本實用新型涉及一種多參數礦井外因火災監(jiān)控報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及傳感器技術、激光技術、光譜分析技術、信號處理技術等領域。

背景技術：

煤炭是我國主要能源，約占一次能源70％。煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，瓦斯、火災、頂板、煤塵等事故困擾著煤礦安全生產。煤礦礦井火災包括內因火災和外因火災，礦井外因火災具有發(fā)現難、發(fā)展迅猛、滅火和救護困難等特點?；馂囊坏┌l(fā)生，如果火勢不能得到及時控制，波及范圍將迅速擴大，造成大量人員傷亡。因此及時發(fā)現礦井外因火災并撲滅具有重要意義。目前礦井外因火災的監(jiān)測方法主要采用溫度監(jiān)測和煙霧監(jiān)測等，煙霧監(jiān)測存在反應慢，誤報率和漏報率高等缺點；溫度監(jiān)測目前較為先進的方法是采用光纖分布溫度監(jiān)測，但光纖存在易損壞、安裝較為復雜、維護困難等問題。因此需要新的礦井外因火災監(jiān)控報警系統(tǒng)以滿足煤礦安全生產要求。

技術實現要素：

本實用新型目的在于提供一種多參數礦井外因火災監(jiān)控報警系統(tǒng)，可遙感監(jiān)測較遠距離內的外因火災引起的多種環(huán)境數據的變化，特別是巷道空間區(qū)域的內因火災特征氣體CO、CO₂、O₂、CH₄和NO_X的濃度變化和分布特點，根據監(jiān)測得到的數據進行火災報警，并可對火災區(qū)域進行滅火，減小火災危害范圍。所述系統(tǒng)主要包括氣體濃度監(jiān)測裝置、溫度監(jiān)測裝置、風向監(jiān)測裝置、風速監(jiān)測裝置、火焰監(jiān)測裝置、煙霧監(jiān)測裝置、信息處理服務器、報警裝置、通信網絡和滅火裝置；信息處理服務器負責處理氣體濃度數據、環(huán)境溫度數據、風向監(jiān)測數據、風速監(jiān)測數據、火焰監(jiān)測數據和煙霧監(jiān)測數據，根據數據處理結果通過報警單元發(fā)出聲光報警，通過通信網絡發(fā)送火災報警信息，并通過滅火裝置滅火。

1.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的氣體濃度監(jiān)測裝置為氣體濃度遙感裝置；氣體濃度遙感裝置主要包括激光發(fā)射器、激光接收器、控制處理單元和顯示單元；氣體濃度遙感裝置采用開放氣室，可對環(huán)境中多種氣體濃度進行遙感監(jiān)測；氣體濃度遙感裝置具有激光測距功能。

2.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的氣體濃度遙感裝置采用下述掃描監(jiān)測方法進行掃描監(jiān)測：氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器發(fā)射不同方向的激光束進行氣體濃度和距離監(jiān)測，獲得氣體濃度、距離和發(fā)射方向組成的數據序列，經處理后得到不同距離區(qū)域的氣體濃度。

3.所述系統(tǒng)進一步包括：氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器采用可自動調節(jié)發(fā)射方向的激光發(fā)射器，控制處理單元以掃描監(jiān)測方式控制激光發(fā)射器發(fā)射方向。

4.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器通過激光源產生激光，一個激光源可產生用于探測多種氣體的激光。

5.如所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器通過激光源產生激光，激光發(fā)射器包括多個激光源，每個激光源用于產生探測一種氣體的激光。

6.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器激光源采用可調諧半導體激光器；可調諧半導體激光器受控制處理單元控制，發(fā)出不同波長的激光；激光接收器接收反射回來的激光，將激光信號轉換為電信號，控制處理單元處理電信號，得到相應的氣體濃度。

7.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的氣體濃度遙感裝置的激光發(fā)射器可發(fā)出CO、CO₂、O₂、CH₄和NO_X分子吸收峰值的不同波長的激光。

8.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)中設置在爆炸環(huán)境中的設備均為防爆型設備。

9.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的風向監(jiān)測裝置和風速監(jiān)測裝置包括一體化超聲波風向風速傳感器。

10.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的火焰監(jiān)測裝置包括視頻監(jiān)視設備。

