CN108242126A - 一种可主动探测和识别危险并警报的智能可穿戴设备 - Google Patents

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CN108242126A CN201810227610.3A CN201810227610A CN108242126A CN 108242126 A CN108242126 A CN 108242126A CN 201810227610 A CN201810227610 A CN 201810227610A CN 108242126 A CN108242126 A CN 108242126A
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肖泽仪
王泽学
万启东
秦杨梅
曾际颖
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Abstract

本发明公开一种可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备。所述的智能可穿戴设备可主动探测测距范围内移动物体的参数，通过基于Android系统或其他操作系统的主控芯片和符合安全学的算法程序判断移动物体对人身的安全威胁风险大小，并据此对佩戴者发出警报，使佩戴人员可以采取主动措施以有效规避可能发生的人身伤害，因而提高人身安全性。

Description

一种可主动探测和识别危险并警报的智能可穿戴设备
技术领域
本发明涉及安全工程领域，涉及一种可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备。
背景技术
随着现代工业化进程不断向前推进，使得工作环境越来越复杂多变，危险程度比以前也大大提高了。在危险发生时，劳动保护装备是作为对施工人员的最后一层保护。关键时候，优良的劳保装备往往可以使施工人员避免受到伤害，甚至可以挽救生命。但是从安全学角度出发，目前被应用的劳保装备基本全部属于被动保护的装备，简言之，目前的装备只是作为当危险发生或者已经对人员产生伤害之后，减少人员受到伤害程度的一种装备。如果将劳保装备的设计结合主动保护的思想，在危险还未发生就提前对人员进行警报与提醒，那么就可以完全避免人员受到伤害，防患于未然。主动保护装备符合本质安全的理念，这样的保护设备会极大提高对人员的保护程度。
随着信息技术的广泛运用，智能可穿戴设备的应用也越来越广泛。智能可穿戴设备主要的特点体现在移动便携上，当今，市场上开发的智能可穿戴设备多集中在智能眼镜、智能手表、手环等，随着智能可穿戴设备发展规模的扩大的应用越来越成熟，智能可穿戴设备将具有十分广阔的应用前景。可穿戴设备可以将传感器、处理器、无线通讯等模块嵌入到可以随身穿戴的物件中，既保证了便捷性，又使实现了穿戴设备的智能化和与其他智能设备如智能手机、电脑的交互性。所以如果将智能可穿戴设备技术应用到劳保装备中，既可以帮助实现劳保装备的主动保护功能，又可以使劳保设备实现智能化和功能集成化，以适应目前越来越复杂的工作环境。
发明内容
针对目前缺少可以主动保护的智能可穿戴的劳动保护设备的问题，本发明提供了一种可以主动探测、识别和警报的智能可穿戴保护设备，解决了现在操作人员在施工作业过程中只能被动防御，而不能主动发现危险并及时躲避危险的问题。
如附图1，本发明包括处理模块、储存模块、定位模块、通讯模块、报警模块、雷达传感器模块、电源模块、显示模块。
处理模块：用于与储存模块、定位模块、通讯模块、报警模块、雷达传感器模块、电源模块和显示模块的连接。
储存模块：用于存储来自处理模块处理分析后的信息和预置在其内部的程序代码。
定位模块：基于但不限于北斗或GPS定位系统，对佩戴者进行准确的定位。
通讯模块：用于连接用户所属的后台管理部门，包括但不限定为蓝牙、WI-FI、4G/3G/2G网络。
报警模块：响应来自处理模块分析处理后的超过预设临界危险情况的信息，包括但不限定为声音报警、振动报警或闪光报警。
雷达传感器模块：采用多普勒微波雷达，用于对移动物体的距离、方位及速度的测量和分析。
电源模块：为所述设备提供电力，包括但不限定为可充电的锂离子电池系统。
显示模块：用于设备的操作、设置和参数实时显示，包括但不限定为LCD显示器、LED显示器，其反馈方式包括但不限定为可触控显示屏、键盘、按钮。
所述处理模块用于处理、分析和传输数据。所述处理和分析的数据来自储存模块、定位模块、通讯模块、雷达传感器模块、电源模块和显示模块。所述传输的数据可以传送到警报模块和显示模块或通讯模块。
