CN114023042A - 一种生命安全监护预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生命安全监护预警系统及方法，属于智能控制技术领域，所述系统包括本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器、本安分站、服务器；通过构建蓝牙mesh自组网实现了监控空间内任意位置的信号传输，保证监测到任意一个工作人员的采集信息；本发明不仅可以实时监控作业人员的生命体征、呼吸参数等表征工作人员身体状况的参数，还可以实时监测周围环境的气体浓度信息，实现基于环境与作业人员本身的双向安全预警功能，通过投入节点的方式，实现网状网延伸，从而达到在矿井上实现矿井下网络恢复的效果。
Description
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，具体涉及一种生命安全监护预警系统及方法。
背景技术
煤矿作业的环境恶劣，粉尘严重，通风条件较差，在井下会存在甲烷、一氧化碳以及硫化氢等有害气体，当甲烷浓度超限时，会引发煤矿爆炸，当一氧化碳及硫化氢浓度过高、氧气浓度过低时，会使井下作业人员呼吸困难，严重影响作业人员的健康状况。目前对于作业人员的生命体征参数的监测还仅仅停留在下井前用血压计进行测量，不能实现对作业人员生命体征参数的实时监测，对于生命体征相对较弱的矿工在工作过程中，当出现突发疾病时会非常危险，如果井下网络信号差，求救信号无法及时上传到井上进行及时医治，这是对工人生命极其不负责任的表现。
再者，现有网络多属于单跳网络，个别传输节点损坏则通讯中断，电源线路中断，报警信号传输不到井上来，故障诊断不及时，耽误生产，现有设备监控只能上传到井上，进行集中监控，导致决策周期长，加长了设备维护有效时间，目前还没有一款设备能综合矿井的环境信息、矿工的生命体征信息，实现环境与人员的双向安全预警功能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种生命安全监护预警系统及方法，在发生灾难等导致网络瘫痪的情况下，通过蓝牙mesh自组网实现与周边设备的互联互通，通过监听周边蓝牙信息实时监测遇难人员的生命体征信息以及周围环境信息。
一种生命安全监护预警系统，包括本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器、本安分站、服务器；本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器分别与本安分站无线连接，本安分站与服务器有线连接；
所述本安型手表用于采集穿戴者的生命体征参数，并无线传输给服务器；
所述多参数测定器用于采集周围环境的气体浓度值，并无线传输给服务器；
所述动力送风呼吸器用于采集穿戴者佩戴的口罩内的气体压强，并无线传输给服务器；
所述本安分站用于组建蓝牙mesh自组网，将无线信号转换为有线信号；
所述服务器用于根据接收到的定位人员的位置信息和定位人员周围环境的气体浓度值生成气体分布云图直观显示整个监测空间内的气体分布，实时监测定位人员所处位置是否有危险并进行预警提示；还用于将接收到的气体压强转换为表征呼吸情况的呼吸参数；并对生命体征参数、呼吸参数进行实时显示。
所述本安分站包括蓝牙mesh数据交互单元、核心数据采集单元、串口转光纤模块；蓝牙mesh数据交互单元与核心数据采集单元通过串口连接，核心数据采集单元与串口转光纤模块通过串口连接；串口转光纤模块与服务器通过光纤连接；
所述蓝牙mesh数据交互单元用于组建本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器、本安分站之间的mesh网状网，实现数据多对多的传输；
所述核心数据采集单元用于配置各个本安分站的地址和编码以及数据转发、协议转换；
所述串口转光纤模块用于将数据转换以太网光信号。
所述本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器内均配置有蓝牙mesh数据交互单元，待监测空间内布置有若干个本安分站，本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器佩戴在使用者身上，通过蓝牙mesh数据交互单元形成监测空间内的mesh网状网，用于无线信号的传输。
所述本安型手表包括心率监测单元、血压监测单元、体温监测单元以及控制器，心率监测单元、血压监测单元、体温监测单元分别与控制器电连接，控制器与蓝牙mesh数据交互单元串口连接；
所述多参数测定器包括氧气监测单元、一氧化碳监测单元、硫化氢监测单元、甲烷监测单元、运算放大器以及控制器；氧气监测单元、一氧化碳监测单元、硫化氢监测单元、甲烷监测单元分别与运算放大器电连接，运算放大器与控制器电连接，控制器与蓝牙mesh数据交互单元串口连接；
