CN110921445B - 一种罐笼人员数量和肢体外伸监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种罐笼人员数量和肢体外伸监测装置及监测方法，微型控制器(5)通过光信号感知器采集并处理矿工安全帽上第一LED灯(1)的光强值，以及罐笼门顶第二LED灯(3)的光强值，并将处理后的电信号传送至外部服务器(6)，外部服务器对接收到的电信号进行处理得到光频信息，即光频值和光频功率值，监控中心的工作人员通过得到的不同光频值的数量得出罐笼内的人员数量，通过光频功率值的变化，判断是否有人员肢体外伸。本发明能够利用可见光通信技术对人员数量及肢体外伸进行实时监测，技术配置简单、不受信号衰落的影响，监测准确，安全可靠。

Description

一种罐笼人员数量和肢体外伸监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种监测方法及装置，具体是一种罐笼人员数量和肢体外伸监测装置及方法，属于井下智能监测技术领域。

背景技术

罐笼是矿工及其他人员进出矿井的主要途径，功能和电梯类似。由于矿井环境恶劣，罐笼在人员运输方面也存在着众多安全隐患，一方面有的人员为了节省时间或其他原因在罐笼人员数已满的情况下违规挤入罐笼，导致罐笼超重受损产生严重后果；另一方面有的人员可能会违规将手脚伸出罐笼或者罐笼人数过多导致人员四肢被挤出罐笼，从而导致刮擦或更为严重的后果，因此，对人员数量及四肢外伸的实时监测对人员及矿井的安全有着重要意义。

目前，针对罐笼内人员数量及肢体外伸的监测措施较少且繁琐，大多利用WIFI、Zigbee、RFID射频技术等定位方式，判断人员坐标是否在定位区域内来统计人员数量，但是，由于矿井环境恶劣、空间狭隘，上述技术配置困难、信号衰落严重、定位精度低，容易产生安全隐患，并且对人员肢体外伸情况无法提供安全可靠的监测。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种罐笼人员数量和肢体外伸监测装置及方法，能够利用可见光通信技术对人员数量及肢体外伸进行实时监测，技术配置简单、不受信号衰落的影响，监测准确，安全可靠。

本发明一种罐笼人员数量和肢体外伸监测装置，包括具有专有光频的第一LED灯和第二LED灯，以及用于为第一LED灯供电的电池；第一LED灯和电池均安装在矿井安全帽上，第二LED灯安装在罐笼门顶，罐笼内顶部及其门底安装有光信号感知器；

还包括微型控制器和外部服务器，微型控制器与光信号感知器相连，外部服务器通过无线传输模块与微型控制器相连，微型控制器、光信号感知器、第二LED灯均与罐笼供电装置相连；

所述第一LED灯和第二LED灯的占空比为95％，光频范围为：不小于2000HZ、不大于微型控制器采样光频的1/2；第一LED灯和第二LED灯相邻光频间隔不小于200HZ，且光频不能相互整除。

一种罐笼人员数量和肢体外伸监测方法，包括以下步骤：

a、当人员戴着安装有第一LED灯的矿井安全帽进入罐笼后，罐笼内顶部的光信号感知器采集第一LED灯的光强值，罐笼门底的光信号感知器采集罐笼门顶的第二LED灯的光强值，光信号感知器将采集的光强值转化为电压值传送至微型控制器；

b、微型控制器将设定时间段内接收到的电压值通过无线传输模块发送至外部服务器；

c、外部服务器对接收到的设定时间段内的电压值，通过光频分离算法得出罐笼内的第一LED灯和第二LED灯的光频信息，进而得到罐笼内人员信息及人员数量；

同时，外部服务器通过障碍检测算法来判断人员肢体是否外伸，进而判断罐笼内人员数量以及人员是否违规出入罐笼。

与现有技术相比，本发明技术配置简单，对无线网络的依赖性较弱，几乎不受井下无线网络信号衰落的影响，无需依靠定位技术，判断罐笼内的人员数量，只需利用少量光信号感知器和不同频率的LED灯通过外部服务器处理，得出不同频率的数量，从而得出罐笼内人员的数量，人员数量监测准确度高，同时还可以判断是否有人员非法出入罐笼。另外，本发明巧妙地利用了安装在罐笼门顶的LED灯的光频能量变化值，实时判断是否有肢体外伸至罐笼外部，从而达到了监测人员肢体外伸的目的，监测准确度高，且安全可靠。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明单个LED灯的脉冲波形图；

图3是本发明第二LED灯未受肢体遮挡时的光频功率值；

图4是本发明第二LED灯受肢体遮挡时的光频功率值。

图中：1.第一LED灯，2.矿井安全帽，3.第二LED灯，4.光电二极管，5.微型控制器，6.外部服务器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种罐笼人员数量和肢体外伸监测装置，包括具有专有光频的第一LED灯1和第二LED灯3，用于为第一LED灯1供电的电池，电池和第一LED灯1均安装在矿井安全帽2上，第二LED灯3安装在罐笼门顶，罐笼内顶部及其门底安装有光信号感知器；

