CN105654664A - 基于多传感器协同的焊接安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多传感器协同的焊接安全监测系统，包括焊接人员安全帽、集成有单片机内核的Zgibee片上系统、光敏传感器及接口电路、反射式红外光电传感器及接口电路、三轴加速度传感器、反射片、第一遮光板、第二遮光板护目镜、手持式面罩、Zigbee模块。本发明结构合理，能及时准确判断从业人员是否使用焊手持面罩或护目镜、是否佩戴安全帽、是否跌倒。

Description

基于多传感器协同的焊接安全监测系统

本申请是申请号：201410650747.1、申请日：2014.11.17、名称“基于多传感器信息融合的船舶焊接人员远程监测报警系统”的分案申请。

技术领域

本发明涉及涉及一种监测系统，是一种基于多传感器信息融合的船舶焊接人员远程监测报警系统。

背景技术

船舶修造行业属于劳动力和技术密集型行业，在船体建造中，焊接工时约占船体建造总工时的30%～40%，焊接成本占船体建造总成本的30%～50%。船舶焊接工作量很大，万吨级油船对接焊缝在20KM左右；十万吨级油船，对接焊缝在50KM左右；此外，万吨级集装箱船、散装货船、汽车运输船等大型船舶，对接焊缝在长达30KM左右。

我国船舶修造焊接多以人工焊接为主，2012年北京大学等机构学者(徐岩,宫曼漫,王姣等.电焊紫外辐射对工人危害及防护措施现况调查[J].北京大学学报（医学版），2012,44（3）：448-453)就电焊紫外辐射对作业人员的危害进行了调研。究共获得有效问卷828份，其中电焊工721人，辅工107人。面部皮肤损伤的症状及体征发生率从高到低依次是灼热刺痛(48.7%)、皮肤痒(39%)、色素沉着(31.9%)、皮肤潮红(25.4%)、感觉迟钝麻木(12%)、斑疹丘疹(10.1%)、疣状赘生物(3.7%)。被调查的工人中，90%的人在过去一年内发生过电光性眼炎，眼部损伤的症状按发生率从高到低依次是眼部疼痛(61.5%)、畏光流泪(61.4%)、视物模糊(50.2%)、烧灼感(35.9%、异物感(32%)、眼睛抽搐(12.2%)。对438名工人眼部体检发现晶状体混浊的发生率为15.8%，眼底病变的发生率为2.5%。

焊接弧光引发的焊工电光性眼炎被列为是尘肺病之外的第二大职业病，不佩戴防护面罩的危险度是佩戴防护面罩的1.8倍，且在在多人同时进行焊接作业的场合，不从事焊接作业的人员，同样容易受到周边弧光辐射的伤害。在船舶修造企业频繁出现焊接时不带护目镜或焊接面罩的行为，弧光、飞溅引起视觉损伤，皮肤组织伤害甚至皮肤癌，严重影响了身体健康及工作效率。对于这种违反焊接作业安全管理规范、防护意识淡泊的行为必须进行有效监测和管理，杜绝由此引起的健康伤害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，及时准确判断从业人员是否使用焊手持面罩或护目镜、是否佩戴安全帽、是否跌倒的基于多传感器信息融合的船舶焊接人员远程监测报警系统。

本发明的技术解决方案是：

一种基于多传感器信息融合的船舶焊接人员远程监测报警系统，其特征是：包括焊接人员安全帽、集成有单片机内核的Zgibee片上系统、光敏传感器及光敏传感器接口电路、反射式红外光电传感器及反射式红外光电传感器接口电路、三轴加速度传感器、反射片、第一遮光板、第二遮光板护目镜、手持式面罩、Zigbee模块；其中集成有单片机内核的Zigbee片上系统、光敏传感器及光敏传感器接口电路、反射式红外光电传感器及反射式红外光电传感器接口电路、第一遮光板、三轴加速度传感器均安装在焊接人员安全帽上；集成有单片机内核Zigbee片上系统、光敏传感器接口电路、反射式红外光电传感器接口电路、三轴加速度传感器均安装在焊接人员安全帽内；光敏传感器、反射式红外光电传感器、第一遮光板固定安装在焊接人员安全帽外表面；当焊接人员戴上安全帽后，光敏传感器应位于正前方，能够感测焊接人员前方的外界光强；当焊接人员戴上安全帽、戴上护目镜后，反射式红外光电传感器位于正前方，发射管指向护目镜；第一遮光板固定安装在反射式红外光电传感器前方，长度长于反射式红外光电传感器，确保焊接人员前方的光源不会干扰红外光电传感器；如焊接人员佩戴护目镜作为防护用具，护目镜上表面与红外光电传感器相对处，贴上反射片，第二遮光板固定安装在反射片前方，确保焊接人员前方的光源不会经反射片反射到红外光电传感器；在舱室门口放置有Zigbee通讯模块，负责将安全帽中Zigbee片上系统传递的信息，通过无线网络输出至监控室。

