CN109793505A - 一种高温环境下人体热应力监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温环境下人体热应力监测系统，包括信息采集模块、数据库、控制器和通讯模块。所述的信息采集模块采集人体心率、体温、环境温湿度和GPS定位数据，将数据压缩处理并输出至数据库。所述的数据库用于储存数据，并将体温、心率数据发送至控制器，同时检索与劳动人员年龄、身高、体重、劳动模式相对应的能量代谢率。所述的控制器包括控制算法电路和震动器。所述的控制算法电路读取体温、心率以及能量代谢率，进行热应力状态诊断，如心率和体温超出正常范围，则启动震动器报警，并发送报警指令给通讯模块。所述的通讯模块用于接收报警指令并向安监部门发送报警信号。采用本系统能够有效监测高温劳动场所人体热应力，避免热害发生。

Description

一种高温环境下人体热应力监测系统

技术领域

本发明涉及人体热应力监测系统，尤其涉及一种高温环境下人体热应力现场监测系统。

背景技术

高温环境普遍存在于各类工业生产场所，如煤矿、钢铁厂和玻璃厂。在这类高温环境下工作，会使工作人员面临高热害疾病的风险，例如中暑和热衰竭，甚至高温致死。除此之外，高温环境还会显著降低工作人员的劳动效率，从而降低产量，损害企业利益。同时，较高的劳动强度使得劳动者易于达到疲劳状态。为了保护工作人员的劳动安全和生产效率，必须对实际情况下的人体热应力进行有效地实时监测并及时发出预警。

目前，使用较广泛的高温环境下热应力监测方法都是建立在环境参数的测量基础上。被广泛应用的WBGT指数，是综合评价人体接触作业环境热负荷的一个基本参量，它综合考虑空气温度、风速、空气湿度和辐射热四个因素。该指数可方便地应用在工业环境中，以评价环境的热强度。美国和一些欧洲国家用此法评价高温车间热环境气象条件已有多年，ISO国际标准化组织也从1982年起正式采用此法作为标准(ISO7243)。我国高温作业分级标准也采用了WBGT指数法。这促进了它在高温、高湿环境中的广泛应用。

但是WBGT指数只包含了环境参数，也就是说只考虑到了环境因素而忽略的人体自身对热环境的生理反映。研究表明，人体对于热环境并非被动接受，而是一种主动适应。这是因为人体的心血管、呼吸和体温调节等系统具有自动调节机制，在人体进入高温环境后就会立刻做出反应，其反映表现在心率、呼吸频率和体温等生理参数的变化上。因此，对人体热应力的监测更应包含相关的生理参数。同时，基于人体生理参数的热应力评价指标体系已日趋成熟，用生理参数作为热应力监测的主要指标具有更好的准确性和科学性。

市场上现有的热应力测量系统绝大多数是针对测量环境参数的便携式系统，而不是针对人体热应力持续测量而设计的。此外，温度、湿度、风速和辐射强度等环境参数的变化体现在人体生理反映上有一定的滞后性。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺陷，提供一种基于生理参数的人体热应力监测系统，以实时监测工业劳动场所中工人的热应力水平，从而使劳动者避免热害。

实现本发明方法采用的技术方案是：

一种基于生理参数的人体热应力监测系统，包括：

一个信息采集模块，所述的信息采集模块包括测量模块、GPS定位芯片和压缩处理单元，所述的测量模块安装在手环内部，所述的测量模块包括采集佩戴者的心率信号用的心率测量装置、采集佩戴者的体温信号用的体温测量装置以及采集并显示劳动场所的环境温湿度信号用的温湿度测量装置；所述GPS定位芯片采集并显示佩戴者的GPS信号；所述的压缩处理单元用于采集测量模块输出的数据以及GPS定位芯片的数据，然后根据压缩感知理论将采集到的测量模块输出的数据以及GPS定位芯片的数据进行压缩处理输出至数据库；

一个安装在存储介质中的数据库，所述的数据库用于读取并储存压缩处理单元输出的压缩数据，所述的数据库根据分段正交匹配追踪算法，对接收到的压缩数据进行重构恢复，以得到原始的数据，并将其中的佩戴者的体温信号数据以及心率信号数据发送至控制器进行人体热应力状态诊断；

所述的数据库用于储存劳动人员的年龄、身高、体重、不同劳动模式的劳动强度以及和年龄、身高、体重、不同劳动模式的劳动强度相对应的能量代谢率，并通过人工选择年龄、身高、体重、不同劳动模式的劳动强度，数据库自动检索相对应的能量代谢率；

