CN103622188B - 一种适用于坑道作业人员的智能腰带 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于坑道作业人员的智能腰带，由腰带本体与固定在腰带本体上的智能监测模块组成；智能监测模块由PSoC控制板、ZigBee模块、供电模块、温湿度传感器、氧气传感器、陀螺仪、蜂鸣器与LED安置在一皮带头壳体内构成，压力传感器和接触式体温监测传感器通过外接引线引出。本发明还提供了一种适用于坑道作业人员的智能腰带的使用方法，包括使用前配置，系统启动，以及环境参数、跌倒、体温、供电监测及告警。本发明提供的装置克服了现有技术的不足，具有缺氧告警、跌倒检测、体温检测、工作环境温湿度监测和告警数据无线传输功能，且成本低廉，安全可靠性高。

Description

一种适用于坑道作业人员的智能腰带

技术领域

本发明涉及一种适用于坑道作业人员的智能腰带，属于坑道作业技术领域。

背景技术

目前，坑道作业是一项较有危险性的工作，也是矿业、农业及军事等领域不可或缺的工作内容。由于坑道空间常处于密闭或准密闭状态，如果换气设备或通风措施不完善，易于形成缺氧环境。当人员进入坑道空间中，会出现头晕、乏力的现象，进而导致昏迷、休克。而如果出现意外施救不及时，通常会造成十分严重的后果。近年来在我国发生了多起在矿井、菜窖或巷道等坑道空间内由于氧气缺乏、非氧气体过量沉积造成的伤亡事故。坑道环境复杂且照明难以完全保证，作业人员如果意外跌倒也容易造成事故的发生。此外恶劣的环境温湿度条件也会对作业人员造成伤害。为了降低类似事故的发生，可引入可穿戴式智能设备为在这类环境中工作的劳动者提供安全保护。设备必须满足使用者在工作中的佩戴舒适性，且要架构简单、易于维护、可靠性高。另外考虑到相关行业的特点，需要采用无线技术作为数据传输的主要方式；设备的成本也要控制在合理范围之内。

腰带易于坑道作业人员穿着，将其加以智能化有望满足坑道作业告警监测的需要。但是在系统实现中需要平衡舒适性、可靠性及性价比等多方面因素。可编程片上系统(PSoC)是Cypress公司推出的可以由用户自由定制的单芯片微系统架构。其在一个芯片上集成了丰富的功能资源，供用户根据自己的需要进行利用。利用PSoC技术方案，不仅可以节约系统体积、降低能耗、节省成本和缩短研发周期，也具有设计灵活、升级扩充方便等优点。如果利用其作为核心处理部分实现智能腰带，可较大程度上降低系统体积与重量、提高佩戴舒适性。PSoC丰富的接口与灵活的自定义引脚功能有助于连接多种传感器对环境参数进行监测。其优良的能耗特性与开发灵活性对系统的工作周期与维护也起到了较好的支撑。近年来基于ZigBee的无线传感器网络技术发展为无线数据传输提供了成熟的解决方案。ZigBee技术的主要优点为低能耗、组网简单、成本低廉、安全可靠性高、网络容纳节点数量多及可扩展性好。现今ZigBee技术已经在多个领域都得到了应用。将PSoC与ZigBee技术相结合应用于智能腰带中，可以在较低的成本空间中实现对坑道环境数据的采集、处理与传输。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种为坑道作业人员提供缺氧告警、跌倒检测、体温检测、工作环境温湿度监测、告警数据无线传输功能的智能腰带及其使用方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是提供一种适用于坑道作业人员的智能腰带，其特征在于：由腰带本体与固定在腰带本体上的智能监测模块组成；智能监测模块由PSoC控制板、ZigBee模块、供电模块、温湿度传感器、氧气传感器、陀螺仪、蜂鸣器与LED安置在一皮带头壳体内构成，压力传感器从PSoC控制板上通过RJ45或RJ11接口外接引线引出，供作业人员放置在鞋垫下面检测压力；接触式体温监测传感器也从PSoC控制板上通过RJ45或RJ11接口外接引线引出，供作业人员根据其习惯放置在身体皮肤表面；

