CN104849330A - 一种穿戴式窒息预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，包括移动终端、氧气测量与预警装置及远程服务器，移动终端和氧气测量与预警装置之间建立无线通信。与现有技术相比，本发明的有益技术效果包括但不限于：短距无线通信技术低功耗蓝牙实现移动终端对氧气测量与预警装置的实时监控；氧气测量与预警装置实现本地阈值报警；移动终端实现氧气浓度窒息远程趋势预警；远程服务器实现远程对系统的实时监测与控制。

Description

一种穿戴式窒息预警系统

技术领域

本发明涉及一种穿戴式窒息预警系统，属于特种装备技术领域。

背景技术

在工矿或者市政企业里的现场施工人员，因作业环境中氧气浓度过低而导致伤亡的事件时有发生。如何保障作业人员的生命安全，是急需解决的问题。

市场上常见的用于检测氧气浓度的设备有氧气检测仪，该仪器需要人工读取氧气浓度，现场施工人员的作业效率因此降低，而且没有预警功能。而传统的防护服则价格昂贵、功能简单，防护服本体体积庞大，更加会降低现场施工人员的工作效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种作业效率高且便于使用的用于测量使用者周围环境中氧气浓度的设备。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，包括移动终端、氧气测量与预警装置及远程服务器，移动终端和氧气测量与预警装置之间建立无线通信，其中：

移动终端，用于：显示通过氧气测量与预警装置获得的氧气浓度值及环境温湿度数据；设定和/或调整氧气测量与预警装置的氧气浓度的告警阈值；显示当前和预测时刻的警情；

氧气测量与预警装置包括平台、传感器及执行器，其中：

平台用于：接收来自传感器的数据并得出氧气浓度值及环境温湿度数据；建立与移动终端的通信；

传感器包括氧气电化学传感模块及温湿度模块，其中：

氧气电化学传感模块用于得到与氧气浓度成正比的数字信号并传输给平台；

温湿度模块用于得到环境温湿度数据并传输给平台；

当氧气浓度值超过告警阈值时，执行器用于：产生告警；加速氧气测量与预警装置腔内的气体流动。

远程服务器用于：解析所有移动终端传输的数据；实时监控氧气测量与预警装置所处环境的氧气浓度值、环境温湿度以及告警情况；当监测到氧气测量与预警装置的氧气浓度超阈值并达到一定时间，使用者对危险警情未作出反应，通过移动终端的定位系统，显示所处具体位置，并由相关人员进行救援。

优选地，所述移动终端根据环境温湿度数据对氧气浓度值进行校正。

优选地，所述移动终端还用于对下一个时刻的氧气浓度值进行预测，并和阈值比较，由所述氧气测量与预警装置根据比较结果产生告警，其中，设当前时刻为t，则所述移动终端对下一个时刻的氧气浓度值进行预警的步骤为：

步骤1、读取t-1时刻至t-N时刻的N个历史氧气浓度数据；

步骤2、分析时间序列上的跳点和拐点，将不正常的突变点剔除；

步骤3、加以时间序列趋势分析，或基于水平时间序列，利用一次指数平滑模型拟合曲线，或基于趋势时间序列，利用三次指数平滑模型拟合曲线；

步骤4、根据步骤3得到的曲线，得出t+1时刻的氧气浓度值预测值y(t+1)；

步骤5、得到的氧气浓度值预测值y(t+1)和阈值比较，在移动终端上以文字的形式显示预测正常、预测临界和预测报警。

优选地，所述执行器包括视觉告警模块、听觉告警模块及触觉告警模块。

优选地，所述视觉告警模块至少包括绿灯、黄灯及红灯；

所述视觉、听觉和触觉告警模块产生告警的方法为：

当通过氧气电化学传感模块获得的实时氧气浓度低于告警阈值时，绿灯常亮，所述听觉告警模块及所述触觉告警模块不动作；当通过氧气电化学传感模块获得的实时氧气浓度达到告警阈值附近时，黄灯低频闪烁，所述触觉告警模块及所述听觉告警模块中仅一个动作，另一个不动作；当通过氧气电化学传感模块获得的实时氧气浓度超过告警阈值时，红灯高频闪烁，所述触觉告警模块及所述听觉告警模块均动作。

