CN106023523B - 一种施工安全保护用的自动报警与定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种施工安全保护用的自动报警与定位装置及方法，涉及建筑施工安全技术领域。该装置包括主控单元、电源单元、红外发射单元、红外接收单元、保护钳行程检测单元、安全带卡扣单元、语音报警单元、无线定位单元和上位机，主控单元控制其他各单元的动作，能够自动检测电池电量、安全保护钳、安全带的工作状态，语音报警单元能够在安全带未系好或者安全保护钳未挂在脚手架钢管上的情况下发出报警，提醒施工人员进行安全作业，进而保障施工人员的生命安全，同时该装置还具备无线定位功能，安全监管人员通过上位机就能够直接了解施工人员的位置及安全状态，并对处于非安全作业状态的人员进行语音警告。

Description

一种施工安全保护用的自动报警与定位装置及方法

技术领域：

本发明涉及建筑施工安全技术领域，尤其涉及一种施工安全保护用的自动报警与定位装置及方法。

背景技术：

建筑施工的高处作业工作量大，作业环境复杂，手工操作劳动强度大，极易发生事故，因此，建筑业是我国各行业中属危险性较大的行业。安全生产是建筑业的生命线，发生事故不但给企业造成严重的经济损失，制约企业的生存和发展，同时会造成家庭的不幸和悲痛，甚至影响社会的稳定。据建筑部门的统计数据表明：在建筑业“五大伤害”(即高处坠落、坍塌、物体打击、触电和机械伤害)事故中，高处坠落事故的发生率最高、危险性最大。

在建筑工地进行施工时，为了防止施工人员在高空作业中发生坠落事故，通常会使用跌落防护设备——施工安全保护钳(简称保护钳)和安全带，安全带系于施工人员身上，而保护钳通常挂在脚手架钢管上。但是仅仅使用该跌落防护设备，不能降低在一般工业和建筑业中持续发生的高死亡数字。原因是在使用施工安全保护钳的时候，由于施工人员的疏忽，保护钳未挂在脚手架钢管上或者安全带未系好而直接进行施工的情况时有发生，由此造成诸多的施工人员高空坠落身亡事故。目前现有的施工安全保护钳技术，在安全带和保护钳都正常情况下能够保障施工人员的人身安全，但是在安全带没系好，或者保护钳没挂好的情况下却不能提醒施工人员，因此在建筑工地进行的高空作业中存在着严重的安全隐患。

发明内容：

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种施工安全保护用的自动报警与定位装置及方法，能够在安全带未系好或者保护钳未挂在脚手架钢管上的情况下发出报警，提醒施工人员进行安全作业，进而保障施工人员的生命安全，同时该装置还具备无线定位功能，安全监管人员通过上位机就能够直接了解施工人员的位置及安全状态，并对处于非安全作业状态的人员进行语音警告。

一方面，本发明提供一种施工安全保护用的自动报警与定位装置，该装置包括主控单元、电源单元、红外发射单元、红外接收单元、保护钳行程检测单元、安全带卡扣单元、语音报警单元、无线定位单元和上位机；

主控单元，用于控制其他单元的动作，包括MCU模块、红外发射模块和红外接收模块；红外发射模块包括红外发射接口和红外发射驱动电路，用于为红外发射单元提供驱动，红外发射驱动电路的输入端连接MCU模块，红外发射驱动电路的输出端连接红外发射接口，红外发射接口连接红外发射单元；红外接收模块包括红外接收接口和红外接收处理电路，用于对接收到的红外信号进行放大、微分和滤波处理，红外接收处理电路的输入端连接红外接收接口，红外接收处理电路的输出端连接MCU模块，红外接收接口连接红外接收单元；

电源单元，用于为整个装置供电，包括电池和升压稳压模块；电池连接升压稳压模块的输入端；升压稳压模块输出5V直流电源；

红外发射单元，设于施工保护用的保护钳上，用于发射红外信号，包括6只红外发射管，6只红外发射管之间并联后与红外发射接口连接；

红外接收单元，设于施工保护用的保护钳上，用于接收红外信号，包括6只红外接收管，6只红外接收管之间阴极共地，6只红外接收管的阳极端和共地端与红外接收接口连接；红外发射单元与红外接收单元形成红外对射，用于检测保护钳的状态；

