CN104585954A - 一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的智能头盔，不仅实现井下人员与调度室的实时通话，环境数据的监测，位置信息的发送等功能，在发生矿难时候，它还可以辅助救援，如实时监测矿工的心跳等表示生理体征的数据。为此，本发明提供了一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置，在所述头盔的内部安装一个光传感器，所述光传感器紧贴矿工的头部，同时在后脑勺的位置布置一个处理器，所述处理器可以把收集到的生理体征信息传输到地面调度室，用以实时监测矿工的身体状况。本发明结构简单，无需诸如胸带的配件，方便井下使用。
Description
技术领域
本发明涉及矿用智能头盔。
背景技术
20世纪末以来，随着通信技术、计算机技术和微电子技术的迅猛发展，技术先进的采煤国家利用自动化技术和信息技术，实现了煤矿安全监控和生产自动化，开发了全矿井综合自动化监控系统和平台，监控的数据从单纯的模拟量、数字量扩充至语音、图像、视频等多媒体信息，融合监测、通信、控制功能于一体，覆盖了全矿井生产的各个环节，实现了对采掘工作面和矿井通风、排水、供电、运输等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境信息的自动化监测和控制。
然而现阶段的研究却忽略了对矿工本身健康状况的监测，当有重大事故发生时，仅仅实现通讯、定位等功能并不满足救援的需求，如果矿工处于昏迷状态无法应答，井上救援人员需要收集矿工的心率等能体现生命体征的重要数据，作为选择救援方案的参考。
目前常用的测量心率的仪器采用的是透射式测量法，往往占用测量者的手指，对于运动状态的监测来说，探头不易固定且极大影响人的日常生活，妨碍了正常的行为动作。而反射式监测方式不受探头安放部位的限制，可以将其嵌入到头带内固定在人的前额，实时获取心率信息。透射式PPG信号的质量很好，而反射方案中光能损失相对比较大，但是反射式能够做到结构简单，体积小，适合嵌入到头盔装置中，在佩戴者的额头处进行测量。
发明内容
本发明提供一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置，所述智能头盔装置由头盔本体、光传感器和数据处理中心三部分组成，光传感器采用反射式光电感应心率传感器，由所述反射式光电感应心率传感器测量的信号通过A/D模块传输给处理器模块，所述处理器模块对测量信号进行处理得到心率数据，心率数据可以由LCD模块显示，也可以通过数据存储模块进行存储，还可以通过蓝牙模块发送至智能手机，进一步地，也可以通过无线通讯模块发送至井上调度室。
本发明的具体方案如下：
采用反射式光路测量方法，将双光源LED和光频转换接收头两个器件放置于同一侧，光传感器实时监测人体的光电容积脉搏波（PPG）信号，使用实时测量算法从PPG信号中提取出实时心率信息，本发明主要针对以下三点对系统进行设计：光传感器的设计；低功耗、抗干扰的设计和实现；可实现通讯的系统设计。
1）本发明在满足实时动态检测的同时，所设计的传感器低负荷、小体积，不影响人体正常活动，对人体造成的不适感最低。同时，反射式光路检测到的PPG信号相比透射要更微弱，为了避免微弱生理信号埋没在噪声之中，或受到背景环境光噪声或电磁噪声干扰的污染，本发明考虑了更加简化的PPG信号采集检测电路，来获得稳定的PPG信号，而在数字信号处理方面，使用滤波处理来抑制干扰和运动，从双波长PPG信号中提取出心率。
2）本发明所述装置能长时间监测，避免更换电池或因电力不足而停止工作。低功耗的设计主要从硬件电路和软件控制两方面入手。在硬件电路方面，选择超低功耗微处理器和低功耗蓝牙模块；在软件控制方面，主要是对设备工作状态的控制，避免其一直处在全速运行的状态。
3）本发明整体机械外观小，方便作为检测节点加入到矿山物联网传感器网络。在矿山物联网布置的无线网络中，基于SIP协议，可以实现双向的语音通话，收发信息的功能。每个智能头盔装置都作为一个无线访问节点（AP节点），自动构建网络。智能头盔装置将传感器采集到的数据通过无线通讯模块传输给无线通讯基站，中央监控室对与其连接的每个头盔本体进行编号，就可以对井下的矿工进行监控和管理。
