一种基于物联网和综合通信手段的隧道瓦斯监测系统

摘要

本实用新型公开了一种基于物联网和综合通信手段的隧道瓦斯监测系统，属于物联网和通信技术领域；环境传感模块通过无线LORA模块与中继模块通信连接；中继模块相互之间进行通信连接，将环境传感数据逐步传递至设置于衬砌处的井下交换机；井下交换机与主控计算设备通过有线或无线方式通信连接；主控计算设备通过有线方式连接PLC控制机，实现控制信号的传输；通过有线或无线方式连接人工监测终端，实现人工监测数据的收集；PLC控制机通过有线方式连接通风智能联动模块、告警物联网装置、远程断电仪，实现控制信号、告警信号的传输。本方案通过使用包括物联网的综合通信手段，能够提升设备布局灵活性和重要信息传输的有效性。

说明书

技术领域

本实用新型涉及物联网、通信技术领域，具体涉及利用物联网和综合通信手段实现隧道内瓦斯监测系统。

背景技术

在隧道施工过程中，对有害气体尤其是瓦斯的监控与预警是隧道工程建设和运营的重要环节。现有技术中，隧道内的环境监测装置往往通过全有线的方式进行数据传输，传感器布置位置不能灵活变化，对于超长隧道施工来说，需要布置很长的线路。而对于全无线的数据传输方式来说，又不够稳定，当局部环节出现断开时，告警信息不能及时传输到位，带来安全隐患。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于物联网和综合通信手段的隧道瓦斯监测系统，通过包括物联网的综合通信手段的使用，能够提升设备布局灵活性和重要信息传输的有效性。

为了解决上述技术问题，本实用新型是这样实现的。

一种基于物联网和综合通信手段的隧道瓦斯监测系统，包括：主控计算设备、井下交换机、中继模块、PLC控制机、人工监测终端、环境传感模块、通风智能联动模块、告警物联网装置和远程断电仪；

环境传感模块通过无线LORA模块与中继模块无线通信连接；中继模块相互之间进行通信连接，将环境传感数据逐步传递至设置于衬砌处的井下交换机；

井下交换机与主控计算设备通过有线或无线方式通信连接；

主控计算设备，通过有线方式连接PLC控制机实现控制信号、告警信号的传输，通过有线或无线方式连接人工监测终端，实现人工监测数据的收集；

PLC控制机通过有线方式连接通风智能联动模块、告警物联网装置、远程断电仪，实现控制信号、告警信号的传输。

优选地，该系统进一步包括设置在隧道内的至少2个位置处的人工监测数据上传设备，用于与移动到该位置处的人工监测终端对接，获取人工监测数据；

所述人工监测数据上传设备包括第二无线LORA模块和蓝牙模块；所述蓝牙模块与人工监测终端通过蓝牙协议进行通信连接；所述第二无线LORA模块与中继模块通信连接，用于将人工监测数据逐步传递至井下交换机，进而传递至主控计算设备。

优选地，所述人工监测数据上传设备和/或中继模块中集成告警值存储模块和告警判断模块；告警判断模块根据环境传感数据或人工监测数据结合告警值存储模块存储的告警限值进行告警判断，在判定数据超限时，通过内置无线通信模块连接附近的告警物联网装置和通风智能联动模块，进行快速告警和通风。

优选地，所述告警物联网装置包括设置在隧道外的告警器和设置在隧道内作业区的告警器。

优选地，所述环境传感模块设置在隧道内多个不同坑道段的掌子面、回风口、衬砌处和联络通道处。

优选地，所述环境传感模块包括一氧化碳传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器、氧气传感器和温度传感器；一个或2个以上的传感器共用一个无线LORA模块进行数据传输。

优选地，所述掌子面布设一氧化碳传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器、氧气传感器及温度传感器各一台；各传感器距离掌子面距离不超过5m；其中，甲烷传感器、一氧化碳传感器吊挂在拱顶中央，距离拱顶20～30cm；氧气传感器、温度传感器、硫化氢传感器挂在隧道侧壁，距离底部高度1～1.5m位置；

所述衬砌处的二衬台车前沿布设一氧化碳传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器各一台；其中，甲烷传感器、一氧化碳传感器吊挂在拱顶中央，距离拱顶20～30cm；硫化氢传感器挂在隧道侧壁，距离底部高度1～1.5m位置；

所述回风口布设甲烷传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器及风速传感器各一台；甲烷传感器、一氧化碳传感器及风速传感器吊挂在拱顶中央，距离拱顶20～30cm；硫化氢传感器挂在隧道侧壁，距离底部高度1～1.5m位置；

联络通道布设甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器、硫化氢传感器各一台；甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器吊挂在拱顶中央，距离拱顶20～30cm；硫化氢传感器挂在隧道帮侧，距离底部高度1～1.5m位置。