所述动力送风呼吸器包括安装在口罩上的压力传感器、控制器，压力传感器与控制器电连接，控制器与蓝牙mesh数据交互单元串口连接。
本安分站发送报文格式为：设备种类的编码、读/写数据的功能码、数据起始地址的编码、发送数据的个数、校验码；所述本安分站接收报文格式为：设备种类的编码、读/写数据的功能码、识别定位人员身份的编码、接收的数据、接收数据的个数、校验码。
所述本安分站对服务器的报文传输采用UDP无主传输方式，服务器接收报文格式为：本安分站地址的编码、读/写数据的功能码、识别定位人员身份的编码、接收的数据、接收数据的个数、校验码；所述本安分站地址的编码由拨码开关设置，用于区分位于不同位置的不同分站。
所述服务器将接收到的气体压强转换为呼吸强度、呼吸频率两种呼吸参数；当服务器监测到定位人员的生命体征参数、呼吸参数偏离设定的安全阈值时及时进行生命危险提示。
一种生命安全监护预警方法，基于所述的生命安全监护预警系统实现，所述方法包括：
步骤1：获取待测环境空间内定位人员的位置信息{(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)}，其中(xi,yi)表示第i个定位人员的位置坐标，n表示选取的定位人员的总个数；
步骤2：根据每个定位人员佩戴的多参数测定器获取定位人员i周围环境气体浓度值{Vi,j|j＝1,2,3,J}，Vi,j表示第i个定位人员所处周围环境中第j种气体的浓度值，J表示多参数测定器采集到的周围环境气体的种类；
步骤3：根据每种气体的n个浓度值以及n个位置信息生成拟合曲线；
步骤4：根据所有气体对应的拟合曲线生成云图得到气体分布云图，直观显示整个监测空间内的气体分布；
步骤5：通过气体分布云图实时监测定位人员所处位置是否有危险并进行预警提示。
所述步骤5具体表述为：根据预设的安全等级将气体浓度值分为不同的区间段，每个区间段对应不同的颜色表示不同的安全等级，根据每个浓度值所处的区间段对应的颜色将气体分布云图呈现为彩色图；当彩色图中出现危险等级区域时及时进行预警提示。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种生命安全监护预警系统及方法，所述系统包括本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器、本安分站、服务器；通过构建蓝牙mesh自组网实现了监控空间内任意位置的信号传输，保证监测到任意一个工作人员的采集信息；本发明不仅可以实时监控作业人员的生命体征、呼吸参数等表征工作人员身体状况的参数，还可以实时监测周围环境的气体浓度信息，实现基于环境与作业人员本身的双向安全预警功能，通过投入节点的方式，实现网状网延伸，从而达到在矿井上实现矿井下网络恢复的效果。
附图说明
图1为本发明中生命安全监护预警系统框图；
图2为本发明中生命安全监护预警方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。
如图1所示，一种生命安全监护预警系统，包括本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器、本安分站、服务器；本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器均佩戴在作业人员身上，待监测环境空间内(比如应用到矿井下)设置有若干个本安分站，本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器分别与本安分站无线连接，本安分站与服务器有线连接；
所述本安型手表用于采集穿戴者的生命体征参数，并无线传输给服务器，所述生命体征参数包括心率、血压、体温；
所述本安型手表包括心率监测单元、血压监测单元、体温监测单元以及控制器(优选单片机)，心率监测单元、血压监测单元、体温监测单元分别与控制器电连接，控制器与蓝牙mesh数据交互单元串口连接；手表采集到的心率值、血压值以及体温值通过蓝牙组成的mesh网状网进行数据传输，实现有源探测、有源信息识别，将网状网拓展出来到服务器，还可以实现多对多网状网网络，连接其他网络设备。
所述多参数测定器用于采集周围环境的气体浓度值，并无线传输给服务器，所述气体浓度值包括氧气、一氧化碳、硫化氢、甲烷四种气体的浓度值；
所述多参数测定器包括氧气监测单元、一氧化碳监测单元、硫化氢监测单元、甲烷监测单元、运算放大器以及控制器(优选单片机)；氧气监测单元、一氧化碳监测单元、硫化氢监测单元、甲烷监测单元分别与运算放大器电连接，运算放大器与控制器电连接，控制器与蓝牙mesh数据交互单元串口连接；氧气监测单元采集的氧气浓度、一氧化碳监测单元采集的一氧化碳浓度、甲烷监测单元采集的甲烷浓度、硫化氢监测单元采集的硫化氢浓度通过蓝牙组成的mesh网状网进行数据传输；
