CN204680162U - 可穿戴有毒气体安全预警装备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可穿戴有毒气体安全预警装备，包括安全头盔和腕表；安全头盔包括：主处理芯片、无线射频模块、WI-FI模块、GPS定位模块、有毒气体检测传感器、生命体征检测传感器、环境参数传感器、摄像头、LED照明灯和语音报警装置；腕表包括：触摸显示屏、处理器和无线射频模块；安全头盔和腕表通过WI-FI无线网络通讯连接；安全头盔通过无线网络与监控中心双向通讯连接。本实用新型提供的可穿戴有毒气体安全预警装备，可获知人员的位置、生命体征和人员所在位置的环境参数，将安全头盔与传统的静态节点相结合，构建区域范围的在线监测预警网络并建设统一调度的监控中心，并形成基于无线传感器网络的预警网络，能够更好地保障人员的生命财产安全。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可穿戴有毒气体安全预警装备，属于有毒气体监测预警技术领域。
背景技术
在油气储运、化工生产车间、矿井及地质勘探等可能由于有毒气体泄露而危害人员生命安全的环境下，对工作人员的生命体征监控及对于可能发生的危险状况进行及时、网络层面的预警，迅速的找到警报的原因及来源，并进行警情强度的评估是十分必要的。
然而，常见的预警手段是通过在小区域内布置静态的监测节点，当节点分析到可能发生险情的时候进行报警操作以及数据分析。
这种模式存在以下的问题：
1.监测节点的位置是静态的，灵活性差，且监测的范围仅限于节点周围，收集的数据难以满足警报来源分析以及警情评估的需求；
2.在预测到险情时，无法及时的统计在监测区域内的人员数量及人员的生命体征和地理位置，无法为人员疏散及救援工作提供决策参考；
3.缺乏基于网络的预警功能，无法对人员进行监控，并将警报通知到每个人员。
实用新型内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种可穿戴有毒气体安全预警装备，可获知人员的位置、生命体征和人员所在位置的环境参数，将安全头盔与传统的静态节点相结合，构建区域范围的在线监测预警网络并建设统一调度的监控中心，能够更好地保障人员的生命财产安全。
技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：包括安全头盔和腕表；所述安全头盔包括：主处理芯片、无线射频模块、WI-FI模块、GPS定位模块、有毒气体检测传感器、生命体征检测传感器、环境参数传感器、摄像头、LED照明灯和语音报警装置；所述无线射频模块、WI-FI模块、GPS定位模块、有毒气体检测传感器、生命体征检测传感器、环境参数传感器、摄像头、LED照明灯和语音报警装置均与主处理芯片相连接；
所述腕表包括：触摸显示屏、处理器和无线射频模块；所述触摸显示屏和无线射频模块均与处理器相连接；
所述安全头盔和腕表通过WI-FI无线网络通讯连接；安全头盔通过无线网络与监控中心双向通讯连接。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述有毒气体检测传感器包括二氧化硫浓度检测模块、硫化氢浓度检测模块和可燃气体浓度检测模块。
作为优选方案，所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述有毒气体检测传感器均采用电化学传感器。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述环境参数传感器包括温度传感器和湿度传感器。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述生命体征检测传感器采用心率脉搏传感器。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述触摸显示屏自带有XPT2046触摸显示屏控制芯片。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述主处理芯片采用以Cortex-M3为内核的STM32f103芯片。
有益效果：本实用新型提供的可穿戴有毒气体安全预警装备，相对于传统的静态节点以及单节点工作的可移动装备在预测到险情时无法及时的将警报信息反馈到预警系统网络上，极大的浪费了宝贵的抢救时间；本实用新型具有以下优点：可组网安全预警安全头盔判断周边环境状况并通过无线网络反馈到监控中心，使得网络层面的预警具有可行性；搭载在安全头盔上的GPS传感器以及心率传感器又可在发生险情时反映出人员的位置以及身体状态，让救援工作更有效率以及针对性，从而保障人员的生命安全。可获知人员的位置、生命体征和人员所在位置的环境参数，将安全头盔与传统的静态节点相结合，构建区域范围的在线监测预警网络并建设统一调度的监控中心，并形成基于无线传感器网络的预警网络，能够更好地保障人员的生命财产安全。
