CN111035096A

CN111035096A - 一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统

Info

Publication number: CN111035096A
Application number: CN202010019910.XA
Authority: CN
Inventors: 李巍; 衣建妮; 郭志戎; 侯园园; 李江
Original assignee: Zhengzhou Railway Vocational and Technical College
Current assignee: Zhengzhou Railway Vocational and Technical College
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2020-04-21

Abstract

本发明涉及一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，包括安全帽和检测单元，所述安全帽上设帽檐和固定带，所述检测单元包括控制盒、生理采集模块、面部采集模块、微处理器、报警模块和传输模块，所述微处理器设于控制盒内，所述控制盒设于帽檐的上端，所述生理采集模块和面部采集模块均连接微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接报警模块，所述生理采集模块、面部采集模块、微处理器、报警模块之间通过传输模块进行信号传递；本发明提供的检测系统，对施工人员生理信号采集和面部特征的图像特征对比，通过微处理器模块能够实现大量数据的实时处理，实现实时对施工人员的疲劳状态进行检测。

Description

一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统

技术领域

本发明属于安全帽技术领域，具体涉及一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统。

背景技术

建筑业作为国民经济的支柱性产业之一，是安全要求极高的领域，施工现场安全事故仍在不断发生，而对于事故发生的缘由解释都相对比较模糊，人作为最活跃的因素，对安全事故的发生有着必然的联系。而施工现场负有安全重任的建筑工人，工作高度紧张，工作压力大，作息时间不规律，疲劳问题无论在其生理上还是心理上，都具有普遍存在性。故建筑工人的作业疲劳是导致建筑企业生产率下降，安全事故发生的重要原因之一，鉴于此，对施工现场建筑工人作业疲劳影响因素的研究十分必要。

为了保证在施工过程中的生命安全，所有在施工现场的人员都需要佩戴安全帽，施工强度和施工环境对施工人员的影响较大，易引起施工人员情绪和身体上的疲劳，由于施工人员长时间劳作，其体力和脑力将会逐渐进入疲劳状态，注意力就会分散，判断反应能力下降，视觉变得模糊，听力也开始下降。过度疲劳的施工人员，会在工作过程中困倦，甚至打磕睡，因此疲劳施工极易引发施工事故。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种实时检测、通过生理指标和面部特征对比进行检测的基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，包括安全帽和检测单元，所述安全帽上设帽檐和固定带，所述检测单元包括控制盒、生理采集模块、面部采集模块、微处理器、报警模块和传输模块，所述微处理器设于控制盒内，所述控制盒设于帽檐的上端，所述生理采集模块和面部采集模块均连接微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接报警模块，所述生理采集模块、面部采集模块、微处理器、报警模块之间通过传输模块进行信号传递；

所述生理采集模块包括呼吸信号传感器、脉搏信号传感器和温度传感器，所述呼吸信号传感器设于腹部，所述脉搏信号传感器设于固定带上，所述温度传感器设于安全帽的内侧、与额头接触处；

所述面部采集模块包括摄像头、人脸检测器和设于微处理器内的图像处理单元，所述摄像头设于帽檐的下端朝向人脸的一侧，所述人脸检测器装配于摄像头内，所述摄像头通过传输模块连接微处理器。

