模块和PC/智能终端监测预警中心；所述的便携式井下作业环境监测预警终端和井口通信路由模块间通过蓝牙进行连接通信；所述PC/智能终端监测预警中心，可以通过GPRS与井口通信路由模块实现通信，采集与井口通信路由模块通信的便携式井下作业环境监测预警终端的实时数据，并对数据进行处理判断，发现异常及时发出预警信息；PC/智能终端监测预警中心包含PC端和智能终端；所述PC端上安装有PC监控预警软件；所述智能终端安装有智能终端APP；本发明能实现对井下实时工作环境参数和工作人员的工作状态进行实时监测，能发现异常时及时报警。

Description

基于物联网的井下安全作业监测预警系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种实现对井下实时工作环境参数和工作人员的工作状态进行实时监测，并能发现异常时及时报警的基于物联网的智能井下安全作业监测预警系统及控制方法。
背景技术
由于井下作业工作场合不同于地面，作业工作环境相对复杂，特别是一些城市地下窨井等场合。作业空间相对狭窄，还存在一定的安全隐患。同时，由于各类（窨）井等也相对分散，难以对作业面进行集中统一管理。不同井下的工作环境不尽相同，有些窨井下会存在一些影响工作安全的有毒有害气体，会严重影响作业人员的工作安全。现有的相关设备中，鲜有一种可以全方位的对井下特别是窨井这类特殊工作场合安全作业环境的监测及预警系统，通过物联网等技术手段，实现对井下工作情况和工人的安全状况的实时监测并对异常情况实施预警，可以大幅提高井下作业人员的工作安全。
为此，我们研发了一种实现对井下实时工作环境参数和工作人员的工作状态进行实时监测，并能发现异常时及时报警的基于物联网的智能井下安全作业监测预警系统及控制方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种实现对井下实时工作环境参数和工作人员的工作状态进行实时监测，并能发现异常时及时报警的基于物联网的智能井下安全作业监测预警系统及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于物联网的井下安全作业监测预警系统，包括便携式井下作业环境监测预警终端、井口通信路由模块和PC/智能终端监测预警中心；所述的便携式井下作业环境监测预警终端和井口通信路由模块间通过蓝牙进行连接通信；所述PC/智能终端监测预警中心，可以通过GPRS与井口通信路由模块实现通信，采集与井口通信路由模块通信的便携式井下作业环境监测预警终端的实时数据，并对数据进行处理判断，发现异常及时发出预警信息；PC/智能终端监测预警中心包含PC端和智能终端；所述PC端上安装有PC监控预警软件；所述智能终端安装有智能终端APP。
优选的，所述的便携式井下作业环境监测预警终端，包括控制器模块、环境综合采集传感模块、警示模块、控制输出模块、体征参数采集模块、显示模块、无线定位和通信模块和供电电源模块；所述的控制器模块由CC2640R2F控制芯片组成的控制电路组成，控制器模块分别与环境综合采集传感模块、警示模块、控制输出模块、体征参数采集模块、显示模块、无线定位和通信模块和供电电源模块相连接；所述的环境综合采集传感模块包括MQ-135空气污染检测单元、MQ-5 液化/天然气/煤气检测单元、MQ-7一氧化碳气体检测单元、ZE03氧气检测单元、HT01温湿度/CO2复合检测单元和MS5611气压检测单元，各单元通过专用IO分别与控制器模块相连接；所述的警示模块，包含高亮LED发光二极管、有源一体电磁式蜂鸣器和1027扁平式震动电机，分别通过IO控制方式与控制电路模块相连接；所述的控制输出模块为多个固态继电器控制输出接口，可以与通风、供氧、照明等设备实现控制连接，发现异常时启动应用设备工作，保障工作人员的安全；所述的控制输出模块通过IO接口与控制电路模块相连接。
优选的，所述的体征参数采集模块包括 WD3703 数字温度传感单元和MK0703脉搏检测单元组成，其中 WD3703 数字温度传感单元通过IO与控制电路模块相连接，MK0703脉搏检测单元通过UART接口与控制电路模块相连接。
优选的，所述的显示模块由OLED128*64显示屏组成，由其驱动控制芯片SSD1306通过IIC接口与控制电路模块相连接。
优选的，所述的无线定位和通信模块由控制电路模块CC2640R2F的蓝牙通信电路组成和实现。
优选的，所述的供电电源模块由3.7V/5.2Ah大容量可充电锂电池组成，采用控制电路模块和其它模块分开供电的方案，其中控制电路模块由RT9193电源变换电路实现供电；其它各个模块通过由PL5900电源变换电路实现供电；所述的供电电源模块设有可充电接口，通过外接电源实现充电。
优选的，所述的井口通信路由模块，包含STM8S207S8控制芯片、SIM868一体化模块、nRF52832蓝牙模块、LED指示灯组、编码开关和供电电源；所述的SIM868一体化模块通过UART1与STM8S207S8控制芯片相连接；所述的nRF52832蓝牙模块通过UART3与STM8S207S8控制芯片相连接；所述的LED指示灯组由5颗LED组成，为LED1~LED5，分别指示井口通信路由模块的工作状态、SIM868模块的定位功能/GPRS工作状态、nRF52832蓝牙模块工作状态以及终端连接工作状态，分别与STM8S207S8控制芯片的IO相连接。