11.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的煙霧監(jiān)測裝置包括視頻監(jiān)視設備。

12.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的溫度監(jiān)測裝置包括光纖傳感器、溫度傳感器、紅外熱像儀、紅外熱電釋或紅外測溫儀。

13.所述系統(tǒng)進一步包括：系統(tǒng)的滅火裝置包括灑水噴淋設備、泡沫噴灑設備、惰性氣體噴射設備或氣溶膠噴灑設備。

附圖說明

圖1多參數礦井外因火災監(jiān)控報警系統(tǒng)組成示意圖。

圖2多參數礦井外因火災監(jiān)控報警系統(tǒng)工作流程圖。

圖3氣體濃度遙感裝置實施方案1原理示意圖。

圖4氣體濃度遙感裝置實施方案2原理示意圖。

圖5氣體濃度遙感裝置實施方式2準直器排列結構示意圖。

圖6氣體濃度遙感裝置工作流程圖。

具體實施方式

圖1為多參數礦井外因火災監(jiān)控報警系統(tǒng)組成示意圖，所述系統(tǒng)組成包括：

1.信息處理服務器(1)：負責對各傳感器數據進行存儲，并監(jiān)測氣體濃度數據、溫度數據、風速數據、風向數據、火焰監(jiān)測數據和煙霧監(jiān)測數據的數據變化，通過分析數據變化發(fā)出報警信號，并控制滅火。

2.報警裝置(2)：由信息處理服務器控制發(fā)出聲光報警，與信息處理服務器通過RS232接口連接通信。

3.監(jiān)控設備(3)：為生產管理人員提供數據查詢和生產監(jiān)控服務，由信息處理服務器提供現場數據,具有警報顯示和GIS服務功能。

4.核心交換機(4)：負責所有接入礦用以太網的設備的管理和數據交換，與井下交換機(5)通過光纖連接。通信網絡設備包括核心交換機(4)、井下交換機(5)和分站(6)。

5.井下交換機(5)：負責數據分站的接入和數據交換，通過光纖與各井下交換機以環(huán)網方式連接。

6.分站(6)：負責各監(jiān)測裝置的接入和數據交換，具有網絡交換機功能，與井下交換機通過光纖連接；具有RS485接口。

7.氣體濃度監(jiān)測裝置(7)：采用氣體濃度遙感裝置，采用開放氣室，可對環(huán)境中包括CO、CO₂、O₂、CH₄和NO_X的多種氣體濃度進行遙感監(jiān)測，具有激光測距功能，具有三維空間區(qū)域氣體濃度監(jiān)測功能。

8.溫度監(jiān)測裝置(8)：可采用光纖傳感器、無線溫度傳感器、紅外熱像儀、紅外熱電釋或紅外測溫儀中的任意一種設備。光纖傳感器可采用美國DTS系列分布式光纖傳感器，通過網絡接口連接分站；無線溫度傳感器可采用無線傳感器網絡設備，星型連接方式，由協(xié)調器節(jié)點設備通過RS485接口連接分站(6)；紅外熱像儀可采用具有智能識別功能的?？礑S-2CD8313PF-E25紅外熱成像網絡攝像機，直接通過網絡接口連接分站(6)；可采用數字式紅外熱電釋報警器，通過RS485接口模塊連接分站(6)；紅外測溫儀可采用非接觸式紅外溫度儀DT8012B，通過RS485接口模塊連接分站(6)。

9.風速監(jiān)測裝置(9)：可采用機械式風速傳感器，也可采用一體化超聲波風速風向傳感器。超聲波風速風向傳感器通過交叉超聲波的時間差得到風速及風向，直接集成風向監(jiān)測裝置(13)?？刹捎肏S-FSSB01一體化超聲波風速風向傳感器，通過RS485接口模塊連接數據分站(6)。

10.風向監(jiān)測裝置(10)：可采用機械式風向傳感器，也可采用一體化超聲波風速風向傳感器。

11.火焰監(jiān)測裝置(11)：用于監(jiān)測火災產生的火焰，可通過攝像機采集視頻圖像，由視頻圖像識別設備識別火焰，可采用成都世紀朝陽科技有限公司智能圖像型火災探測器，通過網絡接口連接分站(6)；也可采用紅外或紫外監(jiān)測設備，如美國迪創(chuàng)X3301紅外火焰監(jiān)測儀、X2200紫外火焰監(jiān)測儀，通過RS485接口連接分站(6)。