整个系统的架构组成如图2所示：
如图2所示的系统由两部分组成：光传感器和数据处理中心。电源模块为上述两个部分提供3.3V电压。数据处理中心对光传感器的光源提供恒流输入，接收光传感器检测到的双波长PPG信号并对信号进行处理，处理器接收光传感器采集的数据，实时显示在LCD屏上，存储在Flash芯片中。通过无线通讯模块与无线基站连接，建立通讯。通过蓝牙模块，把数据传输给智能手机。
附图说明
图1为本发明智能头盔装置整体设计图。
图2为智能头盔架构组成图。
图3为无线通讯示意图。
图1-3中的标号分别表示如下：1、光传感器，2、数据处理中心，3、LED，4、接收头，5、硬件滤波，6、A/D转换，7、处理器，8、LED恒流驱动模块，9、液晶屏，10、蓝牙，11、数据存储，12、无线通讯模块，13、电源模块，14、无线通讯基站，15、光纤，16、环网设备，17、中央监控室。
具体实施方式
本发明的智能头盔装置包括头盔本体，光传感器，数据处理中心。具体实施方式主要针对三点：光传感器的设计；低功耗、抗干扰的设计；可实现通讯的系统设计。
光传感器的设计
1.1 信号采集模块
负责信号的采集，主要完成PPG信号数字化任务，反射式双波长检测技术中，光源和光敏器件被放置在同侧，LED光源产生入射光，经过人体的多次散射，一部分光信号重新返回，光电二极管接收被人体组织反射回的光信号，并转化为电流信号。
本发明尽可能简化了PPG信号测量电路，其只由2个运算放大器组成：直流基线放大器，交流分量放大器。两个运算放大器均使用单电源供电。信号从直流基线放大器的反相端进入，构成负反馈放大电路。使用分立元件电容电阻去除信号直流，与直流基线放大器构成交流耦合放大电路。此外，使用基准参考电压芯片为两个运算放大器的同相端提供偏置电压，来保证运算放大器信号放大的准确度。
电路
光传感器含有双光源LED和光频转换接收头两个器件，LED和接收头以1.5cm间距固定于头带前侧，与固定在头带侧部的控制和采集硬件模块以短导线连接，佩戴时探头位于前额，而硬件电路模块位于头侧部。光源采用的是660nm，950nm双波长LED，仅由正负两引脚控制，当流经LED电流方向为正向或负向时，可发出红光或红外光。接收器采用的光频转换接收头，这是一种特殊的红外接收电路，它将红外接收管与放大电路集成在一起，可感知光强并将其转化为频率大小。
低功耗、抗干扰设计
2.1 低功耗设计
低功耗的设计主要从硬件电路和软件控制上入手。硬件电路上，采用AMS1086CD3.3稳压芯片提供3.3v电源系统，选择MSP430F1611超低功耗微处理器和低功耗蓝牙模块JBM-141，软件控制上主要是对设备工作状态的控制，避免其一直处在全速运行的状态。处理器和光传感器是功耗最多的两个模块，因此对这两个部分的工作时序进行低功耗控制，LED交替发光时，尽量减少LED发光的持续时间，而让其更多的时间处于熄灭状态，以减小其功耗。对于处理器来说，MSP430本身带有不同的工作模式，其低功耗控制，可在采集计算完成以后让处理器进入低功耗休眠模式，直到下一次任务开启时唤醒进入全速运行模式。
抗干扰设计
仪器在设计上需要考虑抗干扰方案措施，优秀的抗干扰设计可保证仪器的性能，印刷电路板的抗干扰方案如下：
设计中对地线和电源进行分割，即模拟地和数字地，模拟电和数字电分开铺设，在数字电源和模拟电源之间使用10mH电感桥接，在模拟地和数字地之间通过0欧电阻连接。
去除信号耦合，电路中的每个芯片的供电电路和地线间均串联使用去耦电容，在信号线上加入旁路电容和去耦电容去除高频噪声，以减少噪声干扰。
印刷电路板（PCB）的布局采用分区设计，模拟电路所用元件放置在模拟区，数字电路元件放置在数字区，电源芯片放置在电源区，摆放模拟芯片和数字芯片时严禁跨区，以避免板间干扰。同时，铺地来提高抗噪声抗干扰能力。
滤波处理
PPG信号的频率主要在0-10Hz之间，为了去除检测信号中混有的噪声，如50Hz噪声，PPG信号直流基线放大电路和交流分量放大电路的两路输出在送入模数转换器之间，先进行低通滤波，截止频率为10Hz，也即经典的Sallen-Key低通滤波器，信号在通过该有源滤波器后，送入A/D模块采集，然后进入处理器模块。
可实现通讯的系统设计
智能头盔系统是矿山物联网的一个应用。因此，智能头盔系统的体系结构也采用感知层、网络层和应用层的三层模式。