优选的，所述的编码开关由两组旋转编码开关组成，实现对进口通信路由模块的地址编码，与STM8S207S8控制芯片通过IO连接。
优选的，所述的供电电源由DC7.4V/6.6Ah的锂电池组组成，锂电池组输出经XC9221降压变换后给STM8S207S8控制芯片和nRF52832蓝牙模块供电；锂电池组输出直接给SIM868一体化模块供电。
基于物联网的井下安全作业监测预警系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：通过配对实现便携式井下作业环境监测预警终端和井口通信路由模块通信连接；
S2：通过拨码开关设定井口通信路由模块的地址位置信息，并接收GPS定位数据信息；
S3：在终端监测预警中心设定配对井口路由模块地址信息，实现与井口通信路由模块的GPRS通信连接；
S4：监测预警中心通过井口通信路由模块转发的数据采集井下井下作业环境监测预警终端的各种数据信息及工作状态；
S5：监测预警中心对采集的数据进行分析如果超过设定的指标数值，发出预警指令，通知监控中心人员异常信息，及时到现场处理；
S6：现场便携式井下作业环境监测预警终端接收到指令或者发现环境参数超标，通过声光和振动模块发出报警，提示工作人员采取相应预防措施，并根据超标参数的不同发出不用的控制输出接口指令。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统及其控制方法能实现对井下实时工作环境参数和工作人员的工作状态进行实时监测，其采用GPS/蓝牙技术实现对工作人员的定位，通过GPRS远程通信实现与地面人员的智能终端或者PC监控中心实现远程联网，及时上传各种井下信息，发现异常时及时报警，通知地面人员及时处理，保障工作人员的作业安全，特别适合在窨井等场合推广应用。
附图说明
图1是本发明所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统的工作原理图；
图2是本发明所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统的便携式井下作业环境监测预警终端的原理框图；
图3是本发明所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统的井口通信路由模块的原理框图；
图4是本发明所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统的控制方法的流程图。
附图中各部件的标记如下：1、便携式井下作业环境监测预警终端；2、井口通信路由模块；3、PC/智能终端监测预警中心；11、控制器模块；12、环境综合采集传感模块；13、警示模块；14、控制输出模块；15、体征参数采集模块；16、显示模块；17、无线定位和通信模块；18、供电电源模块；21、STM8S207S8控制芯片；22、SIM868一体化模块；23、nRF52832蓝牙模块；24、LED指示灯组；25、编码开关；26、供电电源；31、PC端；32、智能终端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1-4，本发明实施例包括：
如附图1所示，本发明所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统，包括便携式井下作业环境监测预警终端1、井口通信路由模块2和PC/智能终端监测预警中心3。
如附图2所示，本发明所述的便携式井下作业环境监测预警终端1包括控制器模块11、环境综合采集传感模块12、警示模块13、控制输出模块14、体征参数采集模块15、显示模块16、无线定位和通信模块17和供电电源模块18。所述的控制器模块11由CC2640R2F控制芯片组成的控制电路组成，控制器模块11分别与环境综合采集传感模块12、警示模块13、控制输出模块14、体征参数采集模块15、显示模块16、无线定位和通信模块17和供电电源模块18相连接。
所述的环境综合采集传感模块12包括MQ-135空气污染检测单元、MQ-5 液化/天然气/煤气检测单元、MQ-7一氧化碳气体检测单元、ZE03氧气检测单元、HT01温湿度/CO2复合检测单元和MS5611气压检测单元，各单元通过专用IO分别与控制器模块11相连接。
所述的警示模块13，包含高亮LED发光二极管、有源一体电磁式蜂鸣器和1027扁平式震动电机，分别通过IO控制方式与控制电路模块11相连接。
所述的控制输出模块14为多个固态继电器控制输出接口，可以与通风、供氧、照明等设备实现控制连接，发现异常时启动应用设备工作，保障工作人员的安全；所述的控制输出模块14通过IO接口与控制电路模块11相连接。