优选地，所述人工监测终端采用光干涉式甲烷测定器实现；人工监测终端可移动的监测包括掌子面、回风口、瓦斯异常涌出点、衬砌处、联络通道以及洞内用火地点的甲烷量。

优选地，所述环境传感模块进一步包括位置传感器，采集当前所处地理位置，将位置信息通过无线LORA模块发送给中继模块；所述主控计算设备进一步包括显示装置，用于将环境传感数据按照地理位置进行分布式显示，并显示告警信息。

有益效果：

（1）本实用新型采用物联网、无线传输和有线传输相结合的方式，环境传感模块中设置有无线LORA模块，通过无线方式上传环境传感数据，使得环境传感模块可以随着工程的进度，更换位置，提升了布局灵活性；PLC控制机通过有线方式连接通风智能联动模块、告警物联网装置、远程断电仪，实现控制信号、告警信号的传输，保证重要信息传输的有效性和安全性。

（2）在一优选方案中，隧道内的至少2个位置处设置的人工监测数据上传设备，通过蓝牙与人工监测终端通信连接，在隧道很深的情况下，人员无需回到主控计算设备处，也可以将人工监测数据传递至主控计算设备，保证监测数据实时参与瓦斯浓度等监测项目的计算，从而及时产生告警信息，减少不必要的人员伤害。

（3）考虑到中继设备链路可能出现故障的情况，本实用新型在一优选实施例中，对告警计算功能进行了备份，将主控计算设备的告警计算能力复制到人工监测数据上传设备和/或中继模块中，使得这两个设备可以进行数据超限判断，通过设置在内部的无线通信模块与附近的告警物联网装置和通风智能联动模块进行无线通信，实现快速告警和及时通风。

（4）本实用新型将人工监测和隧道内瓦斯自动监测系统监测相结合。人工检测灵活性较高，可对隧道内任何位置进行现场测量，但监控频率不能满足实时不间断的监控，瓦斯自动监控系统监控能力更强，时间更长，但其监控位置固定、灵活性较差，本优选方案将二者结合，保证监控能力的基础上，利用人工监控进一步提升监控的灵活性。

（5）本实用新型将瓦斯浓度与通风监测数据实时调节进行联动，可以在危险发生起始时进行通风处理，做到最大化的安全监控。

（6）一优选方案将环境传感模块设置在掌子面、回风口、衬砌处和联络通道处这些重要工作面，加强了对断层发育段、煤层揭示段有害气体的监测。同时根据有毒气体的敏感检测位置确定了各种传感器的工作位置，能够有效检测目标气体，保证传感数据的有效性。

附图说明

图1为本实用新型基于物联网和综合通信手段的隧道瓦斯监测系统的通信连接组成示意图。

图2为本实用新型隧道瓦斯监测的项目和位置示意图。

图3为本实用新型瓦斯人工监测位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种基于物联网和综合通信手段的隧道瓦斯监测系统，如图1所示，其包括主控计算设备、井下交换机、中继模块、PLC控制机、人工监测终端、环境传感模块、通风智能联动模块、告警物联网装置、远程断电仪。

环境传感模块通过无线LORA模块与中继模块通信连接；中继模块相互之间进行通信连接，将环境传感数据逐步传递至设置于衬砌处的井下交换机；

井下交换机与主控计算设备通过有线或无线方式通信连接；

主控计算设备通过有线方式连接PLC控制机，实现控制信号的传输；通过有线或无线方式连接人工监测终端，实现人工监测数据的收集；该主控计算设备一般设置在隧道外。

PLC控制机通过有线方式连接通风智能联动模块、告警物联网装置、远程断电仪，实现控制信号、告警信号的传输。

告警物联网装置包括设置在隧道外的告警器和设置在隧道内作业区的告警器。告警可以是声光告警。

可见，本实用新型采用物联网、无线传输和有线传输相结合的方式，环境传感模块中设置有无线LORA模块，通过无线方式上传环境传感数据，使得环境传感模块可以随着工程的进度，更换位置，提升了灵活性；PLC控制机通过有线方式连接通风智能联动模块、告警物联网装置、远程断电仪，实现控制信号、告警信号的传输，保证重要信息传输的安全性。

本实用新型隧道瓦斯监测综合通信管控系统的工作方式为：主控计算设备从井下交换机获得环境传感数据，通过分析判断，确定是否进行超限预警以及调整通风档位；超限预警和通风档位都可以通过阈值判断来实现。如果隧道内有害气体（例如瓦斯）浓度超标，在需要超限预警，产生指令通过PLC控制机控制通风智能联动模块和瓦斯监测预警模块；通风智能联动模块根据PLC控制，调整通风设备的档位，实现隧道内瓦斯浓度调整；瓦斯监测预警模块根据PLC控制，进行瓦斯浓度超标告警。主控计算设备还可以当瓦斯浓度超过设定的高等级阈值时，控制远程断电仪切断对隧道挖掘设备的供电。可见，本实用新型将瓦斯浓度与通风监测数据实时调节进行联动，可以在危险发生起始时进行通风处理，做到最大化的安全监控。

