CN216255689U - 一种基于传感器的多功能智能安全帽 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于传感器的多功能智能安全帽，包括安全帽本体、多功能装置以及监控终端；多功能装置包括PCBA电路板，PCBA电路板上安装有DC‑DC电源模块、MCU模块、第一4G通信模块、第一语音模块、六轴传感器以及定位模块；DC‑DC电源模块分别与MCU模块、第一4G通信模块、第一语音模块、六轴传感器以及定位模块电连接；MCU模块分别与第一4G通信模块、第一语音模块、六轴传感器以及定位模块电连接，第一4G通信模块以及第一语音模块分别与监控终端通信连接。本实用新型中的安全帽具有多种功能，可获取多种施工人员的监测数据，从而实现对施工现场的远程监控，且该多功能装置设备简单、功耗较低、检测效率高且使用寿命长，极大满足用户需求。

Description

一种基于传感器的多功能智能安全帽

技术领域

本实用新型属于安全帽技术领域，具体涉及一种基于传感器的多功能智能安全帽。

背景技术

在施工现场，为了保护工作人员的安全，工作人员需要佩戴安全帽。安全帽是防止冲击物伤害头部的防护用品，其一般由帽壳、帽衬、下颊带和后箍组成，当作业人员头部受到坠落物的冲击时，先利用安全帽帽壳、帽衬在瞬间将冲击力分解到头盖骨的整个面积上，然后利用安全帽各部位缓冲结构的弹性变形、塑性变形和允许的结构破坏将大部分冲击力吸收，使最后作用到人员头部的冲击力降低，从而起到保护作业人员的头部的作用。

然而现有的安全帽仅有减缓机械撞击的保护功能，不具有智能监护功能；或者具备一定的智能功能，但不具备实时监测功能。这样在危险作业过程中，无法做到随时监控操作人员的行为轨迹，同时也无法做到在出现危险的第一时间进行抢救。随着科技的不断发展进步、智能化管理，现有简单防护设备已不能满足现代化管理和检修作业的需要，需要在保证安全的基础上实现多功能，同时实现视频数据的实时传输功能。可见，现有技术中的安全帽功能较为单一，只能进行简单的头部防护作业，这样显然是难以满足现代社会的高效安全的生产需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于传感器的多功能智能安全帽，用于解决现有技术存在的至少一个问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种基于传感器的多功能智能安全帽，包括安全帽本体、设置在所述安全帽本体上的多功能装置以及与所述多功能装置通信连接的监控终端；

所述多功能装置包括壳体，所述壳体安装在所述安全帽本体前侧内壁，所述壳体内部设有PCBA电路板，所述PCBA电路板上安装有DC-DC电源模块、MCU模块、第一4G通信模块、第一语音模块、六轴传感器以及定位模块；

所述DC-DC电源模块分别与所述MCU模块、所述第一4G通信模块、所述第一语音模块、所述六轴传感器以及所述定位模块电连接；

所述MCU模块分别与所述第一4G通信模块、所述第一语音模块、所述六轴传感器以及所述定位模块电连接，所述第一4G通信模块以及所述第一语音模块分别与所述监控终端通信连接。

在一种可能的设计中，所述多功能装置还包括照明模块，所述照明模块分别与所述DC-DC电源模块和所述MCU模块电连接。

在一种可能的设计中，所述多功能装置还包括红外传感器，所述红外传感器分别与所述DC-DC电源模块和所述MCU模块电连接。

在一种可能的设计中，所述壳体面向人体头部的一侧设有透光孔，所述红外传感器发射的红外信号可从所述透光孔中穿出。

在一种可能的设计中，所述多功能装置还包括温度传感器，所述温度传感器分别与所述DC-DC电源模块和所述MCU模块电连接。

在一种可能的设计中，所述监控终端包括中央控制器、报警模块、第二4G通信模块、显示模块和第二语音模块，所述中央控制器分别与所述报警模块、所述第二4G通信模块、所述显示模块和所述第二语音模块电连接，所述第二4G通信模块与所述第一通信模块通信连接,所述第二语音模块与所述第一语音模块通信连接。