优选地，所述听觉告警模块包括压电蜂鸣器驱动电路及与其相连的压电蜂鸣器；所述触觉告警模块包括振动电机驱动电路及与其相连的振动电机。

优选地，所述执行器还包括气体交换模块，该气体交换模块在所述平台的控制下加速所述氧气测量与预警装置腔内的气体流动。

优选地，所述气体交换模块包括压电微型风扇驱动电路及压电微型风扇，压电微型风扇驱动电路的输入端与所述平台相连，其输出端连接压电微型风扇。

优选地，所述氧气电化学传感模块包括氧气电化学传感器，氧气电化学传感器输出正比于氧气浓度的微弱电流，该微弱电流接到模拟前端，通过模拟前端将电流放大，再经数模转换器输出数字信号至所述平台。

穿戴式设备是一种能直接穿在身上或者整合到用户的衣物、配件里的一种便携设备。它不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持、数据交互、云端交互等来实现其强大功能。氧气电化学气体传感器通过和环境中的氧气发生氧化还原反应，输出正比于氧气浓度的微弱电流，其体积小、功耗和价格低等特点正适合应用于穿戴式装置。低功耗微处理器的选择也考虑到穿戴式装置的电池容量。蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术，能够简化移动终端设备之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效。它支持点对点/点对多点通信，工作频段属于全球通用的2.4GHz。近期蓝牙技术联盟公布的蓝牙4.2标准，在隐私保护、数据传输和IPv6网络支持等方面有很大提升。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果包括但不限于：

1、短距无线通信技术低功耗蓝牙实现移动终端对氧气测量与预警装置的实时监控；

2、氧气测量与预警装置实现本地阈值报警；

3、移动终端实现氧气浓度窒息远程趋势预警；

4、远程服务器实现远程对系统的实时监测与控制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种穿戴式窒息预警系统的拓扑图；

图2是氧气测量与预警装置电路框图；

图3是氧气测量与预警装置中平台电路框图；

图4是氧气测量与预警装置中传感器电路框图；

图5是氧气测量与预警装置中执行器电路框图；

图6是氧气测量与预警装置中各个执行器控制电路框图；

图7是移动终端预警流程图；

图8是实施例的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1和图2所示，本发明提供了一种穿戴式窒息预警系统，包括：移动终端1、氧气测量与预警装置2和远程服务器3。移动终端1和氧气测量与预警装置2通过蓝牙智能无线连接。移动终端1实时显示氧气测量与预警装置2传输的氧气浓度值和环境温湿度等数据，同时还提供听觉和触觉报警；氧气测量与预警装置2又由平台4、传感器5和执行器6组成，用于感知环境中的氧气浓度、温湿度等信息，通过无线网络发送至移动终端1，同时还提供本地的听觉、触觉和视觉报警。远程服务器3解析所有移动终端传输1的数据；实时监控氧气测量与预警装置2所处环境的氧气浓度值、环境温湿度以及告警情况；当监测到氧气测量与预警装置2的氧气浓度超阈值并达到一定时间，使用者对危险警情未作出反应，通过移动终端1的定位系统，显示所处具体位置，并由相关人员进行救援。

如图3所示，平台4由蓝牙智能片上系统41和电源管理42组成。蓝牙智能片上系统41用于与传感器5、执行器6之间的控制和通信，以及与移动终端1的通信；电源管理42由CR2032纽扣锂电池和电池放电电路组成，为整个氧气测量与预警装置2供电。

如图4所示，传感器5由氧气电化学传感模块51和温湿度模块52组成。氧气电化学传感模块51中的氧气电化学传感器512正比于浓度输出微弱电流，该电流接到模拟前端513，通过模拟前端513中的增益电阻进行电流的放大，再经数模转换514输出数字信号。用温湿度模块52对氧气浓度值进行校正。