12.煙霧監(jiān)測裝置(12)：用于監(jiān)測火災產生的煙霧，可采用傳統(tǒng)離子式或光電式煙霧傳感器，也可通過視頻識別煙霧，可采用重慶海普的煙霧智能識別模塊對攝像機采集視頻圖像進行視頻煙霧識別，通過網絡接口連接分站(6)。

13.滅火裝置(13)：可使用灑水噴淋設備、泡沫噴灑設備、惰性氣體噴射設備或氣溶膠噴灑設備。滅火裝置通過RS485接口與分站(6)連接通信。

圖2為多參數礦井外因火災監(jiān)控報警系統(tǒng)工作流程圖：

1.(201)各監(jiān)測裝置將采集得到的氣體濃度數據、環(huán)境溫度數據、風向監(jiān)測數據、風速監(jiān)測數據、火焰監(jiān)測數據和煙霧監(jiān)測數據傳送給分站(6)。

2.(202)分站(6)接收到的各監(jiān)測數據，將數據轉發(fā)至井下交換機(5)。

3.(203)井下交換機(5)將數據分站傳送的監(jiān)測數據傳輸到井上的核心交換機(4)。

4.(204)核心交換機(4)將數據傳輸到信息處理服務器，信息處理服務器對各傳感器數據進行存儲，并分析數據變化，如數據變化符合報警條件則通過RS232接口控制報警裝置(2)和監(jiān)控設備(3)發(fā)出報警信號。數據異常包括特定監(jiān)測區(qū)域中CO、CO₂和NO_X在設定時間間隔內濃度升高值超過設定閾值，O₂和CH₄在設定時間間隔內濃度降低值超過設定閾值(每種氣體的濃度變化異常作為一個獨立的數據異常)；溫度數據在設定時間間隔內升高值超過設定閾值；風速數據在設定時間間隔內變化值超過設定閾值；風向發(fā)生逆轉；監(jiān)測到火焰；監(jiān)測到煙霧；當數據異常項數量超過設定閾值，則判定為發(fā)生火災。各監(jiān)測閾值根據現場環(huán)境測量設定或人為設定得到。

5.(205)報警裝置(2)接收信息處理服務器(1)通過RS232接口傳送的報警控制信號，發(fā)出聲光報警。

6.(206)監(jiān)控設備(3)接收信息處理服務器(1)通過核心交換機(4)傳輸的報警信號，通過電腦顯示屏顯示火災位置。

7.(207)滅火裝置(13)接收由信息處理服務器(1)通過通信網絡傳送給分站(6)，再由分站(6)通過RS485接口轉發(fā)的控制信號，開啟控制閥門進行噴射惰性氣體、灑水噴淋、泡沫噴灑或氣溶膠噴灑。

圖3為氣體濃度遙感裝置的具體實施方式1原理示意圖，主要包括激光發(fā)射器、激光接收器、控制處理單元和顯示單元?？刂铺幚韱卧撠熆刂萍す獍l(fā)射器發(fā)射激光；處理激光接收器返回的信號獲得氣體濃度和反射物距離；控制通信接口進行通信；控制顯示屏顯示；接收按鍵的操作信號并進行相應的處理。核心處理器(301)、信號發(fā)生器(302)、鎖相環(huán)放大器(303)、模數轉換器(304)、數字鑒相器(305)和其它輔助元件；激光發(fā)射器負責測距及氣體監(jiān)測的激光信號的發(fā)射，包括激光源(306)和云臺(307)；激光接收器負責接收激光信號，將激光信號轉換為電信號，具體組成包括接收透鏡(308)、暗室(309)和光電探測器(310)；通信接口(311)用于監(jiān)測數據傳輸；顯示單元負責氣體濃度與裝置工作狀態(tài)數據顯示的主要元件為顯示屏(312)。主要元件包括：

1.核心處理器(301)，采用三星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內核的微處理器，；S3C2440具有3個UART接口，2個SPI接口，2個USB接口，1個IIC-BUS接口；使用嵌入式Linux平臺實現驅動控制通信。

