CN102394906A - 一种瓦斯检测方法和瓦斯检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瓦斯检测方法，旨在提供一种扩展性能好、灵活性强的瓦斯检测方法，其包括：瓦斯检测仪采集瓦斯数据，并通过Zigbee无线传输方式向基站传输采集的瓦斯数据；基站接收所述采集的瓦斯数据并将其上报到井上服务器。本发明还公开了一种采用上述方法的瓦斯检测系统。本发明可用于煤矿等矿井的井下瓦斯检测。

Description

一种瓦斯检测方法和瓦斯检测系统

技术领域

本发明涉及矿井的瓦斯检测，尤其是涉及一种灵活性好的瓦斯检测方法和瓦斯检测系统。 

背景技术

矿井开采作为安全事故频发的重工业，对安全监督管理系统的要求很高。瓦斯爆炸严重威胁着矿工的生命和国家财产的安全。现有的煤矿瓦斯检测系统以工业总线为基础，构成有线的通信传输网络。但是伴随着煤矿开采速度的加快，有线网络不可避免地暴露出来扩展性能差，灵活性不足等问题。 

发明内容

本发明为了解决现有技术煤矿瓦斯检测系统以工业总线为基础，构成有线的通信传输网络，导致扩展性能差，灵活性不足的技术问题，提供了一种瓦斯检测方法和瓦斯检测系统。 

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为设计一种瓦斯检测方法，包括： 

瓦斯检测仪采集瓦斯数据，并通过Zigbee无线传输方式向基站传输采集的瓦斯数据； 

基站接收所述采集的瓦斯数据并将其上报到井上服务器。 

所述基站接收所述采集的瓦斯数据时一并获取接收信号强度，并将接收信号强度随所述采集的瓦斯数据一并上报至井上服务器；井上服务器根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置。 

所述瓦斯检测方法还包括在井上服务器的显示屏上显示瓦斯数据及其该瓦斯数据对应的位置。 

所述井上服务器根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置的计算方法为： 

N台基站收到瓦斯检测仪发出的数据帧，每台基站收到的信号强度为rssi_i，(i＝1，...，N)，各个基站在二维坐标系的位置为(x_i，y_i)，i＝1，...，N；瓦斯检测仪的位置 

通过下式计算： 

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·x_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·y_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\end{array}\right.$

其中： 

$w_i=1/{10}^{(-\frac{A+{\mathrm{rssi}}_i}{10n})},$ i＝1，....，N； 

A为在距离参考通信节点1米处的接收信号强度；n为信号衰减系数。 

所述瓦斯检测仪还在检测到的瓦斯数据超过设定数值后报警，并通过Zigbee无线传输方式向周围的定位卡发送报警信号，定位卡接收所述报警信号后也报警。 

所述瓦斯检测仪通过Zigbee无线传输方式向周围的定位卡发送报警信号包括： 

定位卡每休眠5秒钟唤醒一次，向周围发消息请求帧，同时开始侦听回复； 

瓦斯检测仪向定位卡回复报警信号，提示有报警出现。 

本发明还提供了一种瓦斯检测系统，包括瓦斯检测仪，所述瓦斯检测仪包括一采集瓦斯数据的瓦斯探头和一与所述瓦斯探头连接并通过无线传输方式向基站传输采集的瓦斯数据的Zigbee无线模块； 

所述瓦斯检测系统还包括用于接收所述采集的瓦斯数据并上报所述瓦斯数据的基站和与所述基站相连并接收所述基站上报的瓦斯数据的井上服务器。 

所述基站还包括一接收信号强度获取模块，其接收所述采集的瓦斯数据时一并获取接收信号强度，并将接收信号强度随所述采集的瓦斯数据一并上报至井上服务器；所述井上服务器还包括一精确定位模块，其根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置。 

所述井上服务器根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置的计算方法为： 

N台基站收到瓦斯检测仪发出的数据帧，每台基站收到的信号强度为rssi_i，(i＝1，...，N)，各个基站在二维坐标系的位置为(x_i，y_i)，i＝1，...，N；瓦斯检测仪所处的位置 

