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

本发明属于井下安全，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。

背景技术：

1、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。

2、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

1、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。

2、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。

3、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。

4、基于本发明的一个方面，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，

5、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；

6、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；

7、所述电源模块，为监测报警装置提供电源；

8、所述传感器模块，与微处理单元连接；

9、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。

10、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；

11、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：

12、

13、

14、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：

15、

16、根据公式，可以得到如下关于ppm计算的组合公式：

17、

18、

19、

20、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。

21、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。

22、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；

23、所述最小系统主要由晶振电路，复位电路，电源电路组成；

24、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；

25、所述视频监测模块采用esp32-cam；

26、所述通信模块采用无线传输单元lora模块；

27、所述定位模块采用uwb收发器模组；

28、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。

29、基于本发明的另一个方面，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：

30、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；

31、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

32、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；

33、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；

34、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；

35、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。

36、根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明的基于智能安全帽的井下气体浓度分布测量与预警方法中的步骤。

37、根据本发明的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明的基于智能安全帽的井下气体浓度分布测量与预警方法中的步骤。

38、相比于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：1.针对性强。当前煤炭灾害形式主要有：气体中毒、氧气不足导致窒息，瓦斯泄漏引起的爆炸和火灾、顶板冒落、突水引起的井巷塌方。因此，管理人员需要密切监测矿工周围的气体浓度和位置信息，当矿工遭遇危险时，可以第一时间进行救援，时刻保障矿工的生命安全，与市场上其他安全帽相比，本智能安全帽系统更能贴合矿井工作人员的需求。

39、2.便携式、一体化。现有的煤矿井下气体检测大多采用有线通信井下数据传输，存在检测范围受限、对线路依赖性强和布线繁琐等缺点，针对以上不足，本设计利用lora长距离无线通信进行数据传输，通信距离可达至上千米，并在传统的安全帽上集成了温湿度检测、气体浓度检测、工作人员定位、光声报警和语音视频等多种功能于一体，不仅携带方便，也更加有力保障矿工的生命安全。

40、3.实时报警。基于有限差分法获取矿井内气体浓度，并构建基于bp神经网络的矿井气体等级分布状况，分为安全，预警和危险状态，当危险气体浓度超标或者氧气浓度低于标准时，在上位机和下位机分别报警，提醒矿工及监护人员。

41、4.系统稳定性强、在线监测。电源方面，采用6000ma大容量锂电池供电，满足矿用智能长时间工作问题，软件方面，采用rt-thread实时操作系统，抢占式调度内核，多线程实时调度，具有较高的实时性和稳定性。设计配套的管理端后台界面，有助于管理者全方面了解矿井内部信息。