所述动力送风呼吸器用于采集穿戴者佩戴的口罩内的气体压强，并无线传输给服务器；
所述动力送风呼吸器包括安装在口罩内的压力传感器、控制器(优选单片机)；压力传感器与控制器电连接，控制器与蓝牙mesh数据交互单元串口连接；
本实施例中的动力送风呼吸器是在专利(申请号CN2020200593328)《矿用滤尘送风式防尘口罩》公开的口罩基础上进行的改进，该专利公开的口罩不具备蓝牙mesh功能，为此需要在该专利公开口罩的基础上增加蓝牙mesh数据交互单元，压力传感器采集到的口罩内压力值通过蓝牙组成的mesh网状网进行数据传输；
所述本安分站用于组建蓝牙mesh自组网，将无线信号转换为有线信号；
所述本安分站包括蓝牙mesh数据交互单元、核心数据采集单元(优选单片机)、串口转光纤模块；蓝牙mesh数据交互单元与核心数据采集单元通过串口连接，核心数据采集单元与串口转光纤模块通过串口连接；串口转光纤模块与服务器通过光纤连接；
所述蓝牙mesh数据交互单元用于组建本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器、本安分站之间的mesh网状网，实现数据多对多的传输；
所述核心数据采集单元用于配置各个本安分站的地址和编码以及数据转发，协议转换；
所述串口转光纤模块用于将数据转换以太网光信号。
所述本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器内均配置有蓝牙mesh数据交互单元，待监测空间内布置有若干个本安分站，本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器佩戴在使用者身上，通过蓝牙mesh数据交互单元形成监测空间内的mesh网状网，用于无线信号的传输。
所述服务器用于根据接收到的定位人员的位置信息和定位人员周围环境的气体浓度值生成气体分布云图直观显示整个监测空间内的气体分布，实时监测定位人员所处位置是否有危险并进行预警提示；还用于将接收到的气体压强转换为表征呼吸情况的呼吸参数；并对生命体征参数、呼吸参数进行实时显示。
所述服务器将接收到的气体压强转换为呼吸强度、呼吸频率两种呼吸参数；当服务器监测到定位人员的生命体征参数、呼吸参数偏离设定的安全阈值时及时进行生命危险提示。
本安型手表的报文、动力送风呼吸器的报文、多参数测定器的报文格式采用主从方式，分站为主机，分站对上为无主式。
本安分站发送报文格式为：设备种类的编码、读/写数据的功能码、数据起始地址的编码、发送数据的个数、校验码；所述本安分站接收报文格式为：设备种类的编码、读/写数据的功能码、识别定位人员身份的编码、接收的数据、接收数据的个数、校验码；
分站发送报文如下：
设备种类：0x01-代表动力送风呼吸器；0x02-代表本安型手表；0x03-代表多参数测定器；0xff-代表其他；
功能码：0x03-读数据；0x05-写数据；
数据起始地址-0x00 0x00-代表从0地址开始读；
数据个数：0x04代表读取4组十六进制数；
校验码：为所前两个数据之和；
分站接收报文如下：
设备种类：0x01-代表动力送风呼吸器；0x02-代表本安型手表；0x03-代表多参数测定器；
0xff-代表其他；
功能码：0x03-读数据；
数据起始地址-0x00 0x00-代表从0地址开始读
人员编码：0x0008代表唯一性身份识别码，8-代表某一姓氏；
数据：0x00 0x08即0x0010代表呼吸次数为16次/分钟；0x03 0x65-0x0365-代表口罩环境压力为101kPa；
数据个数：0x04-代表4个数据；
校验码：0x01+0x03＝0x04；
所述本安分站对服务器的报文传输采用UDP无主传输方式，服务器接收报文格式为：本安分站地址的编码、读/写数据的功能码、定位人员身份的编码、接收的数据、接收数据的个数、校验码；所述本安分站地址的编码由拨码开关设置，用于区分位于不同位置的不同分站。
分站地址：物联网蓝牙mesh本安分站的地址，由拨码开关设置，用于区分不同分站，不同地点；
功能码：0x03-读数据；0x05-写数据；
人员编码：0x00 0x08-用于区分是谁的数据；
数据1数据2……数据个数：心率值、血压值、压力值、一氧化碳浓度值、氧气浓度值、甲烷浓度值、二氧化碳浓度值7；
校验码：(分站地址+功能码+人员编码)/2＝(0X01+0X03+0X08)/2＝0X06
所述系统集成了具有蓝牙mesh功能的物联网本安手表、具有蓝牙mesh功能的动力送风呼吸器、具有蓝牙mesh功能的多参数测定器，并与本安分站中的蓝牙mesh交换功能机通过蓝牙mesh自组网连接，其优势在于网络稳定，实现了无线网状网，在井底作业时，井底每间隔一定距离安装有本安分站，各个矿工随身佩戴手表、动力送风呼吸器、多参数测定器，每个设备都可以当做无线接入点AP(Access Point)，人员和人员之间也可以当做路由节点AP进行数据传输覆盖拓展，相当于移动的无线路由。并且具有可拓展性，便于灾后救援及数据提取，快速发现佩戴者并了解生命体征情况。蓝牙mesh无线分站内部交换机与井下环网交换机通过光纤连接，井下环网交换机与井上服务器之间通过光纤连接。