保护钳行程检测单元，用于检测保护钳的状态，包括一个行程开关和开关检测接口；行程开关设于保护钳上，行程开关连接开关检测接口的输入端，开关检测接口的输出端连接MCU模块；

安全带卡扣单元，设于施工保护用的安全带上，用于检测安全带的状态，包括一个安全带卡扣传感器，安全带卡扣传感器的输出端连接MCU模块；

语音报警单元，用于根据MCU模块的指令发出不安全信号的语音报警，包括语音模块和扬声器；语音模块的输入端连接MCU模块；语音模块的输出端连接扬声器；

无线定位单元包括WIFI模块和光耦；WIFI模块的两个通信端口分别通过光耦连接MCU模块，WIFI模块的控制引脚直接连接MCU模块，WIFI模块的输出通过无线网络与上位机进行通讯；

上位机用于接收无线定位单元发送的远程信息，并进行解读与显示。

进一步地，升压稳压模块的输入端同时连接MCU模块，用于检测电池的电量.

进一步地，6只红外发射管、6只红外接收管和行程开关设于保护钳弯钩部分的内侧壁上；6只红外发射管和6只红外接收管对称均匀设置，6只红外发射管或6只红外接收管的管间距设置以脚手架钢管能遮挡位于里侧的4对管的红外光为依据。

进一步地，该装置还包括一个电路安装箱，电路安装箱设于保护钳的外侧壁上，主控单元、电源单元、保护钳行程检测单元、语音报警单元和无线定位单元设于电路安装箱内。

进一步地，电源单元中的电池为锂离子电池。

另一方面，本发明还提供一种施工安全保护用的自动报警与定位方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：装置上电，电池接入升压稳压模块的输入端；

步骤2：升压稳压模块输出稳定的5V电压，给整个装置提供工作电源；

步骤3：MCU模块对行程开关是否动作进行检测，判断保护钳的状态：

若MCU模块未检测到高电平，行程开关没有动作，则执行步骤4，再返回步骤3，重新对行程开关进行检测；若MCU模块检测到高电平，行程开关动作，则执行步骤5；

步骤4：MCU模块控制语音报警单元发出报警信号：安全保护钳未挂好，请勿施工；MCU模块同时将保护钳的状态信息及其当前位置信息发送给WIFI模块，WIFI模块通过无线网络将保护钳状态信息及位置信息发送给上位机；上位机将接受的信息解读并显示，监管人员通过上位机获取高空施工人员的状态信息及位置信息，并对仍使用未正确佩戴保护钳的施工人员进行广播提醒；施工人员重新挂好安全保护钳；

步骤5：MCU模块控制红外发射电路工作，驱动6只红外发射管发射红外信号；

步骤6：6只红外接收管接收对应的6路红外信号，传给红外接收电路，红外接收电路对接收到的红外信号进行放大、微分和滤波处理后传输给MCU模块；

步骤7：MCU模块对放大、微分、滤波之后的6路红外接收信号进行AD采样，并对采样值进行电平判断：

若6只红外接收管中位于里侧的4只对应的4路红外接收信号的采样值由高电平跳变为低电平、位于最外侧的2只对应的2路红外接收信号的采样值电平未变，则执行步骤8；否则执行步骤4，再返回执行步骤5，重新进行红外发射与接收；

步骤8：MCU模块控制安全带卡扣检测单元的传感器检测安全带状态：

若MCU模块检测传感器输出为高电平，表示安全带未系好，则执行步骤9至步骤11，再返回执行步骤8；若MCU模块检测传感器输出由高电平跳变为低电平，表示安全带系好，则执行步骤10；