Zigbee片上系统采用CC2530型号的芯片，内含有51内核的单片机。

焊接开始及安全帽佩戴检测过程：

Zigbee片上系统内的单片机收到光敏传感器信号，确认焊接开始。单片机确认焊接开始后，首检测焊接人员是否佩戴安全帽。确认方法如下：每个焊接人员佩戴固定的安全帽，单片机中固化有该人员的身份信息；，且该安全帽内部有三轴加速度传感器；如果该人员没有戴安全帽，则安全帽位置信息、姿态信息不会改变；如果该人员佩戴了安全帽，则作业中，人体头部的姿态变化会引起传感器有信息输出，由于采用三轴加速度传感器，头部抖动会引起传感器输出；由于焊接作业人员不可能完全静止，因此当人员佩戴上安全帽后，三轴加速度传感器输出的信息是不断变化的；因此可采用单片机实时采集三轴加速度传感器信号，如果发现一段时间内三轴加速度传感器三通道信息均未变化，则可认为对应的焊接人员未佩戴安全帽；

单片机在确认焊接开始后，采集三轴加速度传感器信息；三轴加速度传感器可输X、Y、Z三路模拟量或者数字量信号，如输出模拟量信号，则送入芯片自带的A/D口，如输出数字量信号可直接连接至单片机；单片机每隔一段时间采集一次三轴加速传感器三通道数据。单片机通过软件设置计数器，计算单片机采集三轴加速度传感器数据的次数，如果达到设定次数三路数据均未改变，则可认为对应的焊接人员未佩戴安全帽；单片机通过zigbee网络发出该人员身份信息、表征该人员未佩戴安全帽的字符信息，进行远程报警，并由监控室进行记录和管理；如果发现三轴加速度传感器任意一通道数据变化率超过人工设定的阈值，则可判定人员可能摔倒，则同样通过zigbee进行报警、记录和管理；

此在每个舱室出入口，安装了Zigbee通讯模块，作为中继节点，安全帽中的Zigbee片上系统的单片机将报警信息传输给舱室出入口的Zigbee通讯模块，由该通讯模块将信号逐层上传，直至总监控室。

手持面罩或护目镜检测过程：

在焊接中，焊工采用手持面罩或者佩戴护目镜来进行弧光防护；

在确认焊接人员佩戴了安全帽后，单片机软件延时，单片机软件延时后，再读取光敏传感器信息，如果光敏传感器不再感受到弧光，则说明焊接人员已经拿起来面罩，阻挡了孤光传输到光敏传感器；

如果单片机延时后，光敏传感器任能够感受弧光，可能存在两种情况：一是焊接人员没有用手持式面罩，但是使用了护目镜；二是焊接人员既没有使用手持面罩，也没有使用护目镜；因此下一步，进行护目镜检测；安全帽上安装的反射式红外光电传感器发射管指向焊接人员鼻梁处，在鼻梁上方的护目镜表面，贴上反射片，如果焊接人员佩戴了护目镜，则反射式红外电传感器接收管能够接收到反射的红外光；如果焊接人员未佩戴护目镜，则反射式红外光电传感器接收管接收不到足够的光强；为了避免弧光干扰，在反射式红外光电传感器、反射片处，均固定安装挡光板；单片机通过调制方式驱动反射式红外光电传感器发射管；，红外接收管经过接口电路连接到单片机，单片机通过软件检测频率为f的反射信号，从而增加了系统抗干扰能力；