所述储存模块中存储处理模块处理分析后的信息和一组预设的程序代码。所述程序代码基于但不限制于Android系统。所述程序代码为符合安全学准则的算法程序，可被处理模块调用，用于分析移动物体的危险是否达到预设危险临界值。
所述定位模块包括但不限于北斗定位或GPS定位。所述定位模块可以为处理模块提供准确的地理位置及周边环境信息。所述地理位置和周边环境信息会被加入到程序代码的计算中，为计算提供更准确的信息。
所述通讯模块连接用户所属的后台管理部门和语音通话，所述通讯模块包括但不限定为蓝牙、WI-FI、4G/3G/2G网络。所述通讯模块可以建立与本发明匹配的专用APP软件的连接。
所述警报模块响应来自处理模块分析处理后的超过预设临界危险情况的信息。所述警报模块包括但不限定为声音报警、振动报警或闪光报警。所述警报模块与处理模块建立连接。所述警报模块根据处理模块计算得出的警报等级进行相应的报警。
所述雷达传感器模块包括并不限定为微波雷达、激光雷达或超声波雷达。所述雷达传感器可可以探测移动物体的距离、方位及速度，并将分析处理后的数据信息传输至处理模块。所述雷达传感器模块采用多普勒微波雷达。所述移动物体的参数可由雷达传感器将通过A/D转换器传送到处理模块处理和分析。
所述电源模块为所述可穿戴设备提供电力。所述电源模块包括但不限定为可充电的锂电池或铅蓄电池系统。所述电源模块与处理模块连接，处理模块可感知所述智能可穿戴设备在开机状态下的电池储蓄电量，以语音和震动形式提醒佩戴人员及时充电。
所述显示模块可以实时显示电源电量和定位信息。所述显示模块包括但不限定为LCD显示器、LED显示器。所述显示器的反馈方式包括但不限定为可触控显示屏、键盘、按钮。
所述移动物体的距离、速度和方位等参数处理分析是否会对作业人员造成危险，包括：分析所述移动物体的距离、速度和方位等参数是否属于预设的危险预警等级范围内；在所述移动物体的距离、速度和方位等参数不属于预设的危险预警等级范围内，确定操作人员处于安全状态。
根据上述技术方案，本发明的有益效果包括：可以主动检测物体的速度、距离和运动方向等，通过基于Android系统或其他操作系统的主控芯片和符合安全学原理的算法程序来判断危险，并进行报警提示，使佩戴本发明的人员可以采取主动措施以有效规避可能发生的人身伤害，因而提高人身安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1和附图2分别是本发明的硬件构架图和硬件工作示意图；附图3和附图4分别是本发明的软件构架图和软件工作示意图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术实施以及技术效果更加清晰，以下结合附图1至附图4和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
如附图2，硬件工作流程包括以下3个步骤。
步骤1 雷达传感器模块将探测到的含有移动物体的距离、方位和速度参数的波形信号传输至处理器模块。
步骤2处理器模块对获得的信号分析，并根据预置的安全程序算法，判断是否达到危险预警值。
步骤3若未达到危险预警，则佩戴者处于安全状态。若达到危险预警，处理器模块向报警模块发送指令，报警模块响应，发出刺耳警铃，提醒佩戴者规避危险。
软件架构由雷达传感器模块、数据库读取模块、安全算法模块、显示模块、预警模块、信息分享模块和定位模块组成。
如附图4，软件工作流程包括以下5个步骤。
步骤1 软件APP采集到由雷达传感器获得的波形信号。
步骤2 波形信号经提取得到频率、波长等信息，数据分析模块将该信息与数据库数据对比分析得到移动物体的距离、速度和方向。
步骤3 危险等级评价模块通过安全评价程序对移动物体的距离、速度和方向进行综合分析，得到危险等级。
步骤4 警报模块根据危险等级判定是否向警报器发送信号。
步骤5 信息分享模块对相应危险结果显示，并对处在危险中的人员位置信息分享至管理终端。
具体来说，工程现场人员可以通过佩戴可穿戴设备完成周边环境移动物体的探测，雷达传感器模块实时地将所探测移动物体的距离、方位和速度参数，并将该信息传输至处理器模块，对于移动物体安全性的分析在处理模块中完成，如若移动物体对佩戴者造成危险，报警模块会在处理模块的指令下作出响应，佩戴者可以采取主动措施以有效规避可能发生的人身伤害，当人员受伤或被困，佩戴者可通过通讯模块及时将地理位置发送至管理端，进行营救。以下结合具体实施例分析。