步骤9：MCU模块控制语音报警单元发出报警信号：安全带未系好，请勿施工；

步骤10：MCU模块将安全带的状态信息及其当前位置信息发送给WIFI模块，WIFI模块通过无线将安全带的状态信息及位置信息发送给上位机；

步骤11：监管人员通过上位机获取高空施工人员的状态信息及位置信息，并对仍使用未正确佩戴安全带的施工人员进行广播提醒。

进一步地，在步骤2之前，先由MCU模块判断电池电量是否充裕：若MCU模块检测到电池电压低于3.7V，则MCU模块控制语音报警单元发出报警信号：电池电量不足，请更换电池后再工作；施工人员立即更换电池；再返回步骤1；若MCU模块检测到电池电压高于或等于3.7V，则直接执行步骤2。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种施工安全保护用的自动报警与定位装置及方法，能够自动检测电池电量、安全保护钳、安全带的工作状态，使装置的动作过程具有自主性；当行程开关动作时，MCU模块才给出发射信号，红外发射管才发射红外信号，降低了系统的功耗，用行程开关和红外对射管对安全保护钳进行双重检测，有效确保安全保护钳的正确挂靠；具备语音报警功能，能够在电池电量不足、安全保护钳未挂在脚手架钢管上、安全带未系好的任一情况下进行报警，提醒施工人员校正非正常状态，并具备无线定位功能，能够将高空施工人员的状态信息和位置信息发送给上位机，由安全监管人员实时监管并在非正常状态时提醒施工人员，有效提高高空作业的可监管性和安全性。

附图说明：

图1为本发明实施例提供的一种施工安全保护用的自动报警与定位装置的结构框图；

图2为图1中的装置安装在安全保护钳上的结构示意图；

图3为图1中的MCU模块与其他单元和模块的连接电路示意图；

图4为图3中红外发射模块的电路结构图；

图5为图3中红外接收模块的电路结构图；

图6为图1中电源单元的电路结构图；

图7为图1中语音报警单元的电路结构图；

图8为图1中无线定位单元的电路结构图；

图9为发明实施例提供的一种施工安全保护用的自动报警与定位方法的流程图。

图中：1、主控单元；101、MCU模块；102、红外发射模块；103、红外接收模块；2、电源单元；201、电池；202、升压稳压模块；3、红外发射单元；301、红外发射管；4、红外接收单元；401、红外接收管；5、保护钳行程检测单元；501、行程开关；502、开关检测接口；6、安全带卡扣单元；7、语音报警单元；8、无线定位单元；9、上位机；10、电路安装箱；11、保护钳。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的一种施工安全保护用的自动报警与定位装置，如图1所示，包括主控单元1、电源单元2、红外发射单元3、红外接收单元4、保护钳行程检测单元5、安全带卡扣单元6、语音报警单元7、无线定位单元8和上位机9。主控单元1包括MCU模块101、红外发射模块102和6个红外接收模块103，电源单元2包括锂离子电池201和升压稳压模块202；红外发射单元3包括6只红外发射管301，红外接收单元4包括6只红外接收管401，保护钳行程检测单元5包括一个行程开关501和开关检测接口502；安全带卡扣单元6包括一个安全带卡扣传感器，语音报警单元7包括语音模块和扬声器，无线定位单元8包括WIFI模块、光耦及其外围电路。该装置还包括一个电路安装箱10，主控单元1、电源单元2、保护钳行程检测单元5、语音报警单元7和无线定位单元8设于电路安装箱10内。该装置整体安装于施工安全保护用的安全保护钳11上，如图2所示，电路安装箱10设于保护钳11的外侧壁上，保护钳11弯钩部分的内侧壁上设有卡槽，6只红外发射管301、6只红外接收管401和行程开关501设于保护钳11弯钩部分的内侧壁上的卡槽内，6只红外发射管301和6只红外接收管401对称均匀设置，形成均匀设置的对射管，6只红外发射管301或6只红外接收管401的管间距设置以脚手架钢管能遮挡住其中位于里侧的4只管，即远离保护钳11弯钩开口的4只管为依据，行程开关501的卡槽设于保护钳11弯钩部分的内侧壁的顶端部位，当保护钳11挂在脚手架钢管上时，该部位接触钢管，触碰行程开关501动作。

具体实施中，对射管的个数及对射管的管间距大小的设置，只要依据标准的脚手架钢管尺寸，相应设置MCU模块101采样电平中的跳变电平与未变化电平的个数即可，例如，可以设置5对红外对射管，即5只红外发射管和5只红外接收管，保护钳11挂在脚手架钢管上时，钢管尺寸刚好遮挡里侧的4对红外对射管的红外光，则MCU模块101采样电平中的跳变电平与未变化电平的个数分别为4和1；也可以设置7对红外对射管，保护钳11挂在脚手架钢管上时，钢管尺寸刚好遮挡里侧的5对红外对射管的红外光，则MCU模块101采样电平中的跳变电平与未变化电平的个数分别为5和2，等等。