2.信號發(fā)生器(302)，負責產生用于控制激光發(fā)射器發(fā)射用于氣體濃度監(jiān)測的調制鋸齒波控制信號及信號分析用的參考信號，包括DDS發(fā)生器、濾波電路、加法器等多個部分。

3.鎖相環(huán)放大器(303)，采用兩個模塊，分別負責提取氣體吸收信號的一次、二次諧波，利用信號與噪聲的互不相關性來抑制噪聲，提高信噪比，可采用LIA-MV-150鎖相放大器模塊。

4.模數轉換器(304)，負責將鎖相放大器解調出的一次、二次模擬信號轉換成數字信號，可采用ADS8364 16位多通道A/D轉換器芯片，具有6個全差分輸入通道。

5.數字鑒相器(305)，負責處理接收到的測距信號，將接收信號與發(fā)送控制信號進行比對，獲得信號間的相位差，并將相位差以數據方式通過接口傳送給核心處理器。

6.激光源(306)，采用可調諧半導體激光器，可發(fā)出多種波長的激光，用于測量不同氣體濃度，可采用IBSG-TO5TEC系列可調諧半導體激光器，該可調諧半導體激光器集成TEC電流溫度控制半導體元件，用于溫度調節(jié)，穩(wěn)定激光波長及功率。

7.云臺(307)，用于控制可調諧半導體激光器(311)的發(fā)射方向和激光接收器的接收方向，可由核心處理器SPI通信端口外接MAX485芯片通過云臺控制協(xié)議控制云臺運動，云臺采用攝像機用標準監(jiān)控云臺，可在水平和垂直方向進行轉動。

8.接收透鏡(308)，負責將反射回來的激光聚集至光電探測器。

9.暗室(309)，采用密閉筒型結構，內壁涂吸光材料。

10.光電探測器(310)，負責將接收到的激光信號轉換為電信號，包括光接收元件和放大電路；光接收元件采用InGaAs PIN光電二極管，放大電路主要元件采用AD603,并聯(lián)兩個電壓跟隨器分別連接鎖相環(huán)放大器(307)和數字鑒相器(309)。

11.通信接口(311),包括有線通信接口和無線通信接口，有線通信接口的主要芯片采用DM9000，DM9000是完全集成的單芯片以太網MAC控制器，上層的網絡協(xié)議由核心處理器的內置Linux驅動支持。DM9000支持10/100M自適應，支持3.3V與5V的電源電壓。DM9000通過網絡隔離變壓器接口芯片YL18-1080S連接RJ45網絡接口，實現對網絡的物理連接進行通信；無線通信接口采用標準USB接口的Wifi無線網卡，在系統(tǒng)、USB口驅動及Wifi無線網卡驅動程序支持下實現網絡通信服務。

12.顯示屏(312)，采用3.5寸彩色LCD屏，分辨率480x800，由Linux自帶顯示驅動程序驅動。

13.按鍵(313)，用于氣體濃度遙感裝置參數及功能設定及控制，包括確定、返回、上移、下移等功能鍵。

圖4為氣體濃度遙感裝置的具體實施方式2原理示意圖。實施方式2與實施方案1的一個區(qū)別在于采用由多路數據選擇器(314)控制的多個不同的可調諧半導體激光器，用于發(fā)射不同波長的激光，激光需通過合光器(315)和光路選擇器和準直器發(fā)射出去；另一個區(qū)別在于實施方式2沒有云臺，而采用8個準直器，每個準直器指向不同的方向，8個準直器(317)連接光選路器(316)，光選路器(316)受核心處理器(301)的控制將合光器(315)發(fā)出的激光進行選路，將激光從選擇的某路準直器(317)發(fā)出，從而實現多路時分復用。所涉及的元件如下：

1.多路數據選擇器(314)，負責信號發(fā)生器(305)與多路可調諧半導體激光器之間的選通，可采用CD4051BC雙向模擬開關，由核心處理器(302)的3個I/O口控制選通，1個I/O口控制開關；COMMON IN/OUT口與信號發(fā)生器(305)連接，4個IN/OUT口分別連接不同可調諧半導體激光器(311)。