一个控制器，所述的控制器包括一个控制算法电路和一个震动器，所述的控制算法电路用于读取数据库输出的佩戴者的体温信号数据、心率信号数据以及数据库中该佩戴者的能量代谢率，进行人体热应力状态诊断，判断佩戴者的心率和体温是否在设定的正常范围内，如果是，则继续采集该佩戴者的体温信号数据、心率信号数据以及数据库中该佩戴者的能量代谢率；如果不在正常范围内，则将采集的数据回传至数据库，并且控制算法电路输出启动控制信号给震动器使震动器震动报警，同时发送报警控制指令给通讯模块；

一个通讯模块，所述的通讯模块包括主动语音通信模块和报警信号通信模块，所述的主动语音通信模块用于劳动者主动与安全监管部门联系；所述的报警信号通信模块用于读取控制器输出的报警指令并向安全监管部门发送报警信号。

本发明的有益效果是：可以监测人体在高温下的生理参数及环境温湿度，解决了原有监测系统仅涉及环境参数的片面性。根据科学数据设定了劳动者的生理参数极限，对于热疾病及因疲劳导致的危险起到了有效的预警作用。为企业安全生产提供了有效保证。

本发明的数据采集模块采用手环的方式紧贴腕部使用，有利于现场劳动者的舒适性和便捷性，且不易脱落，测量准确。通过采用无线通讯技术以及符合人体工学的穿戴结构，将系统穿戴于身上时的复杂度以及负担感降至最低。

本发明通过对采集的用户的体温和心率数据以及环境的温湿度数据进行压缩处理，在保证数据完整性的前提下可以大大地缩减数据的占用空间，在数据进行传输时，提高了传输效率与实时性，降低了网络内存的占用量，提高了网络通信容量，有利于提高远程监测系统的工作效率，提升了用户使用体验。

本发明能够更加直接地、实时地了解现场劳动者的热应力状况，在保护劳动者自身的同时，能够及时与安全监管者联系，提高了使用者的安全保障。

附图说明

图1是本发明的一种高温环境下人体热应力监测系统构成图；

图2是本发明的一种高温环境下人体热应力监测系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明加以详细说明。

如附图所示的本发明的一种基于生理参数的人体热应力现场监测系统，包括：

一个信息采集模块，所述的信息采集模块包括测量模块、GPS定位芯片和压缩处理单元，所述的测量模块安装在手环内部，所述的测量模块包括采集佩戴者的心率信号用的心率测量装置、采集佩戴者的体温信号用的体温测量装置以及采集并显示劳动场所的环境温湿度信号用的温湿度测量装置；所述GPS定位芯片采集并显示佩戴者的GPS信号；所述的压缩处理单元用于采集测量模块输出的数据以及GPS定位芯片的数据，然后根据压缩感知理论将采集到的测量模块输出的数据以及GPS定位芯片的数据进行压缩处理输出至数据库。

所述的信息采集模块的测量模块电路、GPS定位芯片电路和压缩处理单元电路均为A/D转换电路，有利于提高数据转化效果，成本低廉且数据转化速度快。所述的信息采集模块安装在腕式手环内部，紧贴皮肤使用，有利于劳动者使用的方便性和测量的生理参数的准确性，并且不易脱落，抗外界干扰性强。

所述的心率测量装置可以为贴附式电子脉搏计；所述的体温测量装置可以为红外电子温度传感器；所述的温湿度测量装置可以为微型温湿度自记仪。优选的由于劳动者经常工作于地下或桥梁下等，此类地形能够阻断信号传输的位置，因此在所述的GPS定位芯片中安装有加速计，由加速计提供的数据可以用于“轨迹推算”，从而推测出在短时间信号中断时佩戴者的位置。

一个安装在存储介质中的数据库，所述的数据库用于读取并储存压缩处理单元输出的压缩数据，所述的数据库根据分段正交匹配追踪算法，对接收到的压缩数据进行重构恢复，以得到原始的数据，并将其中的佩戴者的体温信号数据以及心率信号数据发送至控制器进行人体热应力状态诊断，最后将诊断结果反馈给用户。

所述的数据库用于储存劳动人员的年龄、身高、体重、不同劳动模式的劳动强度以及和年龄、身高、体重、不同劳动模式的劳动强度相对应的能量代谢率，并通过人工选择年龄、身高、体重、不同劳动模式的劳动强度，数据库自动检索相对应的能量代谢率。所述的数据库可以置于随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

一个控制器，所述的控制器包括一个控制算法电路和一个震动器，所述的控制算法电路用于读取数据库输出的佩戴者的体温信号数据、心率信号数据以及数据库中该佩戴者的能量代谢率，进行人体热应力状态诊断，判断佩戴者的心率和体温是否在设定的正常范围内，如果是，则继续采集该佩戴者的体温信号数据、心率信号数据以及数据库中该佩戴者的能量代谢率；如果不在正常范围内，则将采集的数据回传至数据库，并且控制算法电路输出启动控制信号给震动器使震动器震动报警，同时发送报警控制指令给通讯模块。人体热应力状态诊断依据可以为：当能量代谢率小于4.5met时，心率超过160bpm或体温超过38℃，则判定为热危险状态，控制算法电路发送报警控制指令并启动震动器；当能量代谢率大于等于4.5met时，心率超过180bpm或体温超过38.5℃，则判定为热危险状态，控制算法电路发送报警控制指令并启动震动器(参见《实用运动医学》，2003年第4版，北京大学医学出版社)。