当单片机持续检测到光敏传感器响应，却没有检测到反射式红外传感器响应，则可判定焊接人员既为使用手持面罩，也未使用护目镜，则安全帽中的Zigbee片上系统的单片机将焊接人员身份、报警信息传输给舱室出入口的Zigbee通讯模块，由该通讯模块将信号逐层上传，直至总监控室，实现记录和管理。

本发明针对手持面罩、护目镜两种焊接保护用品，采用了新型监测系统，通过多传感器综合检测，判断从业人员是否使用焊手持面罩或护目镜、是否佩戴安全帽、是否跌倒，如发现焊接人员未按规定使用焊手持面罩或护目镜、未佩戴安全帽，则将该人员对应的身份代码（如工号）及违规作业信息发送至监控室，进行报警，并供安全监测人员记录和管理。

本发明所述的基于多传感器信息融合的船舶修造焊接人员远程安全监测报警系统的有益效果主要表现在：

通用性强。针对船舶修造焊接中最常用的安全帽、手持式面罩、护目镜使用进行监测，可有效监测焊接人员作业时，不戴安全帽、不使用焊接面罩或者不佩戴护目镜的违规操作现象。且能够监测焊接人员跌倒状态。

成本低、功能强。采用廉价的光电传感器。采用Zigbee组网方式，实现信息远传。采用带有单片机内核的Zigbee片上系统实现信息处理。具有高性价比。

智能化能度高。采用红外光电传感器、光敏传感器、三轴加速度传感器多传感器进行检测，通过对多传感器信息的综合分析，得到焊接人员焊接过程中安全防护用具佩戴情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述的船舶修造焊接人员远程安全监测报警系统框图；

图2是本发明所述的船舶修造焊接人员远程安全监测报警系统程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种基于多传感器信息融合的船舶焊接人员远程监测报警系统，它主要由以下几部分组成（参照图1）：焊接人员安全帽1、Zgibee片上系统（集成有单片机内核）2、光敏传感器3及光敏传感器接口电路4、反射式红外光电传感器5及反射式红外光电传感器接口电路6、三轴加速度传感器7、反射片8、第一遮光板9、第二遮光板10、护目镜11、手持式面罩12、Zigbee模块13。Zigbee片上系统（集成有单片机内核）、光敏传感器及光敏传感器接口电路、反射式红外光电传感器及反射式红外光电传感器接口电路、第一遮光板9、三轴加速度传感器均安装在焊接人员安全帽上。其中Zigbee片上系统（集成有单片机内核）、光敏传感器接口电路、反射式红外光电传感器接口电路、三轴加速度传感器均安装在焊接人员安全帽内。光敏传感器、反射式红外光电传感器、遮光板1固定安装在焊接人员安全帽外。当焊接人员戴上安全帽后，光敏传感器应位于正前方，能够感测焊接人员前方的外界光强。当焊接人员戴上安全帽、戴上护目镜后，反射式红外光电传感器位于正前方，发射管指向护目镜。第一遮光板固定安装在反射式红外光电传感器前方，长度应长于反射式红外光电传感器，确保焊接人员前方的光源不会干扰红外光电传感器。如焊接人员佩戴护目镜作为防护用具，护目镜上表面与红外光电传感器相对处，贴上反射片，第二遮光板固定安装在反射片前方，确保焊接人员前方的光源不会经反射片反射到红外光电传感器。由于船舱多为金属结构的封闭空间，为克服信号屏蔽，使信息远传，在舱室门口放置有Zigbee通讯模块，负责将安全帽中Zigbee片上系统传递的信息，通过无线网络输出至监控室。

Zigbee片上系统（集成有单片机内核）、光敏传感器接口电路、反射式红外光电传感器接口电路、三轴加速度传感器均安装在焊接人员安全帽内，具体安装位置位于人员头顶与安全帽顶部外壳空隙处。焊接人员戴上安全帽后，需保证光敏传感器位于正前方，且能感测外界光强。反射式红外光电传感器也位于正前方，发射的红外光指向焊接人员鼻梁处。