实施例Ⅰ。
一种智能可穿戴主动保护头盔，其应用环境为山区，保护对象包括矿工、矿石勘探工、山区环卫工等。
上述工作者所处的工作环境，经常会发生高空坠石。该危险大大危害了工作者的人身安全，而且这一类的安全事故屡见不鲜。目前，作为保护设备的头盔的保护机制仅仅是当坠物落下，砸到人员头部时，起缓冲作用。而一旦坠石体积过大、速度过快或打击部位没有覆盖保护，就会对工作人员造成致命的伤害。而智能可穿戴主动保护头盔不光进行被动的覆盖保护，还可以在坠石没有打击到工作人员的时候进行警报，主动提醒工作人员对坠石进行避让。
其结构包括以下部分。
雷达传感器模块：雷达传感器发出电磁波并接收回波，根据回波的信号包含包括坠石的到人体距离、下坠速度、下坠方向或坠石体积等信息，然后将模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号，送至处理模块。
处理模块：将雷达传感器模块探测到的坠石的的数据综合处理；将定位模块得到的地理位置信息进行处理；将处理后的数据分别相应的发送至显示模块、警报模块、通讯模块等执行相应的功能。
内存模块：存储一段基于但不限定于Android系统的程序代码，为处理模块所调用以处理和发送数据。
警报模块：包括振动元件、闪光元件和扬声器，接收处理模块发送的警报等信号，并发出相应的报警提示。
定位模块：采用北斗卫星定位，将获取的位置信息发送到处理模块。
通讯模块：包括4G网络等，用于连接用户所属的后台管理部门和语音通话。将人员位置信息、危险警报信号和头盔电源电量传输至后台管理部门，一旦出现人员受伤便于营救或组织其他工作人员撤离附近位置。
电池模块：可持续地为智能可穿戴主动保护头盔提供电源，保证其他模块可以正常运行。
显示模块：用于设备的操作、设置和参数实时显示。
所述处理模块包括以下部分。
雷达信号处理部分：雷达数字信号进行模拟信号还原，分析数据，然后利用安全评价的方法计算出危险值。
警报处理部分：当上述坠石的危险值超过警报下限时，发送警报信号和坠石方向信号至警报模块和通讯模块。
定位处理部分：将定位模块获取的位置信息处理后发送至通讯模块，以便救援。
电池处理部分：准确测定电池电量，并发送至显示模块。
所述雷达信号处理部分包括以下部分。
数字信号还原部分：将雷达传感器通过A/D转换器得到的二进制数字信号还原为模拟信号，以便后续采集数据。
数据分析部分：通过分析模拟信号的相位变化、回波时间等信息，得到坠石下落速度、体积、距人体距离和下落方向等数据。
危险评价部分:利用本质安全评价、模糊评价和变权等方法，将上述坠石下落速度等数据综合得到一个危险值。
所述雷达传感器模块包括以下部分。
雷达部分：雷达采用多普勒微波雷达，其测速原理是采用了多普勒原理，即通过对比射波和回波的相位的变化得到速度。另外根据自由落体：坠石下落距离s=1/2×重力加速度g×下落时间的平方t2，结合人体反应时间、处理器计算时间及留给人员充分时间躲避坠石的时间并加上安全余量，总共预计为6s，雷达传感器的最远探测至少为180米。
A/D转换部分：将回波和射波的模拟信号还换为二进制数字信号，以传输数据至处理器模块。
所述警报模块包括以下部分。
振动报警部分：将5个振动元件分别布置在头盔的前方、后方、左方、右方和上方，根据坠石下落的方向，相应的方向上的振动元件振动，以提高人员的躲避效率。
声音报警部分：当探测到坠石对人体有危险后进行声音警报，避免人员错过警报。
闪光报警部分：位于头盔四周，以提醒四周其他人员注意坠石危险。
所述通讯模块包括以下部分。
数据发送部分：将全部数据及警报信号打包成帧发送至后台管理部门。
语音通话部分：后台管理部门可通过语音通话和工作人员保持联系，当事故发生后，便于判断事故的程度，指挥救援。
实施例Ⅱ。
一种智能可穿戴主动保护反光衣，其应用环境为城市道路或高速公路，保护对象包括交警、道路维护工、道路环卫工等。
据报载，全世界每年因交通事故死亡的人数约130万，交通事故是“是世界第一公害”，这已成为世界范围内的共识。交警、道路维护工、道路环卫工等行业也因此成为了高危行业。作为上述工作者最常见的劳动保护设备反光衣，其工作原理是利用了光的反射原理，将太阳光或车灯光反射，以便被驾驶员发现他们的位置，并及时对他们进行避让。但是如果出现阳光不充足、驾驶员走神等原因，很容易导致危险发生。而智能可穿戴主动保护反光衣可以预判车辆是否对人员产生危险，如果预判危险发生主动进行警报，工作人员可提前避让，而不只是单方面依赖驾驶员的避让。
其结构包括以下部分。