PSoC控制板与ZigBee模块、供电模块、温湿度传感器、氧气传感器、陀螺仪、蜂鸣器及LED连接，皮带头壳体上还设有终止告警信息的发送及关断蜂鸣器的轻触按键。

优选地，所述皮带头壳体具有IP66防水级别。

为了解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是提供一种适用于坑道作业人员的智能腰带的使用方法，其特征在于：该方法有以下3个步骤组成：

步骤1：使用前配置

每条智能腰带在使用前都被赋予唯一的一个节点ID号，该节点ID号与ZigBee模块的节点号对应，在智能监测模块上安放一个RFID射频标签，将节点ID号与ZigBee模块配置信息通过读卡器写入该RFID射频标签中便于管理；

步骤2：系统启动

当智能腰带上电启动后，先对供电电压进行监测，以便对智能监测模块供电情况进行评估；如果电压过低，则利用LED及蜂鸣器发出告警信号提醒腰带佩戴的作业人员更换电池；如供电无问题，则开始采集环境参数。

步骤3：环境参数、跌倒、体温、供电监测及告警

(A)环境参数监测及告警

每隔一个固定的时间间隔，智能腰带就通过其上的氧气传感器与温湿度传感器对坑道内工作环境中的氧气含量与温湿度进行采样，并将每次的数据采集结果通过ZigBee模块的信道发往上位机；对不同的氧气含量与温湿度通过不同颜色的LED显示，供作业者进行观察；当发现氧气含量低于阈值或温度偏离预先设定的判决阈值区间，就通过LED与蜂鸣器告警，并将此时的监测数据持续发往上位机提醒安全控制人员进行处理；

(B)跌倒检测及告警

使用陀螺仪与压力传感器的组合进行跌倒检测，检测方法为带滑动窗口的加速度应力混合检测方法：当陀螺仪的输出符合触发条件后，对压力传感器一路的电信号进行评估，如果压力传感器分压检测电路在加速度窗口内80％的时间内无输出，则在一个时间间隔后再进行压力检测。如果在持续数次后仍无压力数据，则可做出跌倒判断，此时立即通过蜂鸣器告警，并通过ZigBee模块的信道持续发送告警信息到上位机；假如佩戴的作业人员轻微跌倒后可正常起身，佩戴的作业人员利用一个轻触按键终止告警信息的发送及关断蜂鸣器；

(C)体温监测与供电监测

每完成一次环境数据采样后，还将对佩戴的作业人员的体温与系统供电情况进行监测；利用接触式温度传感器对作业人员体温进行采样，作业人员体温如有异常，就将发出告警，同时将监测数据通过ZigBee模块的信道发回上位机；如果检测到的系统供电电压过低，就通过蜂鸣器与LED告警，提醒更换电池。

优选地，所述步骤3中环境参数监测及告警部分，对不同的氧气含量与温湿度通过不同颜色的LED显示的方法为：LED用绿色表示正常工作环境，用黄色表示有出现危险的可能，用红色表示危险状态。

本发明提供的装置克服了现有技术的不足，具有缺氧告警、跌倒检测、体温检测、工作环境温湿度监测和告警数据无线传输功能，为在坑道中作业的工作人员提供安全保护，且成本低廉，安全可靠性高。

附图说明

图1为适用于坑道作业人员的智能腰带结构示意图；

图2为适用于坑道作业人员的智能腰带系统组成原理图；

图3为PSoC控制板原理图；

图4为通信模块(DRF-1605H)部分的原理图；

图5为氧气传感器(4OXV)部分的原理图；

图6为陀螺仪(MPU-6050)部分的原理图；

图7为压敏电阻(FSR402)部分的原理图；

图8为温湿度传感器(SHT11)部分的原理图；

图9为接触式体温传感器(DS18B20)部分的原理图；

图10为蜂鸣器部分的原理图；

图11为系统供电及电池输出电压监测部分的原理图；

图12为节点告警信息格式；

图13为PSoC Creator2.2开发环境下的组件设计原理图；

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

图1为适用于坑道作业人员的智能腰带结构示意图，所述的适用于坑道作业人员的智能腰带包括由腰带本体1与固定在腰带本体1上的智能监测模块组成。智能监测模块通过螺栓过孔结构安置在腰带本体1上，这样可避免破坏腰带本体的承力结构，并可以灵活地通过螺栓安装及更换模块。