进一步的，所述呼吸信号传感器采用变极距式电容传器，所述呼吸信号传感器为腰带状。

进一步的，所述呼吸信号传感器包括由聚烯烃材质组成的绝缘结构和设于绝缘结构两端的金属电极组成，所述金属电极采用铜箔胶带。

进一步的，所述传输模块采用ZiBee、WiFi或蓝牙的任一种。

进一步的，所述脉搏信号传感器采用红外脉搏传感器。

进一步的，所述报警模块包括蜂鸣器、LED灯、显示屏，所述LED灯连接显示屏，所述蜂鸣器和显示屏连接微处理器，所述蜂鸣器和显示屏均设于安全帽的上端。

进一步的，所述温度传感器的工作温度范围为温度范围-55℃～+125℃，所述温度传感器的精度为±0.5℃、所述温度传感器的工作周期为550-750ms。

进一步的，所述摄像头用于采集人脸的眼睛和嘴巴图像。

进一步的，所述微处理器采用STM处理器和单片机。

进一步的，所述呼吸传感器的两金属电极之间的电容C满足：

C=ε·ε₀·S/d，

其中，d表示两极板之间的距离（m），ε表示相对介电常数，ε₀表示空气介电常数，S表示两极板之间的相对面积（m²）。

进一步的，所述两级板之间的电容变化量ΔC满足：

ΔC=C₀·Δ/（d-Δ），

其中，C₀表示两极板之间的距离为d时的电容量（F），Δ表示两极板位移的变化量（m）。

进一步的，所述人脸检测器内设人脸数据库，所述人脸检测器内眼睛采用PERCLOS算法，所述眼睛的闭合的P值满足：

P=（t3-t2）/（t4-t1）×100%，

其中，t1表示从眼睛完全睁开到第一次闭合20％所用的时间（s），t2表示从眼睛完全睁开到第一次闭合80％所用的时间（s），t3表示从眼睛完全闭合到睁开20％所用的时间（s），t4表示从眼睛完全闭合到睁开80％所用的时间（s）。

进一步的，所述人脸检测器内嘴巴的检测中，通过U、D、L、R分别表示嘴巴的上、下、左、右四个点，取嘴唇的中间位置的上部作为U点位置，取取嘴唇的中间位置的下部作为D点位置，则嘴的长度M1为嘴部右端点R和左端点L之间的距离（cm），嘴的高度M2为嘴部上端U点和下端D点之间的距离（cm）。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，通过对施工人员脉搏、呼吸及体温的生理信号采集和对面部特征的图像特征对比，在众多和施工人员疲劳施工相关的信息中选择提取容易，数据处理简单且适合用于模拟的信号，采集模块的重点在于根据不同信号特点选择或者设计信号提取传感器，微处理器模块能够实现大量数据的实时处理，实现实时对施工人员的疲劳状态进行检测。

2、本发明提供的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，通过具有可靠性的疲劳等级量化标准，根据微处理器内设定的疲劳评定标准采集施工人员在佩戴安全帽下施工的数据信息，对采集到的不同信号进行预处理，最后分别对每路信号进行分析，选定出可以作为疲劳判定的特征参数。

3、本发明提供的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，报警模块主要有三部分组成：蜂鸣器、LED灯、液晶显示屏。施工人员正常施工时绿灯亮，液晶显示屏提示注意安全施工，当施工人员进入疲劳临界状态时，处理器控制蜂鸣器间歇发出声音，绿色显示灯熄灭，黄色显示灯亮，同时液晶显示屏提示施工人员注意休息，若施工人员采取措施，如休息则报警解除，如施工人员继续施工，当判定达到严重疲劳时，蜂鸣器连续发出警报，代表疲劳的红色显示灯开始闪烁，液晶显示屏提示施工人员停工休息。

4、本发明提供的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，通过施工人员面部图像来判断其是否处于疲劳状态，尤其是眼睛和嘴巴，在疲劳状态下的特征很明显，可方便地被检测到，因此，通过对施工人员眼睛和嘴巴的定位，进而判断施工人员眨眼至闲眼的频率，进而可判定司机是否处于疲劳施工的状态。

5、本发明提供的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，采用的呼吸信号传感器利用变极距式电容传感器检测人体呼吸时引起的胸腹腔的变化来检测人体的呼吸，采用聚烯烃材质，柔软、绝缘、受力拉伸性能好，对人和环境不会产生毒害，以腰带的形式测量呼吸，传感器两电极距离变化大，获得的呼吸波形幅值相对较大，抗干扰能力强。

6、本发明提供的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，红外脉搏传感器一端发出特定波长红外线，另一端接收，当将人的颈部在传感器一端时，另一端所接收到的红外线受血液微循环影响，人体心脏跳动，血容积发生变化，通过检测该变化获得脉搏波完整波形。

附图说明

图1是本发明一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统结构示意图。

图2是本发明一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统安全帽示意图。

图3是本发明一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统呼吸信号传感器示意图。

图中：1、安全帽；2、控制盒；3、摄像头；4、温度传感器；5、固定带；6、帽檐；7、显示屏；8、LED灯；9、蜂鸣器；10、生理采集模块；11、呼吸信号传感器；111、绝缘结构；112、金属电极；12、脉搏信号传感器；13、面部采集模块；14、人脸检测器；15、微处理器；16、图像处理单元；17、报警模块；18、传输模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。

实施例1

结合图1和图2，一种基于安全帽1的工程施工人员疲劳检测系统，包括安全帽1和检测单元，所述安全帽1上设帽檐6和固定带5，所述检测单元包括控制盒2、生理采集模块10、面部采集模块13、微处理器15、报警模块17和传输模块18，所述微处理器15设于控制盒2内，所述控制盒2设于帽檐6的上端，所述生理采集模块10和面部采集模块13均连接微处理器15的输入端，所述微处理器15的输出端连接报警模块17，所述生理采集模块10、面部采集模块13、微处理器15、报警模块17之间通过传输模块18进行信号传递。