还包括微型控制器5和外部服务器6，该外部服务器6为笔记本或台式机，可放置在地面监控室中，微型控制器5与光电二极管4相连，外部服务器6通过无线传输模块与微型控制器6相连，微型控制器6、光电二极管4、第二LED灯3均与罐笼供电装置相连。

为确保监测结果的准确性和可靠性，避免LED灯之间的光频干扰，第一LED灯1和第二LED灯3的占空比为95％，光频范围为：不小于2000HZ、且不大于微型控制器6采样光频的1/2；第一LED灯1和第二LED灯3相邻光频间隔不小于200HZ，且光频不能相互整除。

之所以设定第一LED灯1和第二LED灯3的光频范围为：不小于2000HZ、且不大于微型控制器5采样光频的1/2，是因为：如果LED灯的闪烁光频较低的话会对人眼产生干扰，同时也会影响照明效果，理论研究得当LED灯的闪烁光频大于1000HZ时，可以避免LED灯闪烁影响，因此，设定第一LED灯1和第二LED灯3光频最小为2000HZ；另外，由于奈奎斯特采样定理，设定第一LED灯1和第二LED灯3光频最大不能超过微型控制器5采样频率的1/2。

之所以设定LED之间的光频间隔不小于200HZ是因为：由于受到傅里叶变换频谱分辨率的限制以及相邻的光频之间相互影响的问题，所设定的光频之间的间隔必须大于某阈值以保证可靠的光频分离，增强鲁棒性。由实验分析可得，当相邻的光频间隔大于200HZ时可以避免光频间隔影响。当相邻光频间隔小于200HZ时，容易出现光频峰值不显现等问题，当相邻光频间隔大于200HZ时可以较好的分离出LED灯的光频，因此，本发明设定LED之间的光频间隔不小于200HZ。

LED灯的光频不能相互整除是因为：理论来说，占空比为D且光频为f的LED灯产生的光信号可以看作周期为T的方波信号，即矿工矿井安全帽2上的LED灯所发出的光可以看作占空比为D频率为f的脉冲波形，如图2所示，经计算可得，LED灯的脉冲波的傅里叶级数展开如下所示：

其中，D为LED灯的占空比，t为某一时刻，f为LED灯的光频；由脉冲波的傅里叶级数展开式可得，经过快速傅里叶变换后会得到n＝1的主光频f以及无数个谐波分量nf(其中n为正整数)。为了保证某一LED灯的谐波分量nf不会覆盖到其他LED灯的主光频f，因此，设定矿工LED灯之间的光频不能为倍数关系。

作为本发明对上述技术方案的优选方式，本发明第一LED灯1和第二LED灯3的型号均为CreeCXA25，当然，也可以根据需要选用其他型号；

光信号感知器为光电二极管4，型号为OPT101，用于采集第一LED灯1及第二LED灯3的光强值，当然也可以根据需要选用光电三极管，或其他光信号感知器；

微型控制器5的型号为ArduinoDUE，采样光频为200000HZ，因此，第一LED灯1和第二LED灯3光频最大为100000HZ；

电池选用超高容量聚合物锂离子充电电池，当然也可以根据需要选用其他电池。

矿工在井下工作时，按照井下要求，矿工需要佩戴矿井安全帽2，将安装有第一LED灯1及超高容量聚合物锂离子充电电池的矿井安全帽2带在矿工头部，每个具有专有光频的第一LED灯1代表一个矿工，具有不同专有光频的第一LED灯1代表不同的矿工，以此作为矿工的身份标签。上述所述的专有光频的LED灯是指，预先给每个矿井安全帽2上的第一LED灯1设定固定光频值，因此，一个光频值对应一个矿工，这样通过监控罐笼内LED灯的光频，就可以得到对应的矿工身份，以及罐笼内矿工的数量。

当罐笼门底的光电二极管4采集到的第二LED的光强变弱，进而得到的光频功率与最初的光频功率(无人员肢体伸出罐笼时的光频功率)相比变小时，说明罐笼内有人员肢体外伸。

基于上述装置的监测方法如下：

a、当人员戴着安装有第一LED灯1的矿井安全帽2进入罐笼后，罐笼内顶部的光电二极管4采集第一LED灯1的光强值，并将采集的光强值转化为电压值传送至ArduinoDUE微型控制器5；

b、ArduinoDUE微型控制器5将设定时间段(即一段时间，可根据需要自行设定)内接收到的电压值通过无线传输模块发送至外部服务器6；

c、外部服务器6对接收到的设定时间段内的电压值，通过光频分离算法得出第一LED灯1和第二LED灯3的光频信息，进而得到罐笼内人员信息及人员数量；该光频信息包括光频值和光频功率值，光频功率值是指光频的功率。不同光频值的数量对应罐笼内人员的数量，一个光频值对应罐笼内一个人员的身份标签，进而得出罐笼内人员信息及人员数量；同时，外部服务器6通过障碍检测算法来判断人员肢体是否外伸，进而判断罐笼内人员数量以及人员是否非法出入罐笼。