附图说明
图1至图3为本实用新型的结构示意图；
图4为本实用新型的工作过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。
如图1至图3所示，一种可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：包括安全头盔和腕表；所述安全头盔包括：主处理芯片、无线射频模块、WI-FI模块、GPS定位模块、有毒气体检测传感器、生命体征检测传感器、环境参数传感器、摄像头、LED照明灯和语音报警装置；所述无线射频模块、WI-FI模块、GPS定位模块、有毒气体检测传感器、生命体征检测传感器、环境参数传感器、摄像头、LED照明灯和语音报警装置均与主处理芯片相连接；
所述腕表包括：触摸显示屏、处理器和无线射频模块；所述触摸显示屏和无线射频模块均与处理器相连接；
所述安全头盔和腕表通过WI-FI无线网络通讯连接；安全头盔通过无线网络与监控中心双向通讯连接。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述有毒气体检测传感器包括二氧化硫浓度检测模块、硫化氢浓度检测模块和可燃气体浓度检测模块。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述有毒气体检测传感器均采用电化学传感器。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述环境参数传感器包括温度传感器和湿度传感器。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述生命体征检测传感器采用的pulse-sensor传感器模块的心率脉搏传感器。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述触摸显示屏自带有XPT2046触摸显示屏控制芯片。
所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述主处理芯片采用以Cortex-M3为内核的STM32f103芯片。
硬件系统介绍
本系统的硬件系统主要由安全预警头盔、腕表以及监控中心的PC机组成；数据传输采用wifi无线传输模块以及NRF24L01无线射频传输模块。
（1）安全预警头盔
安全预警头盔的硬件框图如图2所示，设备以STM32F103芯片为主要处理芯片，在主处理芯片上搭载了如图所示的各种传感器模块，主处理芯片将传感器模块的数据采集了之后由NRF24L01无线射频模块和RT5350 WIFI模块发送出去，同时主处理芯片接收来自NRF24L01无线射频模块的LED照明灯的控制命令和接收来自RT5350 WIFI模块的语音报警控制命令。
安全预警头盔上装有LED照明灯以及语音报警模块，同时集成了各种传感器模块，主要包括：有毒气体检测传感器、生命体征检测传感器、环境参数传感器等。处理芯片采用以Cortex-M3为内核的STM32f103芯片。STM32处理器具有性价比高、功耗低、处理性能强、稳定性高等特点，适用于各种工作环境下工作。
头盔上还集成了以RT5350为处理芯片的wifi模块以及NRF24L01无线射频模块，用于数据的传输。其中NRF24L01无线射频模块负责将数据实时的传输给数据查看显示腕表供使用者实时看看，wifi模块则将采集到的数据传输给检测中心的PC机。头盔上装有摄像头，通过wifi模块，可将实时视频实时的传输给检测中心的PC机。
GPS定位模块：头盔上还装有GPS定位模块u-blox，可告知检测中心工作人员所在的位置。
传感器模块介绍
主要包括：有毒气体检测传感器、生命体征检测传感器、环境参数传感器。
有毒气体检测传感器：SO2浓度检测模块、SH浓度检测模块以及可燃气浓度检测模块。有毒气体检测模块均采用电化学传感器，其特点是检测灵敏度高、使用方便。具有良好的灵敏度和选择性，同时具有良好的稳定性和再现性，受温湿度变化的影响较小，输出方式可采用电平输出方式，也可选择模拟量输出方式。
生命体征检测传感器为心率脉搏传感器，采用的传感器模块为pulsesensor，该传感器通过红外光线对皮肤毛细血管的伸缩进行检测，从而产生一系列脉冲，通过计算脉冲的周期得到心率值。
环境参数传感器包括环境温度传感器以及湿度传感器。
湿度传感器采用DHT11，全称为数字温湿度传感器，是一款含有了已校准数字信号输出的温湿度复合式传感器，其抗干扰能力强、性价比极高，体积小、的功耗极低，适合应用于各种条件苛刻的工作环境中。其供电电压为 3.3-5.5V DC，输出单总线数字信号；湿度测量范围为20-90%RH， 温度为0-50℃；湿度测量精度为+-5%RH， 温度+-2℃，分辨率分别为1%RH、1℃。