如图5和图6所示，执行器6由气体交换模块61、触觉告警模块62、听觉告警模块63和视觉告警模块64组成。

蓝牙智能片上系统41通过使能端来控制压电微型风扇驱动电路611，从而控制压电微型风扇612的开关，其中压电微型风扇驱动电路611是将电源管理42的3.3V输出提升至10～20V，10～20V电压再接入由4运放组成的电路。

蓝牙智能片上系统41通过使能端来控制振动电机驱动电路621，从而控制振动电机622的开关。

蓝牙智能片上系统41通过使能端来控制压电蜂鸣器驱动电路631，从而控制压电蜂鸣器632的开关。

蓝牙智能片上系统41通过使能端来控制三色LED灯(红绿黄)驱动电路641，从而控制三色LED灯642的开关和闪烁，红灯高频闪烁、黄灯低频闪烁和绿灯常亮分别表示氧气气体浓度为报警、临界以及正常三种警情。

如图7所示，是本发明中移动终端1的预警流程图，设当前时刻为t，则移动终端1对下一个时刻的氧气浓度值进行预测的步骤为：

步骤1、读取t-1时刻至t-N时刻的N个历史氧气浓度数据；

步骤2、分析时间序列上的跳点和拐点，将不正常的突变点剔除；

步骤3、加以时间序列趋势分析，或基于水平时间序列，利用一次指数平滑模型拟合曲线，或基于趋势时间序列，利用三次指数平滑模型拟合曲线；

步骤4、根据步骤3得到的曲线，得出t+1时刻的氧气浓度值预测值y(t+1)。

而图8为本发明的工作流程图，其工作步骤为：

步骤1、初始化氧气测量与预警装置2；

步骤2、由氧气测量与预警装置2检测环境参数，包括氧气浓度及温湿度；

步骤3、氧气测量与预警装置2根据环境温湿度数据对氧气浓度值进行校正；

步骤4、氧气测量与预警装置2校正后的氧气浓度值和阈值比对，发布正常、临界以及报警三种警情，相应触觉告警模块62、听觉告警模块63和视觉告警模块64动作；

步骤5、氧气测量与预警装置2通过蓝牙智能片上系统41发送数据至移动终端1；步骤6、利用上述方法，移动终端1对下一个时刻的氧气浓度值进行预测，得到氧气浓度的预测值y(t+1)；

步骤7、当预测值y(t+1)低于告警阈值时，移动终端1显示预测正常(绿色字体)；当氧气浓度值预测值y(t+1)达到告警阈值时附近，移动终端1显示预测临界(黄色字体)；当预测值y(t+1)超过告警阈值时，移动终端1显示预测报警(红色字体)。

步骤8、移动终端1发送数据至远程服务器3；

步骤9、远程服务器3实时监控所有的氧气测量与预警装置2所处环境的氧气浓度值、环境温湿度以及告警情况；当监测到氧气测量与预警装置2的氧气浓度超阈值并达到一定时间，使用者对危险警情未作出反应，通过移动终端1的定位系统，显示所处具体位置，并由相关人员进行救援。

Claims (9)

1.一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，包括移动终端(1)、氧气测量与预警装置(2)及远程服务器(3)，移动终端(1)和氧气测量与预警装置(2)之间建立无线通信，其中：

移动终端(1)，用于：显示通过氧气测量与预警装置(2)获得的氧气浓度值及环境温湿度数据；设定和/或调整氧气测量与预警装置(2)的氧气浓度的告警阈值；显示当前和预测时刻的警情；