优选的在所述控制器上设有复位模块，当按下复位模块时，所述的复位模块向控制器输出复位信号，当劳动者受到惊吓或信息采集模块由于短暂的意外造成的数据不在设定范围内，可以手动进行复位调整，有利于避免因失误或意外造成的错误数据而带来的麻烦。

一个通讯模块，所述的通讯模块包括主动语音通信模块和报警信号通信模块。所述的主动语音通信模块用于劳动者主动与安全监管部门联系，佩戴者可通过手动开关启动主动语音通信模块，从而呼叫安全监管部门寻求帮助，例如在设备故障等情况下主动呼叫援助。

所述的报警信号通信模块用于读取控制器输出的报警指令并向安全监管部门发送报警信号。

所述的通讯模块采用Wi-Fi进行通讯，通过无线网卡与安全监管部门的无线接入点构成无线通信网络。网络具有传输速度快的特点，此外,Wi-Fi网络在开放性区域，通讯距离可达300米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本较低，且有利于保证通讯的实时顺畅，信号稳定。通讯对象为手机或电脑，有利于通讯的自由，不受地域的限制。

本方法中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以哪种具体的设备来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

Claims (6)

1.一种基于生理参数的人体热应力监测系统，其特征在于包括：

一个信息采集模块，所述的信息采集模块包括测量模块、GPS定位芯片和压缩处理单元，所述的测量模块安装在手环内部，所述的测量模块包括采集佩戴者的心率信号用的心率测量装置、采集佩戴者的体温信号用的体温测量装置以及采集并显示劳动场所的环境温湿度信号用的温湿度测量装置；所述GPS定位芯片采集并显示佩戴者的GPS信号；所述的压缩处理单元用于采集测量模块输出的数据以及GPS定位芯片的数据，然后根据压缩感知理论将采集到的测量模块输出的数据以及GPS定位芯片的数据进行压缩处理输出至数据库；

一个安装在存储介质中的数据库，所述的数据库用于读取并储存压缩处理单元输出的压缩数据，所述的数据库根据分段正交匹配追踪算法，对接收到的压缩数据进行重构恢复，以得到原始的数据，并将其中的佩戴者的体温信号数据以及心率信号数据发送至控制器进行人体热应力状态诊断；

所述的数据库用于储存劳动人员的年龄、身高、体重、不同劳动模式的劳动强度以及和年龄、身高、体重、不同劳动模式的劳动强度相对应的能量代谢率，并通过人工选择年龄、身高、体重、不同劳动模式的劳动强度，数据库自动检索相对应的能量代谢率；

一个控制器，所述的控制器包括一个控制算法电路和一个震动器，所述的控制算法电路用于读取数据库输出的佩戴者的体温信号数据、心率信号数据以及数据库中该佩戴者的能量代谢率，进行人体热应力状态诊断，判断佩戴者的心率和体温是否在设定的正常范围内，如果是，则继续采集该佩戴者的体温信号数据、心率信号数据以及数据库中该佩戴者的能量代谢率；如果不在正常范围内，则将采集的数据回传至数据库，并且控制算法电路输出启动控制信号给震动器使震动器震动报警，同时发送报警控制指令给通讯模块；

一个通讯模块，所述的通讯模块包括主动语音通信模块和报警信号通信模块，所述的主动语音通信模块用于劳动者主动与安全监管部门联系；所述的报警信号通信模块用于读取控制器输出的报警指令并向安全监管部门发送报警信号。

2.根据权利要求1所述的基于生理参数的人体热应力监测系统，其特征在于：所述的信息采集模块的测量模块电路、GPS定位芯片的电路和压缩处理单元的电路均为A/D转换电路。

3.根据权利要求1或者2所述的基于生理参数的人体热应力监测系统，其特征在于：所述的心率测量装置为贴附式电子脉搏计、所述的体温测量装置为红外电子温度传感器、所述的温湿度测量装置为微型温湿度自记仪。

4.根据权利要求3所述的基于生理参数的人体热应力监测系统，其特征在于：在所述的GPS定位芯片中安装有加速计。

5.根据权利要求4所述的基于生理参数的人体热应力监测系统，其特征在于：在所述控制器上设有复位模块，当按下复位模块时，所述的复位模块向控制器输出复位信号。

6.根据权利要求4所述的基于生理参数的人体热应力监测系统，其特征在于：所述的通讯模块采用Wi-Fi进行通讯，通过无线网卡与安全监管部门的无线接入点构成无线通信网络。