在一种可能的设计中，所述电源模块采用聚合物锂电池电源进行供电。

在一种可能的设计中，所述定位模块为GPS定位模块或BDS定位模块。

有益效果：

本实用新型通过在安全帽本体上设置电源模块，实现对所述多功能装置的可持续供电；通过设置4G通信模块，可以实现安全帽与监控终端的远距离通讯；设置第一语音模块可以实现报警信息的播报提醒以及与监控终端的双向通话；通过设置设置定位模块可以实现对智能安全帽以及施工人员的精确定位；通过设置红外传感器的测距功能实现是否佩戴安全帽的检测，并通过六轴传感器的运动状态检测功能实现是否规范佩戴安全帽以及是否发生跌落事件的检测；通过设置照明模块以满足用户在环境光较暗时的照明需求。基于上述，本实施例中的安全帽具有多种功能，可获取多种施工人员的监测数据，从而实现对施工现场的远程监控，且该多功能装置设备简单、功耗较低、检测效率高以及使用寿命长，极大满足了用户需求。

附图说明

图1为本实施例中的基于传感器的多功能智能安全帽的电路结构框图；

图2为本实施例中多功能装置的结构示意图；

图3为本实例中安装了多功能装置的安全帽本体的结构示意图；

图4为本实例中MCU模块的电路原理结构图；

图5为本实施例中4G通信模块的电路原理结构图；

图6为本实施例中第一语音播报模块的电路原理结构图；

图7为本实例中定位模块的电路原理结构图；

图8为本实施例中六轴传感器的电路原理结构图；

图9为本实例中红外传感器的电路原理结构图；

图10为本实施例中照明模块的电路原理结构图。

其中，1-安全帽本体；2-多功能装置；3-监控终端；4-壳体；5-DC-DC电源模块；6-MCU模块；7-第一4G通信模块；8-第一语音模块；9-六轴传感器；10-定位模块；11-照明模块；12-红外传感器；13-透光孔；14-温度传感器；15-中央控制器；16-报警模块；17-第二4G通信模块；18-显示模块；19-第二语音模块。

具体实施方式

为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

如图1-10所示，本实用新型提供一种基于传感器的多功能智能安全帽，包括安全帽本体1、设置在所述安全帽本体1上的多功能装置2以及与所述多功能装置2通信连接的监控终端3；所述多功能装置2包括壳体4，所述壳体4安装在所述安全帽本体1前侧内壁，所述壳体4内部设有PCBA(Printed Circuit Board Assembly，印刷电路板)电路板，所述PCBA电路板上安装有DC-DC(Direct Curren，直流)电源模块5、MCU(Microcontroller Unit，微控制模块)模块、第一4G通信模块7、第一语音模块8、六轴传感器9以及定位模块10；所述DC-DC电源模块5分别与所述MCU模块6、所述第一4G(4generation)通信模块、所述第一语音模块8、所述六轴传感器9以及所述定位模块10电连接；所述MCU模块6分别与所述第一4G通信模块7、所述第一语音模块8、所述六轴传感器9以及所述定位模块10电连接，所述第一4G通信模块7以及所述第一语音模块8分别与所述监控终端3通信连接。

其中，优选的，所述MCU模块6可采用内核为ARM Cortex M0的处理器，基于高性能Arm Cortex-M0+32位RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集)内核。该MCU集成了存储器保护单元、高速嵌入式存储器、DMA(直接存储器访问)、广泛的系统功能、增强型I/O(输入输入串口)以及外围设备。这些器件提供标准通信接口、一个具有多达19个通道的12位ADC(汇编指令)、一个低功耗RTC(Real_Time Clock)，时钟芯片)、一个高级控制PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)定时器、五个通用16-位定时器、两个基本的两个看门狗定时器和一个SysTick定时器。该MCU允许在-40至85℃的环境温度范围内运行，并且能够在2.0V至3.6V的电源电压下运行，进一步提升了所述多功能装置22的续航能力；其中，通过MCU的VBAT直接运行电池输入给RTC和备份寄存器供电，保证设备数据的安全性和稳定性。

其中，优选的，所述4G通信模块支持TDD-LTE/FDD-LTE/4G多种网络制式和多频段的网络宽带。更优选的，本实施例采用FIBOCOM L610-CN系列的L610-CN-02模块，该模块工作电压的3.4V至4.3V，模块的工作环境温度范围可以达到-30度～+75度，可以满足绝大部分场景下对模块温度适应性的要求。