氧气测量与预警装置(2)包括平台(4)、传感器(5)及执行器(6)，其中：

平台(4)用于：接收来自传感器(5)的数据并得出氧气浓度值及环境温湿度数据；建立与移动终端(1)的通信；

传感器(5)包括氧气电化学传感模块(51)及温湿度模块(52)，其中：

氧气电化学传感模块(51)用于得到与氧气浓度成正比的数字信号并传输给平台(4)；

温湿度模块(52)用于得到环境温湿度数据并传输给平台(4)；

当氧气浓度值超过告警阈值时，执行器(6)用于：产生告警；加速氧气测量与预警装置(2)腔内的气体流动；

远程服务器(3)用于：解析所有移动终端(1)传输的数据；实时监控氧气测量与预警装置(2)所处环境的氧气浓度值、环境温湿度以及告警情况；当监测到氧气测量与预警装置的氧气浓度超阈值并达到一定时间，使用者对危险警情未作出反应，通过移动终端(1)的定位系统，显示所处具体位置，并由相关人员进行救援。

2.如权利要求1所述的一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，所述移动终端(1)根据环境温湿度数据对氧气浓度值进行校正。

3.如权利要求1所述的一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，所述移动终端(1)还用于对下一个时刻的氧气浓度值进行预测，并和阈值比较，由所述氧气测量与预警装置(2)根据比较结果产生告警，其中，设当前时刻为t，则所述移动终端(1)对下一个时刻的氧气浓度值进行预测的步骤为：

步骤1、读取t-1时刻至t-N时刻的N个历史氧气浓度数据；

步骤2、分析时间序列上的跳电和拐点，将不正常的突变点作为不正常点剔除；

步骤3、加以时间序列趋势分析，或基于水平时间序列，利用一次指数平滑模型拟合曲线，或基于趋势时间序列，利用三次指数平滑模型拟合曲线；

步骤4、根据步骤3得到的曲线，得出t+1时刻的氧气浓度值预测值y(t+1)；

步骤5、得到氧气浓度值预测值y(t+1)和阈值比较，在移动终端上以文字的形式显示预测正常、预测临界和预测报警。

4.如权利要求3所述的一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，所述执行器(6)包括视觉告警模块(64)、听觉告警模块(63)及触觉告警模块(62)。

5.如权利要求4所述的一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，所述视觉告警模块(64)至少包括绿灯、黄灯及红灯；

所述视觉告警模块(64)、听觉告警模块(63)及触觉告警模块(62)产生告警的方法为：

当通过氧气电化学传感模块(51)获得的实时氧气浓度低于告警阈值时，绿灯常亮，所述听觉告警模块(63)及所述触觉告警模块(62)不动作；当通过氧气电化学传感模块(51)获得的实时氧气浓度达到告警阈值附近时，黄灯低频闪烁，所述触觉告警模块(62)及所述听觉告警模块(63)中仅一个动作，另一个不动作；当通过氧气电化学传感模块(51)获得的实时氧气浓度超过告警阈值时，红灯高频闪烁，所述触觉告警模块(62)及所述听觉告警模块(63)均动作。

6.如权利要求3所述的一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，所述听觉告警模块(63)包括压电蜂鸣器驱动电路(631)及与其相连的压电蜂鸣器(632)；所述触觉告警模块(62)包括振动电机驱动电路(621)及与其相连的振动电机(622)。

7.如权利要求1所述的一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，所述执行器(6)还包括气体交换模块(61)，该气体交换模块(61)在所述平台(4)的控制下加速所述氧气测量与预警装置(2)腔内的气体流动。

8.如权利要求6所述的一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，所述气体交换模块(61)包括压电微型风扇驱动电路(611)及压电微型风扇(612)，压电微型风扇驱动电路(611)的输入端与所述平台(4)相连，其输出端连接压电微型风扇(612)。

9.如权利要求1所述的一种穿戴式窒息预警系统，其特征在于，所述氧气电化学传感模块(51)包括氧气电化学传感器(512)，氧气电化学传感器(512)输出正比于氧气浓度的微弱电流，该微弱电流接到模拟前端(513)，由通模拟前端(513)将电流放大，再经数模转换器(514)输出数字信号至所述平台(4)。