所述的体征参数采集模块15包括 WD3703 数字温度传感单元和MK0703脉搏检测单元组成，其中 WD3703 数字温度传感单元通过IO与控制电路模块11相连接，MK0703脉搏检测单元通过UART接口与控制电路模块11相连接。
所述的显示模块16由OLED128*64显示屏组成，由其驱动控制芯片SSD1306 通过IIC接口与控制电路模块11相连接。
所述的无线定位和通信模块17由控制电路模块11CC2640R2F的蓝牙通信电路组成和实现。
所述的供电电源模块18由3.7V/5.2Ah大容量可充电锂电池组成，采用控制电路模块11和其它模块分开供电的方案，其中控制电路模块11由RT9193电源变换电路实现供电；其它各个模块通过由PL5900电源变换电路实现供电；所述的供电电源模块18设有可充电接口，通过外接电源实现充电。
如附图3所示，所述的井口通信路由模块2，包含STM8S207S8控制芯片21、SIM868一体化模块22、nRF52832蓝牙模块23、LED指示灯组24、编码开关25和供电电源26。所述的SIM868一体化模块22通过UART1与STM8S207S8控制芯片21相连接；所述的nRF52832蓝牙模块3通过UART3与STM8S207S8控制芯片21相连接；所述的LED指示灯组24由5颗LED组成，为LED1~LED5，分别指示井口通信路由模块2的工作状态、SIM868模块22的定位功能/GPRS工作状态、nRF52832蓝牙模块23工作状态以及终端连接工作状态，分别与STM8S207S8控制芯片21的IO相连接。
所述的编码开关25由两组16旋转编码开关组成，实现对进口通信路由模块的地址编码，与STM8S207S8控制芯片21通过IO连接。
所述的供电电源26由DC7.4V/6.6Ah的锂电池组组成，锂电池组输出经XC9221降压变换后给STM8S207S8控制芯片21和nRF52832蓝牙模块23供电；锂电池组输出直接给SIM868一体化模块22供电。
所述的便携式井下作业环境监测预警终端1和井口通信路由模块2间通过蓝牙进行连接通信。
所述PC/智能终端监测预警中心3，可以通过GPRS与井口通信路由模块2实现通信，采集与井口通信路由模块2通信的便携式井下作业环境监测预警终端1的实时数据，并对数据进行处理判断，发现异常及时发出预警信息；PC/智能终端监测预警中心3包含PC端31和智能终端32；所述PC端31上安装有PC监控预警软件；所述智能终端32安装有智能终端APP。
如附图4所示，本发明所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：通过配对实现便携式井下作业环境监测预警终端和井口通信路由模块通信连接；
S2：通过拨码开关设定井口通信路由模块的地址位置信息，并接收GPS定位数据信息；
S3：在终端监测预警中心设定配对井口路由模块地址信息，实现与井口通信路由模块的GPRS通信连接；
S4：监测预警中心通过井口通信路由模块转发的数据采集井下井下作业环境监测预警终端的各种数据信息及工作状态；
S5：监测预警中心对采集的数据进行分析如果超过设定的指标数值，发出预警指令，通知监控中心人员异常信息，及时到现场处理；
S6：现场便携式井下作业环境监测预警终端接收到指令或者发现环境参数超标，通过声光和振动模块发出报警，提示工作人员采取相应预防措施，并根据超标参数的不同发出不用的控制输出接口指令。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统及其控制方法能实现对井下实时工作环境参数和工作人员的工作状态进行实时监测，其采用GPS/蓝牙技术实现对工作人员的定位，通过GPRS远程通信实现与地面人员的智能终端或者PC监控中心实现远程联网，及时上传各种井下信息，发现异常时及时报警，通知地面人员及时处理，保障工作人员的作业安全，特别适合在窨井等场合推广应用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于物联网的井下安全作业监测预警系统，其特征在于，包括便携式井下作业环境监测预警终端、井口通信路由模块和PC/智能终端监测预警中心；所述的便携式井下作业环境监测预警终端和井口通信路由模块间通过蓝牙进行连接通信；所述PC/智能终端监测预警中心，可以通过GPRS与井口通信路由模块实现通信，采集与井口通信路由模块通信的便携式井下作业环境监测预警终端的实时数据，并对数据进行处理判断，发现异常及时发出预警信息；PC/智能终端监测预警中心包含PC端和智能终端；所述PC端上安装有PC监控预警软件；所述智能终端安装有智能终端APP。