腰带本体：腰带本体与传统腰带类似，可根据具体情况选择牛皮、人造革等材料制作。在其拟安装智能监测模块的部位开孔以便采用螺丝等措施固定智能监测模块，开孔的孔径和孔数量可根据智能监测模块的体积与重量灵活决定。

结合图2，智能监测模块：PSoC控制板、ZigBee模块、供电模块、温湿度传感器、氧气传感器4、陀螺仪、蜂鸣器5与LED6安置在一具有IP66防水级别的皮带头壳体2内构成智能监测模块。该皮带头壳体通过螺栓等措施安装在腰带本体上，与腰带本体融合成为一个整体。压力电阻7通过RJ45或RJ11接口外接双芯连接线9引出，供作业人员放置在鞋垫下面检测压力。接触式体温监测传感器同样以RJ45或RJ11接口外接引线的方式接出，供作业人员根据其习惯放置在身体皮肤表面。

智能监测模块采用Cypress公司生产的CY8C3866AXI-040型号PSoC芯片作为其核心处理芯片，该芯片内部包含有最高可工作于67MHz的高速8051内核单片机，并在片上集成A／D、模拟放大器等系统资源。数据传输部分采用深圳鼎泰克公司生产的DRF-1605H型ZigBee模块，该模块信号质量较好，可适用于长距离的ZigBee传输。氧气传感器采用英国城市技术公司4OXV氧气传感器，该传感器基于氧气电池结构，在量程内信号输出与氧气含量百分比呈线性关系。陀螺仪采用MPU-6050三轴加速度数字陀螺仪，使用I2C总线与CY8C3866AXI-040连接。压力传感器采用FSR402压敏电阻、温湿度传感器采用SHT11、体温传感器采用接触式封装的DS18B20。供电采用5节三洋HR-3UTGB-4TC型1900mAh充电电池串联供电。电池输出经LM1117(3.3V)三端稳压器为系统提供3.3V稳定电压。腰带本体主材为牛皮，长度110厘米、宽度8厘米。每一套智能腰带对应的配置信息可使用市售读卡器写入贴在腰带头表面的RFID标签中，具体内容为节点ID号与ZigBee配置信息。智能监测模块放置在腰带头中。

CY8C3866AXI-040芯片的封装形式为TQFP-100，其对应的原理图如图3所示。为了提高CY8C3866AXI-040芯片的抗干扰性，采用了模数分区的设计。其模拟供电部分(VA)与数字供电部分(VD)分别使用一块LM1117单独进行供电以便排除干扰，供电电压都为3.3V。在CY8C3866AXI-040的电源输入管脚上，使用0805封装的表贴陶瓷电容进行去耦滤波，具体取值如图3所示。CY8C3866AXI-040芯片使用MiniProg3进行程序烧写，二者通过插针座Pp1进行连接。系统的接地平面也相应划分为模拟地与数字地，它们之间使用磁珠进行连接。系统使用24MHz的无源晶振，其通过42与43号管脚与CY8C3866AXI-040连接。复位引脚XRES(15)与接地平面的连通通过轻触开关Sx控制。轻触开关Sk用于输入外部低电平复位信号。