如图2所示，一种生命安全监护预警方法，基于所述的生命安全监护预警系统实现，所述方法包括：
步骤1：获取待测环境空间内定位人员的位置信息{(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)}，其中(xi,yi)表示第i个定位人员的位置坐标，n表示选取的定位人员的总个数；
步骤2：根据每个定位人员佩戴的多参数测定器获取定位人员i周围环境气体浓度值{Vi,j|j＝1,2,3,J}，Vi,j表示第i个定位人员所处周围环境中第j种气体的浓度值，J表示多参数测定器采集到的周围环境气体的种类，包括氧气、一氧化碳、硫化氢、甲烷四种气体；
步骤3：根据每种气体的n个浓度值以及n个位置信息生成拟合曲线；
步骤4：根据所有气体对应的拟合曲线生成云图得到气体分布云图，直观显示整个监测空间内的气体分布；
步骤5：通过气体分布云图实时监测定位人员所处位置是否有危险并进行预警提示；具体表述为：根据预设的安全等级将气体浓度值分为不同的区间段，每个区间段对应不同的颜色表示不同的安全等级，根据每个浓度值所处的区间段对应的颜色将气体分布云图呈现为彩色图；当彩色图中出现危险等级区域时及时进行预警提示。
基于服务器开发上位机监控系统，本实施例中采用B/S结构，B/S结构(Browser/Server结构)结构即浏览器和服务器结构。随着Internet的广泛应用，客户机/服务器(C/S)计算系统变得不太适应，B/S结构将会成为主流结构。它是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过WWW浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现，但是主要事务逻辑在服务器端(Server)实现，形成所谓三层结构。这样就大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本(TCO)。以目前的技术看，局域网建立B/S结构的网络应用，并通过Internet/Intranet模式下数据库应用，相对易于把握、成本也是较低的。它是一次性到位的开发，能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式(比如LAN，WAN，Internet/Intranet等)访问和操作共同的数据库；它能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全。特别是在JAVA这样的跨平台语言出现之后，B/S架构管理软件更是方便、速度快、效果更优。
选用Java开发语言，Java是一种被广泛使用的网络编程语言。随着Internet的发展，Java语言以其强大的生命力得到了越来越广泛的应用。Java语言之所以受人推崇，是因为它确实称得上是一种新一代编程语言，具有面向对象、可移植性好、与硬件无关、系统强健安全、提供了并发机制、性能高的众多优点，并提供了茶叶网站分布性、多线程、动态性的支持。Tomcat服务器，Tomcat的服务器是一个免费的开放源代码的网络应用服务器，轻量级属于应用服务器，在中小型系统和并发访问用户不是很多的场合下被普遍使用。Tomcat服务器在Web项目具有得天独厚的优势，包括一般跨站请求伪造CSRF保护，减少垃圾回收动作，增强的安全管理支撑等。
采用Mysql数据库，MySQL是一种开放源代码的关系型数据库管理系统(RDBMS)，使用最常用的数据库管理语言--结构化查询语言(SQL)进行数据库管理。MySQL是开放源代码的，因此任何人都可以在General Public License的许可下下载并根据个性化的需要对其进行修改。MySQL因为其速度、可靠性和适应性而备受关注。大多数人都认为在不需要事务化处理的情况下，MySQL是管理内容最好的选择。
Claims (9)
1.一种生命安全监护预警系统，其特征在于，包括本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器、本安分站、服务器；本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器分别与本安分站无线连接，本安分站与服务器有线连接；
所述本安型手表用于采集穿戴者的生命体征参数，并无线传输给服务器；
所述多参数测定器用于采集周围环境的气体浓度值，并无线传输给服务器；
所述动力送风呼吸器用于采集穿戴者佩戴的口罩内的气体压强，并无线传输给服务器；