所述生理采集模块10包括呼吸信号传感器11、脉搏信号传感器12和温度传感器4，所述呼吸信号传感器11设于腹部，所述脉搏信号传感器12设于固定带5上，所述温度传感器4设于安全帽1的内侧、与额头接触处；

所述面部采集模块13包括摄像头3、人脸检测器14和设于微处理器15内的图像处理单元16，所述摄像头3设于帽檐6的下端朝向人脸的一侧，所述人脸检测器14装配于摄像头3内，所述摄像头3通过传输模块18连接微处理器15。

通过对施工人员脉搏、呼吸及体温的生理信号采集和对面部特征的图像特征对比，在众多和施工人员疲劳施工相关的信息中选择提取容易，数据处理简单且适合用于模拟的信号，采集模块的重点在于根据不同信号特点选择或者设计信号提取传感器，微处理器模块能够实现大量数据的实时处理，实现实时对施工人员的疲劳状态进行检测。

实施例2

在实施例1的基础上，结合图1和图2，所述报警模块17包括蜂鸣器9、LED灯8、显示屏7，所述LED灯8连接显示屏7，所述蜂鸣器9和显示屏7连接微处理器15，所述蜂鸣器9和显示屏7均设于安全帽1的上端。

报警模块17主要有三部分组成：蜂鸣器9、LED灯8、液晶显示屏7，施工人员正常施工时绿灯亮，液晶显示屏7提示注意安全施工，当施工人员进入疲劳临界状态时，微处理器15控制蜂鸣器9间歇发出声音，绿色显示灯熄灭，黄色显示灯亮，同时液晶显示屏7提示施工人员注意休息，若施工人员采取措施，如休息则报警解除，如施工人员继续施工，当判定达到严重疲劳时，蜂鸣器9连续发出警报，代表疲劳的红色显示灯开始闪烁，液晶显示屏7提示施工人员停工休息。

实施例3

结合图1和图3，所述呼吸信号传感器11采用变极距式电容传器，所述呼吸信号传感器11为腰带状，所述呼吸信号传感器11包括由聚烯烃材质组成的绝缘结构111和设于绝缘结构111两端的金属电极112组成，所述金属电极112采用铜箔胶带，采用的呼吸信号传感器利用变极距式电容传感器检测人体呼吸时引起的胸腹腔的变化来检测人体的呼吸，采用聚烯烃材质，柔软、绝缘、受力拉伸性能好，对人和环境不会产生毒害，以腰带的形式测量呼吸，传感器两电极距离变化大，获得的呼吸波形幅值相对较大，抗干扰能力强。

所述温度传感器4的工作温度范围为温度范围-55℃～+125℃，所述温度传感器4的精度为±0.5℃、所述温度传感器4的工作周期为550-750ms。

所述呼吸传感器的两金属电极之间的电容C满足：C=ε·ε₀·S/d，其中，d表示两极板之间的距离（m），ε表示相对介电常数，ε₀表示空气介电常数，S表示两极板之间的相对面积（m²）。

所述两级板之间的电容变化量ΔC满足：ΔC=C₀·Δ/（d-Δ），其中，C₀表示两极板之间的距离为d时的电容量（F），Δ表示两极板位移的变化量（m）。

电容值随人体呼吸变化，通过检测电容值变化获取施工员呼吸波形，经过多次试验，发现人体在施工过程中的操作会对传感器的输出电容值产生影响，为了将该影响降到最低，以腰带的形式测量呼吸，传感器两电极距离变化大，获得的呼吸波形幅值相对较大，抗干扰能力强，该传感器使用方便，不会给施工员的正常施工与生活带来不便，在该传感器上引出一接口，施工员在施工时将该接口与系统电路相连，测量呼吸信号，不施工时，拔下接口，此时传感器可替代普通的腰带。

所述脉搏信号传感器12采用红外脉搏传感器，红外脉搏传感器一端发出特定波长红外线，另一端接收，当将人的颈部在传感器一端时，另一端所接收到的红外线受血液微循环影响，人体心脏跳动，血容积发生变化，通过检测该变化获得脉搏波完整波形。

实施例4

结合图1和图2，所述面部采集模块13包括摄像头3、人脸检测器14和设于微处理器15内的图像处理单元16，所述摄像头3设于帽檐6的下端朝向人脸的一侧，所述人脸检测器14装配于摄像头3内，所述摄像头3通过传输模块18连接微处理器15。