其中，光频分离算法包括以下步骤：

c1、将设定时间段内的电压值通过带通滤波器处理，得到频率范围为2000HZ至100000HZ的电压值；

c2、对步骤c1得到的电压值依次进行Sigmoid激活函数处理和快速傅里叶变换处理，得到光频信息；

外部服务器6通过障碍检测算法来判断人员肢体是否外伸的方法如下：

预先在外部服务器6内存储无人员肢体伸出罐笼时，第二LED灯3的光频信息中的光频功率值，定义该光频功率值为

以采用光频为4020HZ的第二LED灯3为例，如图3所示，其中i＝1,2,3...n，n为光电二极管4的个数，j表示第二LED灯3；

当有人员肢体外伸时，定义变量ΔP_ij(t)为t时刻罐笼门顶第二LED灯3光频功率变化值，ΔP_ij(t)公式如下：

其中，P_ij(t)为t时刻第i个光电二极管4所采集的第二LED灯3的光频功率值，如图4所示；

当i取不同值时，若t时刻存在ΔP_ij(t)＞0，即表示人员肢体伸出罐笼外。

Claims (5)

1.一种罐笼人员数量和肢体外伸监测装置，其特征在于，包括具有专有光频的第一LED灯(1)和第二LED灯(3)，以及用于为第一LED灯(1)供电的电池；第一LED灯(1)和电池均安装在矿井安全帽(2)上，第二LED灯(3)安装在罐笼门顶，罐笼内顶部及其门底安装有光信号感知器；

还包括微型控制器(5)和外部服务器(6)，微型控制器(5)与光信号感知器相连，外部服务器(6)通过无线传输模块与微型控制器(5)相连，微型控制器(5)、光信号感知器、第二LED灯(3)均与罐笼供电装置相连；

所述第一LED灯(1)和第二LED灯(3)的占空比为95％，光频范围为：不小于2000HZ、不大于微型控制器(5)采样光频的1/2；第一LED灯(1)和第二LED灯(3)相邻光频间隔不小于200HZ，且光频不能相互整除。

2.根据权利要求1所述的一种罐笼人员数量和肢体外伸监测装置，其特征在于，第一LED灯(1)和第二LED灯(3)的型号为CreeCXA25；光信号感知器为光电二极管(4)，型号为OPT101；微型控制器(5)的型号为Arduino DUE，采样光频为200000HZ；电池为超高容量聚合物锂离子充电电池。

3.一种罐笼人员数量和肢体外伸监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、当人员戴着安装有第一LED灯(1)的矿井安全帽(2)进入罐笼后，罐笼内顶部的光信号感知器采集第一LED灯(1)的光强值，罐笼门底的光信号感知器采集罐笼门顶的第二LED灯(3)的光强值，光信号感知器将采集的光强值转化为电压值传送至微型控制器(5)；

b、微型控制器(5)将设定时间段内接收到的电压值通过无线传输模块发送至外部服务器(6)；

c、 外部服务器(6)对接收到的设定时间段内的电压值，通过光频分离算法得出第一LED灯(1)光频，进而得到罐笼内人员信息及人员数量；通过光频分离算法得出第二LED灯(3)的光频信息，并通过障碍检测算法来判断罐笼内是否有人员的肢体外伸，进而判断罐笼内人员是否违规出入罐笼。

4.根据权利要求3所述的一种罐笼人员数量和肢体外伸监测方法，其特征在于，步骤c中的光频分离算法包括以下步骤：

c1、将设定时间段内的电压值通过带通滤波器处理，得到频率范围为2000HZ至100000HZ的电压值；

c2、对步骤c1得到的电压值依次进行Sigmoid激活函数处理和快速傅里叶变换处理，得到光频信息。

5.根据权利要求3所述的一种罐笼人员数量和肢体外伸监测方法，其特征在于，外部服务器(6)通过障碍检测算法来判断人员肢体是否外伸的方法如下：

预先在外部服务器(6)中存储无人员肢体伸出罐笼时，第二LED灯(3)的光频信息中的光频功率值，定义该光频功率值为

其中i＝1,2,3...n，n为光信号感知器个数，j表示第二LED灯(3)；

当有人员肢体外伸时，定义变量ΔP_ij(t)为t时刻罐笼门顶第二LED灯(3)光频功率变化值，ΔP_ij(t)公式如下：

其中，P_ij(t)为t时刻第i个光信号感知器所采集的第二LED灯(3)的光频功率值；

当i取不同值时，若t时刻存在ΔP_ij(t)＞0，即表示人员肢体伸出罐笼外。

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