主控单元1，用于控制其他单元的动作，MCU模块101与其他单元和模块的连接如图3所示。

MCU模块101作为主控单元1的核心，用于控制其他单元和模块的动作，本实施例中，MCU模块101采用ATMEL公司的Atmega16A-16AU型号单片机，采用12MHz的晶振，并配有两个22p的起振电容C1和C2，MCU模块101与其他单元和模块的连接如图3所示。采用5V直流电压VCC为MCU模块101供电，VCC由电源单元2的输出提供，VCC经过10uH的滤波电感L2与MCU模块101的AVCC引脚相连，这样可以使得输入到MCU模块101的电压更加稳定；电感L2的两端分别接一个100nF的接地电容C19和C20，可以滤除外界辐射的高频干扰。红外发射模块102的输入端与MCU模块101的红外控制I/O引脚PD3、PD4相连；红外接收模块103的输出端和MCU模块101的6路AD采样引脚PA0、PA1、PA2、PA3、PA4和PA5相连；WIFI模块的通信端口与MCU模块101的通信串口PD0、PD1和PD2相连；语音报警单元7与MCU模块101的三个语音控制I/O引脚PD5、PD6、PD7相连；开关检测接口502与MCU模块101的开关检测I/O引脚PC3相连；安全带卡扣单元6与MCU模块101的安全带卡扣检测I/O引脚PC5相连。

红外发射模块102，用于为红外发射单元3提供驱动，包括红外发射接口H0和红外发射驱动电路，红外发射驱动电路的输入端连接MCU模块101的红外控制I/O引脚PD3、PD4，红外发射驱动电路的输出端连接红外发射接口H0的输入端，红外发射接口H0的输出端连接红外发射单元3。本实施例中的红外发射模块102如图4所示，包括红外发射接口H0和红外发射驱动电路中的电阻R2、R3、R4和三极管Q1、Q2，Q1、Q2均为8050型号的三极管。红外发射接口H0的P0接口输出端连接红外发射单元3中各红外发射管301的阳极，P0接口输入端经过电阻R2与VCC相连，为了防止红外发射管301因电流过大，R2电阻采用22Ω、1W的功率电阻；红外发射接口H0的N0接口输出端连接红外发射单元3中各红外发射管301的阴极，N0接口输入端连接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极经过1K电阻R3与MCU模块101的PD4引脚相连，三极管Q1的发射极和三极管Q2的集电极相连，三极管Q2的发射极与地相连，三极管Q2的基极经过一个1K的电阻R4与MCU模块101的PD3引脚相连。MCU模块101在正常状态下，其PD4引脚稳定输出38K赫兹的PWM波，为了降低系统的功率损耗，结合红外发射模块102的电路采用如下的控制方式：当MCU模块101的PC3检测到行程开关501动作时，MCU模块101的PD3引脚输出高电平，导通Q1、Q2，红外发射模块102提供发射信号，驱动红外发射单元3发射红外信号；当MCU模块101的PC3未检测到行程开关501动作时，MCU模块101的PD3引脚输出低电平，Q1、Q2不导通，红外发射模块102不提供发射信号，红外发射单元3不能发射红外信号。