通过下式计算： 

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·x_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·y_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\end{array}\right.$

其中： 

$w_i=1/{10}^{(-\frac{A+{\mathrm{rssi}}_i}{10n})},$ i＝1，....，N； 

A为在距离参考通信节点1米处的接收信号强度；n为信号衰减系数。 

所述瓦斯检测系统还包括设置在井下瓦斯检测仪周围的定位卡，所述瓦斯检测仪还包括一与所述瓦斯探头相连的报警模块，所述报警模块在检测到的瓦斯数据超过设定数值后报警，并通过Zigbee无线模块向周围的定位卡发送报警信号，定位卡接收所述报警信号后也报警。 

本发明通过利用瓦斯检测仪采集瓦斯数据，并通过Zigbee无线传输方式向基站传输采集的瓦斯数据，基站接收所述采集的瓦斯数据并将其上报到井上服务器。由于ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。可非常方便的实现近距离无线连接。因此，本发明采用Zigbee技术作为无线传输瓦斯检测仪采集的瓦斯数据方案，具有低功耗、高可靠、高覆盖范围的特点，使得瓦斯检测的扩展性能好，灵活性强。 

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中： 

图1是本发明瓦斯检测方法的流程图； 

图2是本发明瓦斯检测方法的精确定位流程图； 

图3是本发明瓦斯检测系统的原理图； 

图4是本发明瓦斯检测仪的原理图。 

具体实施方式

请参见图1。本发明瓦斯检测方法包括： 

1、瓦斯检测仪采集瓦斯数据 

瓦斯检测仪采用催化燃烧型瓦斯探头，每一秒钟进行一次瓦斯数据采集，并将数据信息实时显示到瓦斯检测仪自身的显示屏。 

2、瓦斯检测仪通过Zigbee无线传输方式向基站传输采集的瓦斯数据 

无线传输方面采用Zigbee协议，向井下所有基站上报瓦斯数据。瓦斯检测仪每五秒钟通过无线上报瓦斯数据帧，信号传播方向为向所有的井下基站广播。 

3、基站接收所述采集的瓦斯数据并将其上报到井上服务器。 

瓦斯数据通过基站之间的有线网络上报到井上服务器的显示屏，经数据处理后，在井上服务器的显示屏上显示瓦斯数据。 

请一并参见图2。为了获知瓦斯检测仪采集的瓦斯数据所处的具体位置，实现精确定位，本发明瓦斯检测方法还包括： 

1、基站接收所述采集的瓦斯数据时还一并获取接收信号强度 

所述接收信号强度rssi的计算公式为： 

rssi＝-(10nlog₁₀d+A) 

其中，d为瓦斯检测仪与接收基站之间的距离，A为在距离参考通信节点1米处的接收信号强度，n为信号衰减系数。从上式可以看到收发两端的距离越短，对应的接收信号强度越大。 

2、基站将接收信号强度随所述采集的瓦斯数据一并上报至井上服务器 

3、井上服务器根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置 

井上服务器根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置的计算方法为： 

N台基站收到瓦斯检测仪发出的数据帧，每台基站收到的信号强度为rssi_i，(i＝1，...，N)，各个基站在二维坐标系的位置为(x_i，y_i)，i＝1，...，N；瓦斯检测仪的位置 

通过下式计算： 

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·x_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·y_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\end{array}\right.$

其中： 

$w_i=1/{10}^{(-\frac{A+{\mathrm{rssi}}_i}{10n})},$ i＝1，....，N； 

A为在距离参考通信节点1米处的接收信号强度；n为信号衰减系数。w_i：为加权系数。该加权系数是根据矿井下信号传播特点选定的。 

4、在井上服务器的显示屏上显示瓦斯数据及其该瓦斯数据对应的位置。从而可直观的在显示屏上获知瓦斯数据及其具体位置。 

由于具有精确定位功能，本发明上报的瓦斯浓度和地理位置可以直观的在井上服务器的人机界面上显示，使得瓦斯信息更加精确有效。 

本发明瓦斯检测方法还可以设置具有定位卡联动报警功能，瓦斯检测仪还在检测到的瓦斯数据超过设定数值后手持瓦斯检测仪可通过Zigbee无线传输方式向周围的定位卡发送报警帧，定位卡接收所述报警信号后报警。由于矿用定位卡是周期性休眠设备，具体工作方式为： 