所述人脸检测器内设人脸数据库，所述人脸检测器内眼睛采用PERCLOS算法，所述眼睛的闭合的P值满足：P=（t3-t2）/（t4-t1）×100%，其中，t1表示从眼睛完全睁开到第一次闭合20％所用的时间（s），t2表示从眼睛完全睁开到第一次闭合80％所用的时间（s），t3表示从眼睛完全闭合到睁开20％所用的时间（s），t4表示从眼睛完全闭合到睁开80％所用的时间（s）。

在某段特定时间内，待检测的图片数量为N，符合P80标准的图片数量为M，则可把上述公式中的时间关系百分比转换为图片数量百分比，P值表示为：P=M/N×100%，当P＞0.4时，判定为疲劳状态，取固定时间段5砂，每秒10帧图片，共有N＝50帧图片，则M＝20帧图片，满足P80标准的图片达到20帧以上，就判定施工员为疲劳状态。

所述人脸检测器内嘴巴的检测中，通过U、D、L、R分别表示嘴巴的上、下、左、右四个点，取嘴唇的中间位置的上部作为U点位置，取取嘴唇的中间位置的下部作为D点位置，则嘴的长度M1为嘴部右端点R和左端点L之间的距离（cm），嘴的高度M2为嘴部上端U点和下端D点之间的距离（cm）。

嘴巴闭合时，M1/M2约为1/2，正常说话时，M1/M2约为3/4，打哈欠时，M1/M2约为1，则0表示嘴巴闭合，1表示嘴巴普通张开，2表示嘴巴张开最大或接近最大程度，通过连续的多帧图片来进行综合判断，如在一段视频中，取每秒10帧图片，由于打哈欠一般持续6秒左右，取连续5秒，可得到50帧图片，判断这50帧图片中数字序列为2的图片的总数量，当几乎所有图片的数字序列都为2时，则可判定这5秒施工员处于打哈欠状态，判定为疲劳。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，其特征在于：包括安全帽（1）和检测单元，所述安全帽（1）上设帽檐（6）和固定带（5），所述检测单元包括控制盒（2）、生理采集模块（10）、面部采集模块（13）、微处理器（15）、报警模块（17）和传输模块（18），所述微处理器（15）设于控制盒（2）内，所述控制盒（2）设于帽檐（6）的上端，所述生理采集模块（10）和面部采集模块（13）均连接微处理器（15）的输入端，所述微处理器（15）的输出端连接报警模块（17），所述生理采集模块（10）、面部采集模块（13）、微处理器（15）、报警模块（17）之间通过传输模块（18）进行信号传递；

所述生理采集模块（10）包括呼吸信号传感器（11）、脉搏信号传感器（12）和温度传感器（4），所述呼吸信号传感器（11）设于腹部，所述脉搏信号传感器（12）设于固定带（5）上，所述温度传感器（4）设于安全帽（1）的内侧、与额头接触处；

所述面部采集模块（13）包括摄像头（3）、人脸检测器（14）和设于微处理器（15）内的图像处理单元（16），所述摄像头（3）设于帽檐（6）的下端朝向人脸的一侧，所述人脸检测器（14）装配于摄像头（3）内，所述摄像头（3）通过传输模块（18）连接微处理器（15）。

2.根据权利要求1所述的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，其特征在于：所述呼吸信号传感器（11）采用变极距式电容传器，所述呼吸信号传感器（11）为腰带状。

3.根据权利要求2所述的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，其特征在于：所述呼吸信号传感器（11）包括由聚烯烃材质组成的绝缘结构（111）和设于绝缘结构（111）两端的金属电极（112）组成，所述金属电极（112）采用铜箔胶带。

4.根据权利要求1所述的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，其特征在于：所述传输模块（18）采用ZiBee、WiFi或蓝牙的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，其特征在于：所述脉搏信号传感器（12）采用红外脉搏传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，其特征在于：所述报警模块（17）包括蜂鸣器（9）、LED灯（8）、显示屏（7），所述LED灯（8）连接显示屏（7），所述蜂鸣器（9）和显示屏（7）连接微处理器（15），所述蜂鸣器（9）和显示屏（7）均设于安全帽（1）的上端。

7.根据权利要求1所述的一种基于安全帽的工程施工人员疲劳检测系统，其特征在于：所述温度传感器（4）的工作温度范围为温度范围-55℃～+125℃，所述温度传感器（4）的精度为±0.5℃、所述温度传感器（4）的工作周期为550-750ms。