6个红外接收模块103，用于对6个红外接收管401接收到的红外信号进行相应的放大、微分和滤波处理，各红外接收模块103均包括红外接收接口H1和红外接收处理电路，各红外接收处理电路的输入端连接相应的红外接收接口H1的输出端，各红外接收处理电路的输出端分别连接MCU模块101的6路AD采样引脚PA0、PA1、PA2、PA3、PA4和PA5，各红外接收接口H1的输入端分别连接红外接收单元4的6个红外接收管401。本实施例中的红外接收模块103如图5所示，包括红外接收接口H1和红外接收处理电路的三极管Q3、Q4、电阻R5、R6、R7、R8、R9、电容C4、C5和二极管D1，其中，Q3为8550型号的三极管，Q4为8050型号的三极管，D1为1N4148型号的二极管。红外接收管401的阳极与三极管Q3的基极相连，三极管Q3的发射极与VCC相连，三极管Q3的集电极经过一个2K的电阻R8与地相连，同时三极管Q3的集电极与三极管Q4的基极相连，三极管Q4的发射极经过一个200Ω的电阻R9与地相连，三极管Q4的集电极经过一个5.1K的电阻R5与VCC相连，同时三极管Q4的集电极经过一个10K的电阻R6和一个10nF的电容C4与一个二极管D1的阴极相连，二极管D1的阳极与地相连，二极管D1的阴极经过一个100K的电阻R7与MCU模块101的AD采样PA0引脚相连，同时MCU模块101的PA0引脚外接一个10nF的接地电容C5。红外接收信号经过三极管Q3、Q4放大之后，经过由R6、C4组成的微分电路，将干扰光的信号滤除，然后经R7、C5组成的滤波电路进行滤波，得到MCU模块101可识别的稳定信号。红外接收单元3共有6只红外接收管401，分别对应6个相同的红外接收模块103，6个红外接收模块103的输出端由上到下分别与MCU模块101的PA0、PA1、PA2、PA3、PA4、PA5引脚相连。

电源单元2，用于将锂离子电池201的电压经升压稳压模块202后稳定到5V，给整个装置提供工作电压，其电路如图6所示。升压稳压模块202包括升压稳压芯片U3及外围电路，本实施例中，升压稳压芯片U3采用MCP1640-I/CHY型号。锂离子电池GB的输出端经过电源开关SW后的电压为VMID，当开关SW闭合时，VMID为电池电压，当开关断开时，VMID为0，为了限制进入MCU模块101的电流过大，将VMID经过220Ω的电阻R39与MCU模块101的PA6引脚相连，用于检测电池电压。同时VMID经过10K的电阻R43、型号为BAV70的二极管D0与U3的3引脚相连；同时，U3的3引脚经过10K的电阻R42后接地；U3的6引脚经过22uF的电容C16与VMID相连，同时U3的6引脚经过4.7uH的电感L1与U3的1引脚相连，U3的2引脚直接接地，U3的4引脚经过309K的电阻R41后接地，U3的5引脚经过976K的电阻R40与U3的4引脚相连，同时，U3的5引脚经过1K的电阻R44和发光二极管D7与地相连，发光二极管D7的阴极接地，发光二极管D7用于指示系统供电正常与否，U3的5引脚还经过22uF的电容C17输出5V的直流电压VCC。

语音报警单元7，用于为施工人员提供语音警告，保证施工人员的安全施工，包括一个语音模块和一个扬声器，其电路连接如图7所示，本实施例中，语音模块采用型号为BY8301-16P的模块，扬声器采用规格为0.5W/8Ω的的扬声器BL。电源单元2的输出直流电压VCC经过一个BAV70二极管D8降压0.5V后与语音模块的VCC引脚连接，语音模块的GND引脚直接接地；语音模块的IO1、IO2、IO3引脚分别与MCU模块101的三个语音控制I/O引脚PD5、PD6、PD7连接；语音模块的SPK1引脚和SPK2引脚分别与扬声器BL的两个引脚连接。语音模块内部可以存放多个音频资料，MCU模块101控制语音模块的三个端口IO1、IO2、IO3来对音频进行读取，通过控制三个端口的高低电平可以读取不同的音频资料，达到针对不同非正常情况进行语音警告的目的。

无线定位单元8包括一个WIFI模块、两个光耦及其外围电路，其电路连接如图8所示，本实施例中，WIFI模块的型号为Microchip公司的RN-171b模块，其供电电压为5V直流电压VCC，经内部转换之后得到3.3V的直流电压VDD，VDD为WIFI模块的工作电压；WIFI模块的RXD引脚与光电耦合器U4的4引脚相连，光电耦合器U4的4引脚通过一个3.3K的电阻R46接地；光电耦合器U4的6引脚直接和直流电压VDD相连，直流电压VDD作为光电耦合器U4的供电电源；光电耦合器U4的1引脚通过一个1K电阻R45与MCU模块101的PD1引脚相连；光电耦合器U4的3引脚直接接地。WIFI模块的TXD引脚通过一个1K电阻R47与光电耦合器U5的1引脚相连；光电耦合器U5的6引脚和直流电压VCC相连，光电耦合器U5的3引脚直接接地；光电耦合器U5的4引脚通过5.1K的接地电阻R48与MCU模块101的PD0引脚相连。WIFI模块的GPIO_9直接与MCU模块101的PD2引脚相连。MCU模块101通过通信串口PD0、PD1和PD2对WIFI模块的通信端口TXD、RXD和GPIO_9发送命令来控制无线定位单元8，或发送施工人员的安全状态信息和位置信息，WIFI模块再将这些信息通过无线网络传输给上位机9，监管人员根据上位机9显示的信息对非正常状态施工的工人进行广播提醒。