1、定位卡每休眠5秒钟唤醒一次，向周围发消息请求帧，同时开始侦听回复； 

2、瓦斯检测仪检测到瓦斯浓度超标，本身声光报警，同时，瓦斯检测仪向定位卡回复报警信号，提示有报警出现； 

3、定位卡进行声光报警，提示紧急情况出现。 

请参见图3。本发明瓦斯检测系统包括瓦斯检测仪、基站、井上服务器和定位卡。其中： 

瓦斯检测仪包括：微控制器1、Zigbee无线模块2、电源3、键盘4、蜂鸣器5、显示屏6和瓦斯探头7。微控制器用于控制瓦斯检测仪，瓦斯探头采集瓦斯数据，Zigbee无线模块与所述瓦斯探头连接并通过无线传输方式向基站传输采集的瓦斯数据。蜂鸣器5用于瓦斯检测仪自身的报警，显示屏用于显示瓦斯探头采集的瓦斯数据以及瓦斯检测仪的操作界面等。 

基站用于接收所述采集的瓦斯数据并上报所述瓦斯数据。基站还包括一接收信号强度获取模块，其接收所述采集的瓦斯数据时一并获取接收信号强度，并将接收信号强度随所述采集的瓦斯数据一并上报至井上服务器。 

井上服务器与所述基站相连并接收所述基站上报的瓦斯数据。井上服务器还包括一精确定位模块，其根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置。 

所述井上服务器根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置的计算方法为： 

N台基站收到瓦斯检测仪发出的数据帧，每台基站收到的信号强度为rssi_i，(i＝1，...，N)，各个基站在二维坐标系的位置为(x_i，y_i)，i＝1，...，N；瓦斯检测仪所处的位置 

通过下式计算： 

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·x_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·y_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\end{array}\right.$

其中： 

$w_i=1/{10}^{(-\frac{A+{\mathrm{rssi}}_i}{10n})},$ i＝1，....，N； 

A为在距离参考通信节点1米处的接收信号强度；n为信号衰减系数。 

定位卡设置在井下瓦斯检测仪的周围，所述瓦斯检测仪还包括一与所述瓦斯探头相连的报警模块，所述报警模块在检测到的瓦斯数据超过设定数值后，通过Zigbee无线模块向周围的定位卡发送报警信号，定位卡接收所述报警信号后报警。具体工作方式为： 

1、定位卡每休眠5秒钟唤醒一次，向周围发消息请求帧，同时开始侦听回复； 

2、瓦斯检测仪检测到瓦斯浓度超标，本身声光报警，同时，瓦斯检测仪向定位卡回复报警信号，提示有报警出现； 

3、定位卡进行声光报警，提示紧急情况出现。 

瓦斯检测仪在检测到到瓦斯浓度超标时，自身也可声光报警。 

本发明采用Zigbee技术作为瓦斯数据传输方案，具有低功耗，高可靠，高覆盖范围的特点，解决了现有技术有线瓦斯检测仪的扩展性能差、灵活程度不够等问题。本发明采用了基于接收信号强度(RSSI)的精确定位技术，在井上服务器不但可以显示瓦斯浓度的数值，更可以直接查询其发生的地点，为瓦斯事故的预防提供了直观、便利的信息，解决了现有技术只能上报瓦斯数据，无法确定其发生地点的问题。另外，由于井下环境嘈杂，瓦斯检测仪的声光报警可能被人忽略，本发明还采用了与井下定位卡联动的设计，当瓦斯浓度超标时，不但工人的自带的瓦斯检测仪本身可以报警，同时还向周围的定位卡发出紧急信息，使得定位卡也进行声光报警，提高了报警的及时性和有效性，进一步提高了瓦斯事故的预防和处理能力。本发明可用于煤矿等矿井的井下瓦斯检测。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种瓦斯检测方法，其特征在于包括：