雷达传感器模块：雷达传感器发出电磁波并接收回波，根据回波的信号包含包括车辆的到人体距离、行驶速度、行驶方向或雷达截面积等信息，然后将模拟信号通过A/D转换器转换为数字信号，送至处理模块。
处理模块：将雷达传感器模块探测到的车辆的的数据综合处理；将定位模块得到的地理位置信息进行处理；将处理后的数据分别相应的发送至显示模块、警报模块、通讯模块等执行相应的功能。
内存模块：存储一段基于但不限定于Android系统的程序代码，为处理模块所调用以处理和发送数据。
警报模块：包括振动元件、闪光元件和扬声器，接收处理模块发送的警报等信号，并发出相应的报警提示。
定位模块：采用北斗卫星定位，将获取的位置信息发送到处理模块。
通讯模块：包括蓝牙、4G网络等，用于连接用户个人智能移动设备和连接用户所属的后台管理部门。将人员位置信息、危险警报信号和反光衣电池电量传输至后台管理部门，一旦出现人员受伤便于营救和及时通知交警部门维持交通以免扩大事故影响范围。
电池模块：可持续地为智能可穿戴主动保护反光衣提供电源，保证其它模块可以正常运行。
显示模块：用于设备的操作、设置和参数实时显示，并且设有按钮以消除警报。
所述处理模块包括以下部分。
雷达信号处理部分：雷达数字信号进行模拟信号还原，分析数据，然后利用安全评价的方法计算出危险值。
警报处理部分：当上述车辆的危险值超过警报下限时，发送警报信号和车辆行进方向信号至警报模块和通讯模块。
定位处理部分：将定位模块获取的位置信息处理后发送至通讯模块，以便救援和及时维持交通秩序。
电池处理部分：准确测定电池电量，并发送至显示模块和通讯模块。
所述雷达信号处理部分包括以下部分。
数字信号还原部分：将雷达传感器通过A/D转换器得到的二进制数字信号还原为模拟信号，以便后续数据采集。
数据分析部分：通过分析模拟信号的相位变化、回波时间等信息，得到车辆行驶速度、距人体距离和行驶方向等数据。
危险评价部分:利用本质安全评价、模糊评价和变权等方法，将上述车辆行驶速度等数据综合得到一个危险值。
所述雷达传感器模块包括以下部分。
雷达部分：雷达采用多普勒微波雷达，其测速原理是采用了多普勒原理，即通过对比射波和回波的相位的变化得到速度。另外根据高速公路最快车速是120Km/h，结合人体反应时间、处理器计算时间及留给人员充分时间躲避车辆的时间并加上安全余量，总共预计为9s，故雷达传感器的最远探测至少为300米。
A/D转换部分：将回波和射波的模拟信号还换为二进制数字信号，以传输数据至处理器模块。
所述警报模块包括以下部分。
振动报警部分：将4个振动元件分别布置在反光衣的前方、后方、左方和右方，根据车辆相对人员的行驶方向，相应的方向上的振动元件振动，以提高人员的躲避效率。
声音报警部分：当探测到行驶车辆对人体有危险后进行声音警报，避免人员错过警报。
闪光报警部分：位于反光衣四周，以提醒驾驶员和四周其他人员注意车辆碰撞危险。
所述通讯模块包括以下部分。
数据发送部分：将全部数据及警报信号打包成帧发送至后台管理部门。
语音通话部分：后台管理部门可通过语音通话和工作人员保持联系，当事故发生后，便于判断事故的程度，指挥救援。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (12)

1.一种可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述智能可穿戴设备包括处理模块、储存模块、定位模块、通讯模块、报警模块、雷达传感器模块、电源模块、显示模块；
所述智能可穿戴设备，其特征在于，工作流程包括对移动物体的数据采集、危险等级评定、发出警报或求救通讯等。
2.根据权利要求1所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，包括：
处理模块：用于与储存模块、定位模块、通讯模块、报警模块、雷达传感器模块、电源模块和显示模块的连接，实现信息的处理和传输；
储存模块：用于存储预置在其内部的程序代码和来自处理模块处理分析后的信息；
定位模块：用于准确定位佩戴者的地理位置；
通讯模块：用于连接用户所属的后台管理部门，一旦出现人员受伤的情况，可以将人员位置信息和危险警报信号传输至后台管理部门，及时营救；
报警模块：用于响应来自处理模块分析处理后的超过预设临界危险情况的信息，响应形式包括声音报警、振动报警或闪光报警；
雷达传感器模块：用于对移动物体的距离、方位及速度的测量和分析，并将分析后的数据信息传输至处理模块；
电源模块：用于为所述设备提供电力；
显示模块：用于设备的操作、设置和参数实时显示。