所述本安分站用于组建蓝牙mesh自组网，将无线信号转换为有线信号；
所述服务器用于根据接收到的定位人员的位置信息和定位人员周围环境的气体浓度值生成气体分布云图直观显示整个监测空间内的气体分布，实时监测定位人员所处位置是否有危险并进行预警提示；还用于将接收到的气体压强转换为表征呼吸情况的呼吸参数；并对生命体征参数、呼吸参数进行实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种生命安全监护预警系统，其特征在于，所述本安分站包括蓝牙mesh数据交互单元、核心数据采集单元、串口转光纤模块；蓝牙mesh数据交互单元与核心数据采集单元通过串口连接，核心数据采集单元与串口转光纤模块通过串口连接；串口转光纤模块与服务器通过光纤连接；
所述蓝牙mesh数据交互单元用于组建本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器、本安分站之间的mesh网状网，实现数据多对多的传输；
所述核心数据采集单元用于配置各个本安分站的地址和编码以及数据转发、协议转换；
所述串口转光纤模块用于将数据转换以太网光信号。
3.根据权利要求2所述的一种生命安全监护预警系统，其特征在于，所述本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器内均配置有蓝牙mesh数据交互单元，待监测空间内布置有若干个本安分站，本安型手表、多参数测定器、动力送风呼吸器佩戴在使用者身上，通过蓝牙mesh数据交互单元形成监测空间内的mesh网状网，用于无线信号的传输。
4.根据权利要求3所述的一种生命安全监护预警系统，其特征在于，所述本安型手表包括心率监测单元、血压监测单元、体温监测单元以及控制器，心率监测单元、血压监测单元、体温监测单元分别与控制器电连接，控制器与蓝牙mesh数据交互单元串口连接；
所述多参数测定器包括氧气监测单元、一氧化碳监测单元、硫化氢监测单元、甲烷监测单元、运算放大器以及控制器；氧气监测单元、一氧化碳监测单元、硫化氢监测单元、甲烷监测单元分别与运算放大器电连接，运算放大器与控制器电连接，控制器与蓝牙mesh数据交互单元串口连接；
所述动力送风呼吸器包括安装在口罩内的压力传感器、控制器，压力传感器与控制器电连接，控制器与蓝牙mesh数据交互单元串口连接。
5.根据权利要求3所述的一种生命安全监护预警系统，其特征在于，本安分站发送报文格式为：设备种类的编码、读/写数据的功能码、数据起始地址的编码、发送数据的个数、校验码；所述本安分站接收报文格式为：设备种类的编码、读/写数据的功能码、识别定位人员身份的编码、接收的数据、接收数据的个数、校验码。
6.根据权利要求3所述的一种生命安全监护预警系统，其特征在于，所述本安分站对服务器的报文传输采用UDP无主传输方式，服务器接收报文格式为：本安分站地址的编码、读/写数据的功能码、识别定位人员身份的编码、接收的数据、接收数据的个数、校验码；所述本安分站地址的编码由拨码开关设置，用于区分位于不同位置的不同分站。
7.根据权利要求1所述的一种生命安全监护预警系统，其特征在于，所述服务器将接收到的气体压强转换为呼吸强度、呼吸频率两种呼吸参数；当服务器监测到定位人员的生命体征参数、呼吸参数偏离设定的安全阈值时及时进行生命危险提示。
8.一种生命安全监护预警方法，基于权利要求1～7任意一项所述的生命安全监护预警系统实现，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：获取待测环境空间内定位人员的位置信息{(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)}，其中(xi,yi)表示第i个定位人员的位置坐标，n表示选取的定位人员的总个数；
步骤2：根据每个定位人员佩戴的多参数测定器获取定位人员i周围环境气体浓度值{Vi,j|j＝1,2,3,J}，Vi,j表示第i个定位人员所处周围环境中第j种气体的浓度值，J表示多参数测定器采集到的周围环境气体的种类；
步骤3：根据每种气体的n个浓度值以及n个位置信息生成拟合曲线；
步骤4：根据所有气体对应的拟合曲线生成云图得到气体分布云图，直观显示整个监测空间内的气体分布；
步骤5：通过气体分布云图实时监测定位人员所处位置是否有危险并进行预警提示。
9.根据权利要求8所述的一种生命安全监护预警方法，其特征在于，所述步骤5具体表述为：根据预设的安全等级将气体浓度值分为不同的区间段，每个区间段对应不同的颜色表示不同的安全等级，根据每个浓度值所处的区间段对应的颜色将气体分布云图呈现为彩色图；当彩色图中出现危险等级区域时及时进行预警提示。
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