温度传感器选用DS18B20，其供电电压范围为3.0 V至5.5 V，无需备用电源，性能稳定，应用范围广泛，适用于工业系统等各种场所。测量温度范围为－55℃～+125℃，固有的测量温度误差为1℃，测量精度为±0.5°C。其测量范围比DHT11更加广，精度也高于DHT11，因此选用该传感器来测量环境的温度。
WIFI无线模块
本设计利用安装在头盔上的WIFI无线模块进行数据及视频流的传输，采用RT5350路由器芯片搭建wifi网络。开发的环境是基于openwrt系统进行定制内核以及修改模块，通过烧写路由器固件配置路由器。
（2）腕表
本系统通过腕表来查看传感器检测到的环境参数以及生命体征等参数。
如图3所示，腕表的硬件组成包括：TFT_LCD触摸显示屏、STM32f103处理芯片、NRF24L01无线射频传输模块、3.7V标准手机锂电池。同样以STM32F103芯片为处理器，由处理器控制TFT_LCS触摸显示屏模块，并根据NRF24L01无线射频模块接收到的数据，在TFT_LCD触摸显示屏上显示出来相应数据。
TFT_LCD触摸显示屏模块自带有触摸显示屏控制芯片XPT2046。这是一款4导线制触摸显示屏控制器，内含12位的分辨率125khz转换速率逐步逼近型A/D转换器。支持1.5v-5.25v的低电压I/接口。XPT2046可通过执行两次A/D转换查出被按的屏幕位置。在2.7V的典型工作状态下关闭参考电压，功耗可小于0.75mW。工作温度范围为-40-+85°C。
腕表上设计有NRF24L01无线射频传输模块，数据参数通过该无线射频模块，从安全预警头盔上接收到各个传感器的数据，同时也可以查看时间。本数据查看显示腕表同时也设计了无线控制功能，可通过触摸触屏按钮来控制LED照明灯的开和关。
本实用新型通过传感器检测人员周边环境，并利用射频技术实时将数据传输到腕表。同时检测人员的心率，通过摄像头拍摄图像，利用wifi技术将心率、环境参数和视频流发送到监控中心。监控中心播放及保存传回的视频和环境参数，可发送信息到腕表显示以及触发头盔上的语音报警。具体工作过程如图4所示：
头盔开机启动后，初始化硬件，并开始检测各个传感器参数，通过NRF24L01发送到腕表上，同时将数据通过wifi发送到监控中心上。当监控中心发来信息的时候，头盔便进入了最高优先级的中断，以监控中心的命令为最高优先级，实时的将监控中心命令反馈给头盔穿戴者。
腕表启动时，优先初始化NRF24l01，准备接收头盔发送过来的信息，然后开启屏幕并监听NRF24l01是否收到数据，一旦收到数据则判断其数据的类型，用以更新显示腕表启动后不停的轮询监听是否有信息发送到，有则显示，没有则继续轮询。
监控中心的应用软件使用Qt中心编写，Qt是一个跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，具有优良的跨平台特性、面向对象、丰富的API等优点。
运行监控中心应用软件时，当有数据通过TCP协议上行至监控中心软件监听的网络端口时，触发接收信号槽，就会执行网络端口读取数据的操作。接收完数据后校验数据的完整性以及正确性，如果数据正确则执行数据分类存储及分析。如果校验接收的数据是错误的则将数据丢弃。
监控中心支持实时视频播放、视频录制、实时数据显示、历史数据查询、文字通讯功能以及紧急撤离现场警报等功能。
本实用新型的功能与指标：
(1)实时监测佩戴头盔的生产人员周边的环境参数，在某种有毒或危险参数超过威胁人员人身安全范围的时候进行语音报警、显示报警；
(2)实时的将人员前方的情况画面通过wifi发送至生产监控中心的监控软件上进行实时视频浏览、监控以及存储管理；
(3)实时对佩戴头盔的的生产人员的生命体征进行监控（心率），当发生人员生命体征减弱的情况时，及时发出警报并通知客户端监控软件；
(4)与生产监控中心紧密联系，可接收来自中心的通讯信息以及撤离生产现场的警报信息，实现监控中心与生产人员的联系；
(5)佩戴头盔的的生产人员能通过腕表观察当前自身存在的环境和身体的状况，以对自身的状况做出正确的判断。
主要参数和指标
(1)环境温度：
a.检测范围 －55℃～+125℃；
b.固有测温误差1℃；
(2)环境湿度：
a.测量范围：湿度20-90%RH,温度0-50℃；
b.测量精度： 湿度+-5%RH， 温度+-2℃；
c.分辨率：湿度1%RH， 温度1℃；
e.长期稳定性： <±1%RH/年。
(3)MQ-2可燃气体测量范围：
a.100ppm-10000ppm液化气和丙烷；
b.300ppm-5000ppm丁烷；
c.5000ppm-20000ppm甲烷；
d.300ppm-5000ppm氢气；
e.100ppm-2000ppm酒精；
(4)MQ-136硫化氢气体：
a.加热功耗：<=900Mw
b.灵敏度：Rs(in air)/rs(50ppmH2S)>=3
c.加热电压：5.0±0.2V（AC·DC）
d.检测浓度：1-200ppm
(5)二氧化硫气体浓度：
a.加热电压：5±0.2V（AC·DC）
b.工作电流：150mA