3.根据权利要求2所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述处理模块用于处理、分析和传输数据；
所述处理和分析的数据来自储存模块、定位模块、通讯模块、雷达传感器模块、电源模块和显示模块；
所述传输的数据可以传送到警报模块、显示模块和通讯模块。
4.根据权利要求3所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述储存模块中存储处理模块处理分析后的信息和一组预设的程序代码；
所述程序代码基于Android系统或其他操作系统；
所述程序代码为符合安全学准则的算法程序，可被处理模块调用，用于分析移动物体的安全威胁风险大小，判断危险是否达到预设危险临界值。
5.根据权利要求3所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述定位模块包括但不限于北斗定位或GPS定位；
所述定位模块可以为处理模块提供准确的地理位置及周边环境信息；
所述地理位置和周边环境信息会被加入到程序代码的计算中，为计算提供更准确的信息。
6.根据权利要求3所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述通讯模块连接用户所属的后台管理部门和语音通话，将人员位置信息和危险警报信号传输至后台管理部门，一旦出现人员受伤便于营救或组织其他工作人员撤离附近位置；
所述通讯模块采用蓝牙、WI-FI或4G/3G/2G网络；
所述通讯模块可以建立与本发明匹配的专用APP软件的连接。
7.根据权利要求3所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述警报模块响应来自处理模块分析处理后的超过预设临界危险情况的信息；
所述警报模块包括声音报警、振动报警或闪光报警。
8.根据权利要求3所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述雷达传感器模块可以探测移动物体的距离、方位及速度，并将分析处理后的数据信息传输至处理模块；
所述雷达传感器模块采用多普勒微波雷达；
所述雷达传感器模块探测距离在方圆十几米到几百米，其测速原理是采用了多普勒原理，即通过对比射波和回波的相位的变化得到速度；
所述移动物体的参数可由雷达传感器将通过A/D转换器传送到处理模块处理和分析。
9.根据权利要求3所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述电源模块为所述可穿戴设备提供电力；
所述电源模块包括但不限定为可充电的锂电池或铅蓄电池系统；
所述电源模块与处理模块连接，处理模块可感知所述智能可穿戴设备在开机状态下的电池储蓄电量，以语音和震动形式提醒佩戴人员及时充电。
10.根据权利要求3所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述显示模块用于设备的操作、设置和参数实时显示；
所述显示模块包括但不限定为LCD显示器、LED显示器；
所述显示模块的反馈方式采用可触控显示屏、键盘或按钮。
11.根据权利要求1所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其特征在于，所述移动物体的距离、速度和方位等参数处理分析是否会对作业人员造成危险，包括：
分析所述移动物体的距离、速度和方位等参数是否属于预设的危险预警范围内；
在所述移动物体的距离、速度和方位等参数不属于预设的危险预警范围内，确定操作人员处于安全状态。
12.根据权利要求1所述的可主动探测和识别移动物体对人身安全的风险威胁并报警的智能可穿戴设备，其具体工作流程包括
软件APP采集到由雷达传感器获得的含有移动物体的距离、方位和速度参数的波形信号；
处理器模块对获得的信号分析，得到频率、波长等信息；数据分析模块将该信息与数据库数据对比分析得到移动物体的距离、速度和方向；
根据预置的安全程序算法，对移动物体的距离、速度和方向进行综合分析，得到危险等级；
若未达到危险预警，则佩戴者处于安全状态；
若达到危险预警，处理器模块向报警模块发送指令，报警模块响应，发出刺耳警铃，提醒佩戴者规避危险；
信息分享模块对相应危险结果显示，并对处在危险中的人员位置信息分享至管理终端。
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