DRF-1605H模块与CY8C3866AXI-040通过TX、RX管脚(89，90，管脚号，下同)以UART方式链接。DRF-1605H对应的原理图如图4所示。4OXV氧气传感器布设在模拟接地区域中，其(-)输出管脚与地平面相连，(+)输出管脚接一100欧姆的负载电阻并连接到P0_7(79)管脚上。4OXV氧气传感器产生的负载信号被CY8C3866AXI-040内部的AD进行采样。为了抑制噪声，还在负载电阻的两端连接0.1uF的表贴陶瓷电容进行滤波。4OXY对应的原理图如图5所示。MPU-6050陀螺仪通过SDAG(27)与SCLG(28)管脚与CY8C3866AXI-040相连，原理图如图6所示。FSR402压敏电阻采用分压方式，其两端分别接3.3V电源与10K精密电阻。通过测量产生的分压值是否为零，即可判断是否脚掌处无压力。分压数据由P0_4(76)管脚输入CY8C3866AXI-040。FSR402与腰带之间使用双芯连接线连接，连接线长度可根据使用者腿长灵活截取。FSR402的原理图如图7所示。温湿度传感器SHT11与CY8C3866AXI-040通过THCL(8)与THDA(9)相连，THCL用于产生SHT11读写时序时钟，THDA为读写数据线。SHT11的原理图如图8所示。DS18B20通过P5_2(18)管脚与CY8C3866AXI-040连接。DS18B20的原理图如图9所示。P2_0至P2_7管脚的输出用于连接LED与蜂鸣器，具体为P2_0、P2_1、P2_2管脚(95、96、97)分别接绿、黄、红三色LED，成为一个彩色LED显示组。由于PSoC有较强的管脚驱动能力，所以直接采用管脚串联1K电阻直接驱动的方式。P2_3、P2_4、P2_5管脚(98、99、1)同样采用管脚串电阻驱动的方式接上三个蓝色LED，用于表示氧气含量、温湿度及作业者体温。P2_6管脚上接上一白光LED用以显示供电状态，对于不同的电压状态使用PWM方式调制一白光LED标出。P2_7管脚通过使用脉宽调制方式(PMW)驱动一8550三极管来控制蜂鸣器。蜂鸣器部分的原理图如图10所示。供电部分采用双路LM1117(3.3V)分别给模拟部分与数字部分供电，在输入输出端布设了相应滤波电容。电池输出电压Vcc经过Rk1与Rk2分压后输入CY8C3866AXI-040的P4_7管脚，用于对电池供电状态进行监测。输入地、模拟地与数字地之间用磁珠Rlink与Rlink1进行隔离。系统供电及电池输出电压监测部分的原理图如图11所示。

DRF-1605H模块为基于ZigBee协议的透明传输模块，在使用前需要对其进行配置。其需要配置的参数如下：PAN ID、频道、自身ID、目标ID及波特率。使用者可以根据具体情况灵活地配置以上参数。在本实施例中各参数的配置值如下(十六进制)：PAN ID-01AA、频道-20、自身ID-003E、目标ID-0000、波特率-38600。由于DRF-1605H在模块在发送数据包的时候会自动加上源节点ID，这非常有利于上位机对数据的来源进行辨别。DRF-1605H通过可变长度容器的方式为用户提供数据传输的调用接口，所以用户在编写程序时可以省略结束码。实施例所对应的节点设计中，传输告警数据时所用的容器长度统一定为5字节。完成参数配置后通过RF读写器将参数写入腰带上的RFID标签中，以便使用者与维护者读取。