其中，优选的，所述电源模块5为DC-DC电源芯片，该芯片可以提高转换效率，降低工作时的损耗；在为所述4G通信模块提供电源时，所述电源模块5为DC-DC电源芯片将电池电压从3.6V升到4V，以实现供电。其中，为了给多功能装置2提供可持续的电源，所述DC-DC电源芯片采用聚合物锂电池电源进行供电，其中，所述聚合物锂电池电源具有比能量高、小型化、超薄化、轻量化和安全性高等多种优势。基于这样的优势，锂聚合物电池是可制成任何形状与容量的电池，进而满足本实施例多功能装置2的供电需求；并且它采用铝塑包装，内部出现问题可立即通过外包装表现出来，即便存在安全隐患，也不会爆炸，只会鼓胀。在聚合物电池中，电解质起着隔膜和电解液的双重功能：一方面像隔膜一样隔离开正负极材料，使电池内部不发生自放电及短路，另一方面又像电解液一样在正负极之间传导锂离子。聚合物电解质不仅具有良好的导电性，而且还具备高分子材料所特有的质量轻、弹性好、易成膜等特性，也满足了化学电源质量轻、安全、高效和环保的需求。

其中，所述MUC模块可以控制DC-DC电源模块5的工作状态，进而用来控制所述4G通信模块的工作模式。在所述4G通信模块不需要工作的时候，MCU模块6会控制4G通信模块进入低功耗模式状态，从而降低功耗损耗；而当整个多功能装置2进入休眠状态时，MCU模块6会直接关闭DC-DC电源模块5，此时4G通信模块完全断电，没有功率消耗，此时多功能装置2处于uA级别耗能，功耗不会超过300uA，提高了多功能装置2的续航能力。

其中，优选的，所述语音播报模块采用TTS语音播报模块，通过4G通信模块和麦克风模块，实现数字式语音播报报警信息，并可以实现与监控终端3的远程双向语音通话。

其中，优选的，所述定位模块10为GPS(Global Positioning System，全球定位系统)定位模块10或BDS(BeiDou Navigation Satellite System，中国北斗卫星导航系统))定位模块10，从而实现对施工人员的精确定位，且在事故发生时，可通过该定位模块10实现快速救援，保证施工人员生命安全。

其中，本实施例的多功能装置2在进行定位时具体的工作原理如下：

首先，所述多功能装置2的工作模式可以是实时定位模式，也可以是定时定位模式。其中，实时定位模式的工作状态通过所述六轴传感器9来判断，在传感器持续振动时，所述多功能装置2按照预设的间隔时间向所述监控终端3发送数据，此时所述定位模块10和所述4G通信模块处于工作状态；其中，定时定位模式的唤醒工作频率由所述MCU模块6中的RTC(Real_Time Clock，实时时钟)控制，优选的，可以是每天唤醒一次或者多次的工作模式。

具体的，实时定位模式时，在传感器保持振动的状态下，多功能装置2不会关闭GPS定位模块10或BDS定位模块10，以及不会使得4G通信模块进入休眠，始终保持与监控终端3的连接，实时更新施工人员定位数据；然后，多功能装置2从运动状态切换到静止状态达到第一时间阈值时，例如达到3分钟时，MCU模块6控制进入休眠状态，此时关闭GPS定位模块10和4G通信模块的实时上传数据功能，只在一定的间隔能唤醒上报一次数据后再次进入休眠。其中，休眠回传间隔小于第二时间阈值时，例如小于15分钟时，可以通过短信指令或者振动唤醒装置进行定位并上传平台，休眠回传间隔大于15分钟时，只能通过振动唤醒装置进行定位并上传平台。

具体的，定时定位模式时，装置每次唤醒时工作时间控制在第一时间阈值以内，例如3分钟以内，要求3分钟内必须完成定位和蜂窝通讯，以使装置每次唤醒尽可能降低耗电。另外，为了加快BDS定位模块10的定位速度，系统中设计了AGPS(Assisted GlobalPositioning System，辅助全球卫星定位系统)功能。其中，4G通信模块在每次唤醒工作时，首先开启AGPS功能，连接AGPS服务器，然后将AGPS数据最快速度注入定位模块10，之后再做数据连接的功能。由于AGPS功能的加持，可以将定位速度提高到最快20S以内。如果在卫星信号非常好的情况下，装置可以在最快40S左右即可完成一次数据传输，这样可以大大降低每次设备唤醒时的工作功耗。如果4G信号和定位信号有异常，无法完成正常的数据连接，则MCU模块6会在3分钟后保存本次数据，直接进入休眠状态。