本实用新型的隧道瓦斯监测综合通信管控系统不仅含有隧道内瓦斯自动监测系统，还配置有人工监测终端。人工检测灵活性较高，可对隧道内任何位置进行现场测量，但监控频率不能满足实时不间断的监控，瓦斯自动监控系统监控能力更强，时间更长，但其监控位置固定、灵活性较差，本方案将二者结合，保证监控能力的基础上，利用人工监控进一步提升监控的灵活性。

在一优选实施例中，该系统进一步包括设置在隧道内的至少2个位置处的人工监测数据上传设备，用于与移动到该位置处的人工监测终端对接，获取人工监测数据；人工监测数据上传设备包括第二无线LORA模块和蓝牙模块；所述蓝牙模块与人工监测终端通过蓝牙协议进行通信连接；第二无线LORA模块与中继模块通信连接，用于将人工监测数据逐步传递至井下交换机，进而传递至主控计算设备。工作人员可以携带人工监测终端在隧道内采集数据，完成后移动至主控计算设备上传数据。但是当隧道很深时，人员回到主控计算设备处时间较长，数据上传不及时。因此该实施例设置了隧道内的人工监测数据上传设备，工作人员无需回到主控计算设备处，也可以将人工监测数据传递至主控计算设备，保证监测数据实时参与瓦斯浓度等监测项目的计算，从而及时产生告警信息，减少不必要的人员伤害。

考虑到中继设备链路可能出现故障的情况，本实用新型在一优选实施例中，对告警计算功能进行了备份。即人工监测数据上传设备、中继模块中集成告警值存储模块和告警判断模块。告警判断模块根据环境传感数据或人工监测数据结合存储的告警值进行告警判断，在判定数据超限时，通过中继模块内置的无线通信模块向外部广播，从而连接附近的告警物联网装置和通风智能联动模块，进行快速告警和通风。该附加告警功能的启动可以一直启动或在监测到链路故障时启动。

参见图2，环境传感模块包括瓦斯传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器、氧气传感器和温度传感器。这些传感器中，可以每个传感器利用无线LORA模块进行数据传输。也可以2个以上的传感器组成一个几合一设备，共用一个无线LORA模块进行数据传输。

优选地，环境传感模块可以进一步包括位置传感器，采集当前所处地理位置，将位置信息通过无线LORA模块发送给中继模块；所述主控计算设备进一步包括显示装置，用于将环境传感数据按照地理位置进行分布式显示，并显示告警信息。在实际中可以在系统开发中植入BIM+GIS引擎，将现场场景、监控数据可视化表达，达到对隧道洞内瓦斯及有害气体浓度监测及预警的目的。

仍参见图2，在一优选实施例中，将环境传感模块设置在隧道内多个不同坑道段的掌子面、回风口、衬砌处和联络通道处这些重要工作面，同时根据有毒气体的敏感检测位置确定了各种传感器的工作位置，能够有效检测目标气体，保证传感数据的有效性。传感器具体工作位置如下：

掌子面布设一氧化碳传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器、氧气传感器、及温度传感器各一台；各传感器距离掌子面距离不超过5m；其中，甲烷传感器、一氧化碳传感器吊挂在拱顶中央，距离拱顶20～30cm（优选为25cm）；氧气传感器、温度传感器、硫化氢传感器挂在隧道侧壁，距离底部高度1～1.5m位置（优选为1.25m）；

衬砌处的二衬台车前沿布设一氧化碳传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器各一台；其中，甲烷传感器、一氧化碳传感器吊挂在拱顶中央，距离拱顶20～30cm（优选为25cm）；硫化氢传感器挂在隧道侧壁，距离底部高度1～1.5m位置（优选为1.25m）；

隧道回风口布设甲烷传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器及风速传感器各一台；甲烷传感器、一氧化碳传感器及风速传感器吊挂在拱顶中央，距离拱顶20～30cm（优选为25cm）；硫化氢传感器挂在隧道侧壁，距离底部高度1～1.5m位置（优选为1.25m）；

联络通道布设甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器、硫化氢传感器各一台；甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器吊挂在拱顶中央，距离拱顶20～30cm（优选为25cm）；硫化氢传感器挂在隧道帮侧，距离底部高度1～1.5m位置（优选为1.25m）。

根据安装位置，吊挂在拱顶中央的各传感器可以采用一体设计，并共用一个无线LORA模块；挂在隧道帮侧的各传感器可以采用一体设计，并共用一个无线LORA模块。

参见图3，人工监测终端采用光干涉式甲烷测定器实现；人工监测终端可移动的监测包括掌子面、回风口、瓦斯异常涌出点、衬砌处、联络通道以及洞内用火地点的甲烷量。

结合隧道各工作面的施工情况，随着隧道开挖不断向前推进，各个传感器的布设点也持续向前推进，进行动态调整。

以上的具体实施例仅描述了本实用新型的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本实用新型领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本实用新型创造宗旨和技术方案，均应属于本实用新型的保护范围。