当上电工作后，系统对电压进行检测。如果发现供电电压低于5.5V，就通过蜂鸣器告警。在供电告警时，PSoC驱动蜂鸣器驱PMW波形的占空比为10％、频率为10KHz。使用者根据蜂鸣器声音与白光LED的亮度即可判断出需要更换电池。绿色、黄色与红色LED分别表示正常、需注意、危险三种状态。不同蓝色LED的亮灭表示该时刻是在显示氧气数据还是温湿度数据。氧气、环境温湿度与人体表面温度所分别处于的范围以五秒钟为周期交替显示。系统以32Hz的频率对氧气传感器、陀螺仪、压力传感器、环境温湿度传感器、体温传感器及电池输出电压进行监测。如果监测到环境中的氧气含量低于20％，就点亮黄色LED提醒作业者需对周围氧气浓度加以注意。如果氧气浓度低于19.5％，就点亮红色LED。并以占空比为50％、频率为10KHz的PWM脉冲驱动蜂鸣器产生声音告警。并将此时的氧气浓度通过ZigBee模块发出，具体格式为(16进制)：FD+05+0001(上位机ID)+FF+氧气含量监测值(低位补零)+FF。智能腰带发出告警信息后，还继续以32Hz的采样频率对环境温度进行监测。直到监测到环境氧气含量高于19.5％并稳定60秒后才会解除氧气告警。当环境温度低于-20℃或者高于35℃时，湿度高于98％时，点亮黄色LED提醒作业者需对温湿度进行注意。当温度低于-20℃或高于38℃时，点亮对应红色LED，并以占空比为40％、频率为10KHz的PWM脉冲驱动蜂鸣器产生告警。此时环境温湿度数据也通过ZigBee发出，具体格式为(16进制)：FD+05+0001(上位机ID)+EE+温湿度数据。需要注意的是湿度不作为告警触发信号，仅作为参考参数对作业者做出提示。当告警发生后，直到监测到环境温度回到安全区间并稳定60秒后才会解除告警。对人体体表温度的监测也与以上方法类似。作业者体表温度高于37.5℃或低于36℃时点亮黄色LED灯发出提示，体表温度高于38.5℃或者低于35℃时点亮红色LED及发出蜂鸣器告警提示，蜂鸣器PWM占空比选择为30％、频率为10KHz。告警后作业者体表温度以(16进制)：FD+05+0001(上位机ID)+DD+体温数据+FF FF的数据格式通过ZigBee发出。当体温回到正常区间并持续60秒后才可解除警报。氧气、温度及体温告警信息通过ZigBee发送的周期是1秒。

实施例中跌倒检测采用滑动窗口结合压力传感器的方式，在PSoC中利用FIFO的存储特性来进行滑窗操作。在CY8C3866AXI-040的存储空间中设定一长度为128、宽度为48比特的加速度FIFO。MPU6050陀螺仪与PSoC通过I2C的方式连接，每次采样得到的数据都压入FIFO。在新数据被压入FIFO之前，将其与FIFO中数据的均值进行比较。如果新数据的均方和比加速度FIFO中三轴均方和的平均值大5倍时，则触发对FSR402上的电压的采样，并开启一计时器。如果在接下来的10秒钟FSR上的电压均值都接近0，则判断作业者已经跌倒。此后将以占空比为80％、频率为10KHz的PWM信号驱动蜂鸣器告警，并通过ZigBee将格式为(16进制)：FD+05+0001(上位机ID)+FF AAAAAAAA的数据包持续发出。告警信息以1秒为周期持续发送。如果告警为误告警，作业者可以自行通过按压轻触开关Sx总计2秒的时间长度关闭告警，并通过ZigBee发回一误告警人工终止提示信息(16进制)：FD+05+0001(上位机ID)+FF BBBB BB BB。在实施例中如果氧气、跌倒检测、温度与体温告警源同时触发告警，智能腰带上的LED灯依次闪烁。智能腰带以占空比为100％、频率为10KHz的PWM信号驱动蜂鸣器告警。ZigBee告警信息发送的优先级先后次序为：1.氧气含量告警、2.跌倒检测告警、3.温度告警、4.体温告警。告警信息以1秒为周期循环发送，直到所有告警源解除告警为止。以上告警信息格式如图12所示。

实施例中使用Cypress公司的PSoC Creator2.2软件环境对CY8C3866AXI-040进行编程，该开发环境充分支持了可编程片上系统的集成性与易用性。PSoC Creator2.2使用图形化交互界面供开发者使用。开发者设计时利用PSoC Creator2.2环境内置的原生功能组件进行调用即可实现对应的功能。通过将功能组件从元件库中拖放到设计原理图并进行连接即可绘制出设计。设计中使用了2个I2C组件用以读取陀螺仪与温湿度传感器的值。1个UART组件用于连接ZigBee通信模块。两个分频时钟输入的PWM组件用于控制白光LED与蜂鸣器。压力传感器输出、氧气传感器输出与供电电压分压值通过模拟复用器输入ADC组件。1个输入管脚用于连接DS18B20。另外还定义了一组输出管脚用于驱动显示／告警LED。本实施例中所对应的PSoC Creator2.2设计原理图如图13所示。