采用上述的施工安全保护用的自动报警与定位装置进行报警与定位的方法，如图9所示，具体包括如下步骤。

步骤1：装置上电，闭合电源开关SW，将锂离子电池201接入升压稳压模块202的输入端，LED显示灯D7点亮；

步骤2：MCU模块101的AD采样引脚判断电池201电量是否充裕，若MCU模块101检测到电池201电压低于3.7V，则执行步骤3；若MCU模块101检测到电池201电压高于或等于3.7V，则执行步骤4；

步骤3：MCU模块101发出控制信号，使语音报警单元7发出报警：电池电量不足，请更换电池；施工人员立即更换电池后，再返回步骤1，重新上电；

步骤4：升压稳压模块202输出稳定的5V电压，给整个装置提供工作电源；

步骤5、MCU模块101的开关检测I/O引脚PC3对行程开关501是否动作进行检测，判断保护钳的状态：

若MCU模块101的PC3引脚未检测到高电平，行程开关501没有动作，则执行步骤6至步骤8，再返回步骤5，重新对行程开关501进行检测；

若MCU模块101的PC3引脚检测到高电平，行程开关501动作，则执行步骤9；

步骤6：MCU模块101发出控制信号，使语音报警单元7发出报警：安全保护钳未挂好，请勿施工；MCU模块101同时将保护钳的状态信息及其当前位置信息发送给WIFI模块，WIFI模块通过无线网络将保护钳状态信息及位置信息发送给上位机9；

步骤7：上位机9将接受的信息解读并显示，监管人员通过上位机9获取高空施工人员的状态信息及位置信息，并对仍使用未正确佩戴保护钳的施工人员进行广播提醒；

步骤8：施工人员重新挂好安全保护钳；

步骤9：MCU模块101的PD3引脚输出高电平，PD4引脚输出38K赫兹的PWM波，使红外发射电路工作，驱动6只并联的红外发射管301发射红外信号；

步骤10：6只红外接收管接401收对应的6路红外信号，传给红外接收电路，红外接收电路对接收到的红外信号进行放大、微分和滤波处理后传输给MCU模块101；

步骤11：MCU模块101的6路AD采样引脚PA0、PA1、PA2、PA3、PA 4、PA5对放大、微分、滤波之后的6路红外接收信号进行AD采样，MCU模块101对AD采样值进行电平判断：

若MCU模块101的6路AD采样引脚中，位于里侧的4只红外接收管对应的4路红外接收信号的AD采样值，即PA0、PA1、PA2、PA3引脚的AD采样值由高电平跳变为低电平，并且位于最外侧的2只红外接收管对应的2路红外接收信号的AD采样值，即PA4和PA5引脚的AD采样值电平未变化，则执行步骤12；

若MCU模块101的6路AD采样引脚中，AD采样值电平变化与上述变化不一致，则执行步骤6至步骤8，再返回步骤9，重新进行红外发射与接收；

步骤12：MCU模块101的安全带卡扣检测I/O引脚PC5控制安全带卡扣单元6的传感器检测安全带状态：

若MCU模块101的PC5引脚始终为高电平，表示安全带未系好，则执行步骤13至步骤15，再返回执行步骤12，重新检测安全带状态；

若MCU模块101的PC5引脚电平由高电平跳变为低电平，表示安全带系好，则执行步骤14；

步骤13：MCU模块101发出控制信号，使语音报警单元7发出报警：安全带未系好，请勿施工；

步骤14：MCU模块101通过串口引脚PD0、PD1、PD2将安全带的状态信息及其当前位置信息发送给WIFI模块，WIFI模块通过无线网络将安全带的状态信息和位置信息发送给上位机9；