2.激光源(306)，采用可調諧半導體激光器，可發(fā)出所監(jiān)測氣體某吸收峰值波長的激光，不同氣體采用不同波長的可調諧半導體激光器，可采用SAF117XS系列蝶形可調諧半導體可調諧半導體激光器，該可調諧半導體激光器集成TEC電流溫度控制半導體元件。

3.合光器(315)，采用光纖合波器將不同波長的激光合成一束，本裝置各可調諧半導體激光器采用分時發(fā)射，所以輸出端在任意時刻最多也只有一個波長的激光輸出。

4.光選路器(316)可采用Vispace 1000OSS光選路設備，由核心處理器(302)通過串口控制選路連通。

5.準直器(317)，控制激光定向發(fā)射而在空間形成的一條光束，可采用FC接口光纖激光準直透鏡。

圖5為氣體濃度遙感裝置實施方式2準直器排列結構示意圖。

氣體濃度遙感裝置工作流程如圖6所示：

1.(501)，核心處理器(301)定時啟動一次監(jiān)測掃描過程。

2.(502)，首先進行激光測距，核心處理器(301)控制信號發(fā)生器(302)產生10M正弦波信號。

3.(503)，正弦波信號驅動激光源(306)發(fā)出用于探測距離的激光。實施方案1正弦波信號直接驅動可調諧半導體激光器，實施方案2正弦波信號需經過多路數據選擇器(314)選擇通路后，再驅動相應的可調諧半導體激光器，再經過合光器(315)、光路選路器(316)，由相應角度的準直器(317)發(fā)射出去激光。

4.(504)，測距激光遇到反射物部分激光被反射，接收透鏡(308)收集反射回來的激光聚集至光電探測器(310)，光電探測器將接收到的激光信號轉換為電信號。

5.(505)，數字鑒相器(305)處理接收到的測距電信號，經放大、混頻等處理后，獲得與發(fā)送控制信號間的相位差，相位差以數據方式通過接口傳送給核心處理器。

6.(506)，核心處理器(301)接收相位差數據，根據相位差獲得裝置與反射物之間的距離。

7.(507)，核心處理器(301)控制信號發(fā)生器發(fā)出50Hz的鋸齒波信號并用50kHz的正弦信號進行調制。

8.(508)，經調制的鋸齒波信號驅動激光源(306)發(fā)出掃過某一種氣體吸收峰值波長范圍的激光。實施方案1正弦波信號直接驅動可調諧半導體激光器；實施方案2正弦波信號需經過多路數據選擇器(123)選擇相應的氣體通路后，再驅動相應的可調諧半導體激光器，再經過合光器(315)、光路選路器(316)，由相應的準直器(317)發(fā)射出去激光。

9.(509)，激光穿過被測區(qū)域的空氣遇到反射物部分激光被反射，接收透鏡(308)收集反射回來的激光聚集至光電探測器(310)，光電探測器將接收到的激光信號轉換為電信號。

10.(510)，鎖相環(huán)放大器(303)接收電信號，并分時接收信號發(fā)生器提供的調制信號及調制信號的倍頻信號，經處理提取分時得到的一次、二次諧波信號。

11.(511)，模數轉換器(304)將一次、二次諧波信號數字化。

12.(512)，核心處理器(301)接收一次、二次諧波信號的數據，處理得到所經光路上的所測氣體的濃度。

13.(513)，核心處理器控制轉換氣體監(jiān)測，重復(507)至(512)的氣體濃度測量過程監(jiān)測直至完成所有氣體濃度監(jiān)測。

14.(514)，實施方案1：核心處理器(301)控制云臺(307)帶動激光源(306)和激光接收器轉動一個角度；實施方案2：核心處理器(301)控制多路數據選擇器(121)選擇激光源(306)通路，再驅動相應的激光源，再經過合光器(315)、光路選路器(316)，由另一個角度的準直器(317)發(fā)射出去激光。重復(502)至(513)測距及氣體濃度監(jiān)測的過程直至完成所有設定角度的監(jiān)測。

15.(515)，核心處理器處理(301)所有角度上獲得的距離和各氣體濃度，獲得不同距離區(qū)域和三維空間區(qū)域的各氣體濃度數據

16.(516)，核心處理器處理(301)通過通信接口(311)上傳數據，并通過顯示屏(312)顯示數據。