瓦斯检测仪采集瓦斯数据，并通过Zigbee无线传输方式向基站传输采集的瓦斯数据；

基站接收所述采集的瓦斯数据并将其上报到井上服务器。

2.根据权利要求1所述的瓦斯检测方法，其特征在于：所述基站接收所述采集的瓦斯数据时一并获取接收信号强度，并将接收信号强度随所述采集的瓦斯数据一并上报至井上服务器；井上服务器根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置。

3.根据权利要求1所述的瓦斯检测方法，其特征在于：所述瓦斯检测方法还包括在井上服务器的显示屏上显示瓦斯数据及其该瓦斯数据对应的位置。

4.根据权利要求2所述的瓦斯检测方法，其特征在于：所述井上服务器根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置的计算方法为：

N台基站收到瓦斯检测仪发出的数据帧，每台基站收到的信号强度为rssi_i，(i＝1，...，N)，各个基站在二维坐标系的位置为(x_i，y_i)，i＝1，...，N；瓦斯检测仪的位置

通过下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·x_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·y_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\end{array}\right.$

其中：

$w_i=1/{10}^{(-\frac{A+{\mathrm{rssi}}_i}{10n})},$ i＝1，....，N；

A为在距离参考通信节点1米处的接收信号强度；n为信号衰减系数。

5.根据权利要求1所述的瓦斯检测方法，其特征在于：所述瓦斯检测仪还在检测到的瓦斯数据超过设定数值后报警，并通过Zigbee无线传输方式向周围的定位卡发送报警信号，定位卡接收所述报警信号后也报警。

6.根据权利要求5所述的瓦斯检测方法，其特征在于：所述瓦斯检测仪通过Zigbee无线传输方式向周围的定位卡发送报警信号包括：

定位卡每休眠5秒钟唤醒一次，向周围发消息请求帧，同时开始侦听回复；

瓦斯检测仪向定位卡回复报警信号，提示有报警出现。

7.一种瓦斯检测系统，包括瓦斯检测仪，其特征在于：

所述瓦斯检测仪包括一采集瓦斯数据的瓦斯探头和一与所述瓦斯探头连接并通过无线传输方式向基站传输采集的瓦斯数据的Zigbee无线模块；

所述瓦斯检测系统还包括用于接收所述采集的瓦斯数据并上报所述瓦斯数据的基站和与所述基站相连并接收所述基站上报的瓦斯数据的井上服务器。

8.根据权利要求7所述的瓦斯检测系统，其特征在于：所述基站还包括一接收信号强度获取模块，其接收所述采集的瓦斯数据时一并获取接收信号强度，并将接收信号强度随所述采集的瓦斯数据一并上报至井上服务器；所述井上服务器还包括一精确定位模块，其根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置。

9.根据权利要求8所述的瓦斯检测系统，其特征在于：所述井上服务器根据所有基站上报的接收信号强度确定瓦斯检测仪所处的位置的计算方法为：

N台基站收到瓦斯检测仪发出的数据帧，每台基站收到的信号强度为rssi_i，(i＝1，...，N)，各个基站在二维坐标系的位置为(x_i，y_i)，i＝1，...，N；瓦斯检测仪所处的位置

通过下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·x_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\\ \stackrel{\‾}{y}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·y_i/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\end{array}\right.$

其中：

$w_i=1/{10}^{(-\frac{A+{\mathrm{rssi}}_i}{10n})},$ i＝1，....，N；

A为在距离参考通信节点1米处的接收信号强度；n为信号衰减系数。

10.根据权利要求7所述的瓦斯检测系统，其特征在于：所述瓦斯检测系统还包括设置在井下瓦斯检测仪周围的定位卡，所述瓦斯检测仪还包括一与所述瓦斯探头相连的报警模块，所述报警模块在检测到的瓦斯数据超过设定数值后报警，并通过Zigbee无线模块向周围的定位卡发送报警信号，定位卡接收所述报警信号后也报警。

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