当焊接开始后，光敏传感器感测到强烈的弧光，接口电路产生信号变化，并输入至Zigbee片上系统的内核单片机，Zigbee片上系统可采用CC2530等型号的芯片，内含有51内核的单片机。

焊接开始及安全帽佩戴检测：

Zigbee片上系统内的单片机（以下简称单片机）收到光敏传感器信号，确认焊接开始。单片机确认焊接开始后，首检测焊接人员是否佩戴安全帽。确认方法如下：每个焊接人员佩戴固定的安全帽，单片机中固化有该人员的身份信息（如工号），且该安全帽内部有三轴加速度传感器。如果该人员没有戴安全帽，则安全帽位置信息、姿态信息不会改变。如果该人员佩戴了安全帽，则作业中，人体头部的姿态变化会引起传感器有信息输出，由于选用高灵敏度的三轴加速度传感器，即使很轻微的头部抖动都会引起传感器输出。由于焊接作业人员不可能完全静止，因此当人员佩戴上安全帽后，三轴加速度传感器输出的信息是不断变化的。因此可采用单片机实时采集三轴加速度传感器信号，如果发现一段时间内三轴加速度传感器三通道信息均未变化，则可认为对应的焊接人员未佩戴安全帽。

单片机在确认焊接开始后，采集三轴加速度传感器信息。三轴加速度传感器可输X、Y、Z三路模拟量或者数字量信号，如输出模拟量信号，则送入CC2530自带的A/D口，如输出数字量信号可直接连接至单片机。单片机每隔一段时间（时间间隔为毫秒级），采集一次三轴加速传感器三通道数据。单片机通过软件设置计数器，计算单片机采集三轴加速度传感器数据的次数，如果达到设定次数（如10次）三路数据均未改变，则可认为对应的焊接人员未佩戴安全帽。单片机通过zigbee网络发出该人员身份信息、表征该人员未佩戴安全帽的字符信息，进行远程报警，并由监控室进行记录和管理。如果发现三轴加速度传感器任意一通道数据变化率超过人工设定的阈值，则可判定人员可能摔倒，则同样通过zigbee进行报警、记录和管理，此方法可以监测焊接人员触电等意外情况，为抢救争取时间。

由于船舱为多为金属结构，对信号具有较强的屏蔽作用。因此在每个舱室出入口，安装了Zigbee通讯模块，作为中继节点，安全帽中的Zigbee片上系统的单片机将报警信息传输给舱室出入口的Zigbee通讯模块，由该通讯模块将信号逐层上传，直至总监控室。

手持面罩或护目镜检测：

在焊接中，焊工普遍采用手持面罩或者佩戴护目镜来进行弧光防护。

在确认焊接人员佩戴了安全帽后，单片机软件延时（焊接人员在引弧后，抓起面罩需要较短时间）。单片机软件延时后，再读取光敏传感器信息，如果光敏传感器不再感受到弧光，则说明焊接人员已经拿起来面罩，阻挡了孤光传输到光敏传感器。

如果单片机延时后，光敏传感器任能够感受弧光，可能存在两种情况：一是焊接人员没有用手持式面罩，但是使用了护目镜。二是焊接人员既没有使用手持面罩，也没有使用护目镜。因此下一步，将进行护目镜检测。安全帽上安装的反射式红外光电传感器发射管指向焊接人员鼻梁处。在鼻梁上方的护目镜表面，贴上反射片，如果焊接人员佩戴了护目镜，则反射式红外电传感器接收管能够接收到反射的红外光。如果焊接人员未佩戴护目镜，则反射式红外光电传感器接收管接收不到足够的光强。为了避免弧光干扰，在反射式红外光电传感器、反射片处，均固定安装挡光板。单片机通过调制方式驱动反射式红外光电传感器发射管（设调制频率为f），红外接收管经过接口电路连接到单片机，单片机通过软件检测频率为f的反射信号，从而增加了系统抗干扰能力。