感知层
智能头盔处于感知层，携带的WIFI无线网卡，采用的是基于Marvell 8686芯片的SDWIFI模块，通过SDIO口连接至微处理器，该WIFI模块支持IEEE802.11b/g协议，能通过矿井的WIFI无线网络与地面监控中心和矿井其他物联网感知设备相连。
应用层
应用层由通信服务器、数据库服务器和运行在监控中心的PC机上的智能头盔管理软件构成。智能头盔系统是一个基于TCP/IP体系的应用，为此网络协议的选择可以借鉴非常成熟和功能强大的网络通信协议。在本发明中，选用会话初始化协议(Session Initiation Protocol，SIP)作为核心的信令控制协议。会话初始化协议(Session Initiation Protocol，简称SIP)是一种基于文本的、属于应用层的信令控制协议。SIP协议的应用场景包括多媒体会议、多媒体会话、IP网络电话、视频通话、及时消息等。
SIP协议主要有两个网络元素：SIP用户代理(User Agent，UA)和SIP服务器(Server)。用户代理UA，是一个SIP终端，如用于创建和管理SIP会话的移动电话、多媒体手持设备等，用于创建、发送、接收SIP消息并管理一个SIP会话。SIP服务器是处理与多个呼叫相关联的网络设备，主要为用户提供注册、认证、路由、鉴权等服务。
SIP协议及其扩展协议定义了如何建立、修改和终止会话，如何发送文本信息，如何发布用户的在线状态和如何支持用户移动性等规范，能很好的满足智能头盔系统的功能需求。
网络层
网络层完成大范围内的信息传递，主要借助已有的通信系统，如WIFI网络、2G/3G移动网络、互联网等，把感知层采集到的数据快速、可靠安全的传递给应用层它是由很多无线基站。本发明采用WIFI无线网络，在矿井中布置无线基站，智能头盔作为接入点加入到网络拓扑中，实现数据的传输。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例而已，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置，其特征在于，所述智能头盔装置由头盔本体、光传感器和数据处理中心三部分组成，所述光传感器测量的信号通过数据处理中心的A/D模块进入处理器模块，所述处理器模块对测量信号进行处理得到心率数据。
2.如权利要求1所述的一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置，其特征在于，所述光传感器含有双光源LED和光频转换接收头两个器件，通过所述光传感器可以收集矿工的心率信息。
3.如权利要求1所述的一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置，其特征在于，所述智能头盔装置的数据处理中心包括了蓝牙模块，无线通讯模块，A/D采集模块，LED恒流驱动模块，数据存储模块，LCD显示模块，处理器模块，各模块的功能分别是：处理器模块对光传感器的数据进行处理计算，得到实时的心率数据；心率数据可以在数据存储模块上存储，也可以在LCD模块上显示；也可以通过蓝牙模块将数据发送到智能手机；还通过无线通讯模块经过无线网络将数据发送到井上调度室。
4.如权利要求1所述的一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置，其特征在于，所述光传感器采用反射式光电感应传感器。
5.如权利要求1所述的一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置，其特征在于，模拟地和数字地、模拟电和数字电分开铺设，在数字电源和模拟电源之间使用电感桥接，在模拟地和数字地之间通过0欧电阻连接；电路中的每个芯片的供电电路和地线间均串联使用去耦电容，在信号线上加入旁路电容和去耦电容去除高频噪声，以减少噪声干扰；印刷电路板的布局采用分区设计，模拟电路所用元件放置在模拟区，数字电路元件放置在数字区，电源芯片放置在电源区，以避免板间干扰；同时，铺地来提高抗噪声抗干扰能力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180223 Termination date: 20211203 |