c.检测浓度范围：1-500ppm
d.元件功耗：≤0.8W
(6) pulse sensor心率传感器：
a.供电电压：
b.输出信号为模拟类型
c.输出信号大小：0-3.3v
d.LED峰值波长：515nm
(7)GPS模块：波特率为9600bit/s。
为了将环境参数、监控视频、人员的位置以及人员的生命体征等数据实时传输到监控中心，可利用现有的无线网络通信技术、嵌入式技术和传感器技术，设计一套可穿戴安全预警安全头盔，实时地将装备周边环境的环境参数（温度、湿度、有毒气体浓度）、人员的生命体征（心率）、GPS地理位置信息和监控视频信息通过无线网络返回到监控中心。并且装备可以和监控中心双向通信，接受中心的统一调度。
在人员的安全头盔上搭载处理器和相应的传感器，并在人员的手腕上配备能随时查看当前环境的情况并接受监控中心的通讯信息的腕表。考虑到有些区域环境复杂（电磁干扰大、金属设备多），安全头盔与监控中心的通信信号和质量会受到干扰，那么装备还需具备单节点的预警功能，在和监控中心无法建立联系的状态下，需要处理器综合分析环境参数的变化趋势，根据变化趋势提前对可能发生的危险采取报警操作。
安全头盔与静态节点通过无线网络连接到监控中心，由监控中心统一监测预警，并实现监控数据共享、同步预警功能，实现了可移动监测和固定式监测的优势互补。
在区域内根据需要架设若干个无线基站，和静态节点共同构建预警网络系统，系统由多套安全预警装备、静态节点、WI-FI和监控中心组成。
可穿戴安全预警装备包含安全头盔和腕表，安全头盔上搭载STM32处理芯片，配置多种环境参数传感器、摄像头、GPS定位模块和心率传感器，利用安全头盔上植入的WI-FI通信模块建立起WI-FI无线网络，安全头盔通过无线网络与监控中心建立双向通讯，将环境参数数据、人员的生命体征、监控视频和警报信息通过无线网络传输到监控中心，监控中心也可发出指令或通讯信息到安全头盔上。
安全头盔上的处理器分析传感器检测到的环境参数数据的变化，根据变化趋势提前对可能发生的危险采取报警操作，包括安全头盔上的扬声器进行语音报警和利用RF（Radio Frequency）技术实时传输警报信息到腕表上显示并发出震动警告这两种报警方式。
腕表以STM32芯片作为核心处理器，搭载TFT-LCD触摸显示屏、震动马达和RF通信模块，显示来自监控中心的通讯信息和安全头盔采集到的环境参数与指令。
我们为装备的WI-FI模块分配了固定的IP地址，监控中心可以使用IP地址查询预先录入的人员信息，在险情发生时可精确的获知区域人员信息和对应地区的环境状况，为救援善后工作提供准确的情报。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：包括安全头盔和腕表；所述安全头盔包括：主处理芯片、无线射频模块、WI-FI模块、GPS定位模块、有毒气体检测传感器、生命体征检测传感器、环境参数传感器、摄像头、LED照明灯和语音报警装置；所述无线射频模块、WI-FI模块、GPS定位模块、有毒气体检测传感器、生命体征检测传感器、环境参数传感器、摄像头、LED照明灯和语音报警装置均与主处理芯片相连接；
所述腕表包括：触摸显示屏、处理器和无线射频模块；所述触摸显示屏和无线射频模块均与处理器相连接；
所述安全头盔和腕表通过WI-FI无线网络通讯连接；安全头盔通过无线网络与监控中心双向通讯连接。
2.根据权利要求1所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述有毒气体检测传感器包括二氧化硫浓度检测模块、硫化氢浓度检测模块和可燃气体浓度检测模块。
3.根据权利要求2所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述有毒气体检测传感器均采用电化学传感器。
4.根据权利要求1所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述环境参数传感器包括温度传感器和湿度传感器。
5.根据权利要求1所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述生命体征检测传感器采用心率脉搏传感器。
6.根据权利要求1所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述触摸显示屏自带有XPT2046触摸显示屏控制芯片。
7.根据权利要求1至6任一项所述的可穿戴有毒气体安全预警装备，其特征在于：所述主处理芯片采用以Cortex-M3为内核的STM32f103芯片。
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|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150930 Termination date: 20200408 |