Claims (2)

1.一种适用于坑道作业人员的智能腰带的使用方法，其特征在于：

所述智能腰带由腰带本体(1)与固定在腰带本体(1)上的智能监测模块组成；智能监测模块由PSoC控制板、ZigBee模块、供电模块、温湿度传感器、氧气传感器(4)、陀螺仪、蜂鸣器(5)与LED(6)安置在一皮带头壳体(2)内构成，压力传感器(7)从PSoC控制板上通过RJ45或RJ11接口外接引线引出，供作业人员放置在鞋垫下面检测压力；接触式体温监测传感器也从PSoC控制板上通过RJ45或RJ11接口外接引线引出，供作业人员根据其习惯放置在身体皮肤表面；

PSoC控制板与ZigBee模块、供电模块、温湿度传感器、氧气传感器(4)、陀螺仪、蜂鸣器(5)及LED(6)连接，皮带头壳体(2)上还设有终止告警信息的发送及关断蜂鸣器的轻触按键(8)；

所述智能腰带的使用方法由以下3个步骤组成：

步骤1：使用前配置

每条智能腰带在使用前都被赋予唯一的一个节点ID号，该节点ID号与ZigBee模块的节点号对应，在智能监测模块(2)上安放一个RFID射频标签(3)，将节点ID号与ZigBee模块配置信息通过读卡器写入该RFID射频标签(3)中便于管理；

步骤2：系统启动

当智能腰带上电启动后，先对供电电压进行监测，以便对智能监测模块供电情况进行评估；如果电压过低，则利用LED及蜂鸣器发出告警信号提醒腰带佩戴的作业人员更换电池；如供电无问题，则开始采集环境参数；

步骤3：环境参数、跌倒、体温、供电监测及告警

(A)环境参数监测及告警

每隔一个固定的时间间隔，智能腰带就通过其上的氧气传感器与温湿度传感器对坑道内工作环境中的氧气含量与温湿度进行采样，并将每次的数据采集结果通过ZigBee模块的信道发往上位机；对不同的氧气含量与温湿度通过不同颜色的LED显示，供作业者进行观察；当发现氧气含量低于阈值或温度偏离预先设定的判决阈值区间，就通过LED与蜂鸣器告警，并将此时的监测数据持续发往 上位机提醒安全控制人员进行处理；

(B)跌倒检测及告警

使用陀螺仪与压力传感器的组合进行跌倒检测，检测方法为带滑动窗口的加速度应力混合检测方法：当陀螺仪的输出符合触发条件后，对压力传感器一路的电信号进行评估，如果压力传感器分压检测电路在加速度窗口宽度内80％的时间内无输出，则在一个时间间隔后再进行压力检测；如果在持续数次后仍无压力数据，则可做出跌倒判断，此时立即通过蜂鸣器告警，并通过ZigBee模块的信道持续发送告警信息到上位机；假如佩戴的作业人员轻微跌倒后可正常起身，佩戴的作业人员利用一个轻触按键终止告警信息的发送及关断蜂鸣器；

(C)体温监测与供电监测

每完成一次环境数据采样后，还将对佩戴的作业人员的体温与系统供电情况进行监测；利用接触式温度传感器对作业人员体温进行采样，作业人员体温如有异常，就将发出告警，同时将监测数据通过ZigBee模块的信道发回上位机；如果检测到的系统供电电压过低，就通过蜂鸣器与LED告警，提醒更换电池。

2.如权利要求1所述的适用于坑道作业人员的智能腰带的使用方法，其特征在于：所述步骤3中环境参数监测及告警部分，对不同的氧气含量与温湿度通过不同颜色的LED显示的方法为：LED用绿色表示正常工作环境，用黄色表示有出现危险的可能，用红色表示危险状态。