当单片机持续检测到光敏传感器响应，却没有检测到反射式红外传感器响应，则可判定焊接人员既为使用手持面罩，也未使用护目镜，则安全帽中的Zigbee片上系统的单片机将焊接人员身份（工号）、报警信息传输给舱室出入口的Zigbee通讯模块，由该通讯模块将信号逐层上传，直至总监控室，实现记录和管理。

Claims (4)

1.一种基于多传感器协同的焊接安全监测系统，其特征是：包括焊接人员安全帽、集成有单片机内核的Zgibee片上系统、光敏传感器及光敏传感器接口电路、反射式红外光电传感器及反射式红外光电传感器接口电路、三轴加速度传感器、反射片、第一遮光板、第二遮光板护目镜、手持式面罩、Zigbee模块；其中集成有单片机内核的Zigbee片上系统、光敏传感器及光敏传感器接口电路、反射式红外光电传感器及反射式红外光电传感器接口电路、第一遮光板、三轴加速度传感器均安装在焊接人员安全帽上；集成有单片机内核Zigbee片上系统、光敏传感器接口电路、反射式红外光电传感器接口电路、三轴加速度传感器均安装在焊接人员安全帽内；光敏传感器、反射式红外光电传感器、第一遮光板固定安装在焊接人员安全帽外表面；当焊接人员戴上安全帽后，光敏传感器应位于正前方，能够感测焊接人员前方的外界光强；当焊接人员戴上安全帽、戴上护目镜后，反射式红外光电传感器位于正前方，发射管指向护目镜；第一遮光板固定安装在反射式红外光电传感器前方，长度长于反射式红外光电传感器，确保焊接人员前方的光源不会干扰红外光电传感器；如焊接人员佩戴护目镜作为防护用具，护目镜上表面与红外光电传感器相对处，贴上反射片，第二遮光板固定安装在反射片前方，确保焊接人员前方的光源不会经反射片反射到红外光电传感器；在舱室门口放置有Zigbee通讯模块，负责将安全帽中Zigbee片上系统传递的信息，通过无线网络输出至监控室；

手持面罩或护目镜检测过程：

在焊接中，焊工采用手持面罩或者佩戴护目镜来进行弧光防护；

在确认焊接人员佩戴了安全帽后，单片机软件延时，单片机软件延时后，再读取光敏传感器信息，如果光敏传感器不再感受到弧光，则说明焊接人员已经拿起来面罩，阻挡了孤光传输到光敏传感器；

如果单片机延时后，光敏传感器任能够感受弧光，可能存在两种情况：一是焊接人员没有用手持式面罩，但是使用了护目镜；二是焊接人员既没有使用手持面罩，也没有使用护目镜；因此下一步，进行护目镜检测；安全帽上安装的反射式红外光电传感器发射管指向焊接人员鼻梁处，在鼻梁上方的护目镜表面，贴上反射片，如果焊接人员佩戴了护目镜，则反射式红外电传感器接收管能够接收到反射的红外光；如果焊接人员未佩戴护目镜，则反射式红外光电传感器接收管接收不到足够的光强；为了避免弧光干扰，在反射式红外光电传感器、反射片处，均固定安装遮光板；单片机通过调制方式驱动反射式红外光电传感器发射管；，红外接收管经过接口电路连接到单片机，单片机通过软件检测频率为f的反射信号，从而增加了系统抗干扰能力；

当单片机持续检测到光敏传感器响应，却没有检测到反射式红外传感器响应，则可判定焊接人员既为使用手持面罩，也未使用护目镜，则安全帽中的Zigbee片上系统的单片机将焊接人员身份、报警信息传输给舱室出入口的Zigbee通讯模块，由该通讯模块将信号逐层上传，直至总监控室，实现记录和管理。

2.根据权利要求1所述的基于多传感器协同的焊接安全监测系统，其特征是：Zigbee片上系统采用CC2530型号的芯片，内含有51内核的单片机。

3.根据权利要求1或2所述的基于多传感器协同的焊接安全监测系统，其特征是：所述人员身份信息为工号。

4.根据权利要求1所述的基于多传感器协同的焊接安全监测系统，其特征是：单片机通过调制方式驱动反射式红外光电传感器发射管，调制频率为f。