步骤15：监管人员通过上位机9获取高空施工人员的状态信息和位置信息，并对仍未正确佩戴安全带的施工人员进行广播提醒，再次确保施工人员在安全状态下进行高空作业。

本发明提供的一种施工安全保护用的自动报警与定位装置及方法，能够自动检测电池电量、安全保护钳、安全带的工作状态，使装置的动作过程具有自主性；当行程开关动作时，MCU模块才给出发射信号，红外发射管才发射红外信号，降低了系统的功耗，用行程开关和红外对射管对安全保护钳进行双重检测，有效确保安全保护钳的正确挂靠；具备语音报警功能，能够在电池电量不足、安全保护钳未挂在脚手架钢管上、安全带未系好的任一情况下进行报警，提醒施工人员校正非正常状态，并具备无线定位功能，能够将高空施工人员的状态信息和位置信息发送给上位机，由安全监管人员实时监管并在非正常状态时提醒施工人员，有效提高高空作业的可监管性和安全性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种施工安全保护用的自动报警与定位装置，其特征在于，该装置包括主控单元(1)、电源单元(2)、红外发射单元(3)、红外接收单元(4)、保护钳行程检测单元(5)、安全带卡扣单元(6)、语音报警单元(7)、无线定位单元(8)和上位机(9)；

所述主控单元(1)，用于控制其他单元的动作，包括MCU模块(101)、红外发射模块(102)和6个红外接收模块(103)；所述红外发射模块(102)包括红外发射接口和红外发射驱动电路，用于为红外发射单元(3)提供驱动，所述红外发射驱动电路的输入端连接所述MCU模块(101)，所述红外发射驱动电路的输出端连接所述红外发射接口，所述红外发射接口连接所述红外发射单元(3)；所述红外接收模块(103)包括红外接收接口和红外接收处理电路，用于对接收到的红外信号进行放大、微分和滤波处理，所述红外接收处理电路的输入端连接所述红外接收接口，所述红外接收处理电路的输出端连接所述MCU模块(101)，所述红外接收接口连接所述红外接收单元(4)；

所述电源单元(2)，用于为整个装置供电，包括电池(201)和升压稳压模块(202)；所述电池(201)连接升压稳压模块(202)的输入端；所述升压稳压模块(202)输出5V直流电源；

所述红外发射单元(3)，设于施工保护用的保护钳(11)上，用于发射红外信号，包括6只红外发射管(301)，所述6只红外发射管(301)之间并联后与所述红外发射接口连接；

所述红外接收单元(4)，设于施工保护用的保护钳(11)上，用于接收红外信号，包括6只红外接收管(401)，所述6只红外接收管(401)之间阴极共地，所述6只红外接收管(401)的阳极端和共地端与所述红外接收接口连接；所述红外发射单元(3)与所述红外接收单元(4)形成红外对射，用于检测所述保护钳(11)的状态；

所述保护钳行程检测单元(5)，用于检测所述保护钳(11)的状态，包括一个行程开关(501)和开关检测接口(502)；所述行程开关(501)设于所述保护钳(11)上，所述行程开关(501)连接所述开关检测接口(502)的输入端，所述开关检测接口(502)的输出端连接所述MCU模块(101)；

所述6只红外发射管(301)、6只红外接收管(401)和行程开关(501)设于所述保护钳(11)弯钩部分的内侧壁上；所述6只红外发射管(301)和6只红外接收管(401)对称均匀设置，所述6只红外发射管(301)或6只红外接收管(401)的管间距设置以脚手架钢管能遮挡位于里侧的4对管的红外光为依据；

所述安全带卡扣单元(6)，设于施工保护用的安全带上，用于检测安全带的状态，包括一个安全带卡扣传感器，所述安全带卡扣传感器的输出端连接所述MCU模块(101)；

所述语音报警单元(7)，用于根据所述MCU模块(101)的指令发出不安全信号的语音报警，包括语音模块和扬声器；所述语音模块的输入端连接所述MCU模块(101)；所述语音模块的输出端连接所述扬声器；

所述无线定位单元(8)包括WIFI模块和光耦；所述WIFI模块的两个通信端口分别通过光耦连接所述MCU模块(101)，所述WIFI模块的控制引脚直接连接所述MCU模块(101)，所述WIFI模块的输出通过无线网络与所述上位机(9)进行通讯；