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统，其特征在于：所述的便携式井下作业环境监测预警终端，包括控制器模块、环境综合采集传感模块、警示模块、控制输出模块、体征参数采集模块、显示模块、无线定位和通信模块和供电电源模块；所述的控制器模块由CC2640R2F控制芯片组成的控制电路组成，控制器模块分别与环境综合采集传感模块、警示模块、控制输出模块、体征参数采集模块、显示模块、无线定位和通信模块和供电电源模块相连接；所述的环境综合采集传感模块包括MQ-135空气污染检测单元、MQ-5 液化/天然气/煤气检测单元、MQ-7一氧化碳气体检测单元、ZE03氧气检测单元、HT01温湿度/CO2复合检测单元和MS5611气压检测单元，各单元通过专用IO分别与控制器模块相连接；所述的警示模块，包含高亮LED发光二极管、有源一体电磁式蜂鸣器和1027扁平式震动电机，分别通过IO控制方式与控制电路模块相连接；所述的控制输出模块为多个固态继电器控制输出接口，可以与通风、供氧、照明等设备实现控制连接，发现异常时启动应用设备工作，保障工作人员的安全；所述的控制输出模块通过IO接口与控制电路模块相连接。
3.根据权利要求2所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统，其特征在于：所述的体征参数采集模块包括 WD3703 数字温度传感单元和MK0703脉搏检测单元组成，其中WD3703 数字温度传感单元通过IO与控制电路模块相连接，MK0703脉搏检测单元通过UART接口与控制电路模块相连接。
4.根据权利要求2所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统，其特征在于：所述的显示模块由OLED128*64显示屏组成，由其驱动控制芯片SSD1306 通过IIC接口与控制电路模块相连接。
5.根据权利要求2所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统，其特征在于：所述的无线定位和通信模块由控制电路模块CC2640R2F的蓝牙通信电路组成和实现。
6.根据权利要求2所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统，其特征在于：所述的供电电源模块由3.7V/5.2Ah大容量可充电锂电池组成，采用控制电路模块和其它模块分开供电的方案，其中控制电路模块由RT9193电源变换电路实现供电；其它各个模块通过由PL5900电源变换电路实现供电；所述的供电电源模块设有可充电接口，通过外接电源实现充电。
7.根据权利要求1所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统，其特征在于：所述的井口通信路由模块，包含STM8S207S8控制芯片、SIM868一体化模块、nRF52832蓝牙模块、LED指示灯组、编码开关和供电电源；所述的SIM868一体化模块通过UART1与STM8S207S8控制芯片相连接；所述的nRF52832蓝牙模块通过UART3与STM8S207S8控制芯片相连接；所述的LED指示灯组由5颗LED组成，为LED1~LED5，分别指示井口通信路由模块的工作状态、SIM868模块的定位功能/GPRS工作状态、nRF52832蓝牙模块工作状态以及终端连接工作状态，分别与STM8S207S8控制芯片的IO相连接。
8.根据权利要求7所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统，其特征在于：所述的编码开关由两组旋转编码开关组成，实现对进口通信路由模块的地址编码，与STM8S207S8控制芯片通过IO连接。
9.根据权利要求7所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统，其特征在于：所述的供电电源由DC7.4V/6.6Ah的锂电池组组成，锂电池组输出经XC9221降压变换后给STM8S207S8控制芯片和nRF52832蓝牙模块供电；锂电池组输出直接给SIM868一体化模块供电。
10.采用权利要求1-9中的任一所述的基于物联网的井下安全作业监测预警系统的控制方法，其特征在于，包括：
基于物联网的井下安全作业监测预警系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：通过配对实现便携式井下作业环境监测预警终端和井口通信路由模块通信连接；
S2：通过拨码开关设定井口通信路由模块的地址位置信息，并接收GPS定位数据信息；
S3：在终端监测预警中心设定配对井口路由模块地址信息，实现与井口通信路由模块的GPRS通信连接；
S4：监测预警中心通过井口通信路由模块转发的数据采集井下井下作业环境监测预警终端的各种数据信息及工作状态；
S5：监测预警中心对采集的数据进行分析如果超过设定的指标数值，发出预警指令，通知监控中心人员异常信息，及时到现场处理；
S6：现场便携式井下作业环境监测预警终端接收到指令或者发现环境参数超标，通过声光和振动模块发出报警，提示工作人员采取相应预防措施，并根据超标参数的不同发出不用的控制输出接口指令。
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