所述上位机(9)用于接收所述无线定位单元(8)发送的远程信息，并进行解读与显示。

2.根据权利要求1所述的一种施工安全保护用的自动报警与定位装置，其特征在于，所述升压稳压模块(202)的输入端同时连接所述MCU模块(101)，用于检测所述电池(201)的电量。

3.根据权利要求1所述的一种施工安全保护用的自动报警与定位装置，其特征在于，还包括一个电路安装箱(10)，所述电路安装箱(10)设于保护钳(11)的外侧壁上，所述主控单元(1)、电源单元(2)、保护钳行程检测单元(5)、语音报警单元(7)和无线定位单元(8)设于所述电路安装箱(10)内。

4.根据权利要求1所述的一种施工安全保护用的自动报警与定位装置，其特征在于，所述电源单元(2)中的电池(201)为锂离子电池。

5.一种施工安全保护用的自动报警与定位方法，其特征在于，该方法采用权利要求1所述的一种施工安全保护用的自动报警与定位装置实现，包括如下步骤：

步骤1：装置上电，电池(201)接入升压稳压模块(202)的输入端；

步骤2：升压稳压模块(202)输出稳定的5V电压，给整个装置提供工作电源；

步骤3：MCU模块(101)对行程开关(501)是否动作进行检测，判断保护钳的状态：

若MCU模块(101)未检测到高电平，行程开关(501)没有动作，则执行步骤4，再返回执行步骤3，重新对行程开关(501)进行检测；若MCU模块(101)检测到高电平，行程开关(501)动作，则执行步骤5；

步骤4：MCU模块(101)控制语音报警单元(7)发出报警信号：安全保护钳未挂好，请勿施工；MCU模块(101)同时将保护钳的状态信息及其当前位置信息发送给WIFI模块，WIFI模块通过无线网络将保护钳状态信息及位置信息发送给上位机(9)；上位机(9)将接受的信息解读并显示，监管人员通过上位机(9)获取高空施工人员的状态信息及位置信息，并对仍使用未正确佩戴保护钳的施工人员进行广播提醒；施工人员重新挂好安全保护钳；

步骤5：MCU模块(101)控制红外发射电路工作，驱动6只红外发射管(301)发射红外信号；

步骤6：6只红外接收管(401)接收对应的6路红外信号，传给红外接收电路，红外接收电路对接收到的红外信号进行放大、微分和滤波处理后传输给MCU模块(101)；

步骤7：MCU模块(101)对放大、微分、滤波之后的6路红外接收信号进行AD采样，并对采样值进行电平判断：

若所述6只红外接收管中位于里侧的4只对应的4路红外接收信号的采样值由高电平跳变为低电平、位于最外侧的2只对应的2路红外接收信号的采样值电平未变，则执行步骤8；否则执行步骤4，再返回执行步骤5，重新进行红外发射与接收；

步骤8：MCU模块(101)控制安全带卡扣检测单元的传感器检测安全带状态：

若MCU模块(101)检测传感器输出为高电平，表示安全带未系好，则执行步骤9至步骤11，再返回执行步骤8；若MCU模块(101)检测传感器输出由高电平跳变为低电平，表示安全带系好，则执行步骤10；

步骤9：MCU模块(101)控制语音报警单元(7)发出报警信号：安全带未系好，请勿施工；

步骤10：MCU模块(101)将安全带的状态信息及其当前位置信息发送给WIFI模块，WIFI模块通过无线将安全带的状态信息及位置信息发送给上位机(9)；

步骤11：监管人员通过上位机(9)获取高空施工人员的状态信息及位置信息，并对仍使用未正确佩戴安全带的施工人员进行广播提醒。

6.根据权利要求5所述的一种施工安全保护用的自动报警与定位方法，其特征在于，在所述步骤2之前，先由MCU模块(101)判断电池(201)电量是否充裕：若MCU模块(101)检测到电池(201)电压低于3.7V，则MCU模块(101)控制语音报警单元(7)发出报警信号：电池(201)电量不足，请更换电池(201)后再工作；施工人员立即更换电池(201)；再返回步骤1；若MCU模块(101)检测到电池(201)电压高于或等于3.7V，则直接执行步骤2。