综上，装置在以上工作逻辑的基础上，确保了设备每次充满电后能尽可能地延长整机的工作时长。

在一种可能的设计中，所述多功能装置2还包括照明模块11，所述照明模块11分别与所述DC-DC电源模块5和所述MCU模块6电连接，以供施工人员在环境光较暗时照明使用。优选的，所述照明模块11采用LED照明模块11，所述LED照明模块11由所述MCU模块6来控制电流输出的大小和由所述电源模块5提供能源供应。MCU模块6通过编写程序代码控制提供给LED照明模块11的电流大小从而控制LED照明模块11的亮度，并且MCU模块6可以确保在LED照明模块11在不工作时不存在电量损耗。

在一种可能的设计中，所述多功能装置2还包括红外传感器12，所述红外传感器12分别与所述DC-DC电源模块5和所述MCU模块6电连接。其中，所述红外传感器12包括红外信号发射二极管和红外信号接收二极管，通过红外信号发射二极管发射特定频率的红外信号，并通过红外信号接收二极管接收该特定频率的红外信号反射的信号，即利用红外信号遇到障碍物距离的不同信号反射强度，对障碍物的距离进行测量。优选的，在所述壳体4面向人体头部的一侧设有透光孔13，所述红外传感器12发射的红外信号可从所述透光孔13穿出。利用红外传感器12的测距功能检测是否佩戴安全帽，并通过六轴传感器9的运动状态测量功能检测是否按照规范佩戴安全帽以及是否发生安全帽跌落事件，以减少报警误触发事件的发生。

在一种可能的设计中，所述多功能装置2还包括温度传感器14，所述温度传感器14分别与所述DC-DC电源模块5和所述MCU模块6电连接，从而可以进一步确定红外传感器12发射的红外信号所遇到的障碍物是人体头部。

在一种可能的设计中，所述监控终端3包括中央控制器15、报警模块16、第二4G通信模块17、显示模块18和第二语音模块19，所述中央控制器15分别与所述报警模块16、所述第二4G通信模块17、所述显示模块18和所述第二语音模块19电连接，所述第二4G通信模块17与所述第一通信模块通信连接,所述第二语音模块19与所述第一语音模块8通信连接。

基于上述公开的内容，本实施例通过在安全帽本体1上设置电源模块5，实现对所述多功能装置2的可持续供电；通过设置4G通信模块，可以实现安全帽与监控终端3的远距离通讯；设置第一语音模块8可以实现报警信息的播报提醒以及与监控终端3的双向通话；通过设置设置定位模块10可以实现对智能安全帽以及施工人员的精确定位；通过设置红外传感器12的测距功能实现是否佩戴安全帽的检测，并通过六轴传感器9的运动状态检测功能实现是否规范佩戴安全帽以及是否发生跌落事件的检测；通过设置照明模块11以满足用户在环境光较暗时的照明需求。基于上述，本实施例中的安全帽具有多种功能，可获取多种施工人员的监测数据，从而实现对施工现场的远程监控，且该多功能装置2设备简单、功耗较低、检测效率高以及使用寿命长，极大满足了用户需求。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于传感器的多功能智能安全帽，其特征在于，包括安全帽本体(1)、设置在所述安全帽本体(1)上的多功能装置(2)以及与所述多功能装置(2)通信连接的监控终端(3)；

所述多功能装置(2)包括壳体(4)，所述壳体(4)安装在所述安全帽本体(1)前侧内壁，所述壳体(4)内部设有PCBA电路板，所述PCBA电路板上安装有DC-DC电源模块(5)、MCU模块(6)、第一4G通信模块(7)、第一语音模块(8)、六轴传感器(9)以及定位模块(10)；

所述DC-DC电源模块(5)分别与所述MCU模块(6)、所述第一4G通信模块(7)、所述第一语音模块(8)、所述六轴传感器(9)以及所述定位模块(10)电连接；

所述MCU模块(6)分别与所述第一4G通信模块(7)、所述第一语音模块(8)、所述六轴传感器(9)以及所述定位模块(10)电连接，所述第一4G通信模块(7)以及所述第一语音模块(8)分别与所述监控终端(3)通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于传感器的多功能智能安全帽，其特征在于，所述多功能装置(2)还包括照明模块(11)，所述照明模块(11)分别与所述DC-DC电源模块(5)和所述MCU模块(6)电连接。

3.根据权利要求1所述的基于传感器的多功能智能安全帽，其特征在于，所述多功能装置(2)还包括红外传感器(12)，所述红外传感器(12)分别与所述DC-DC电源模块(5)和所述MCU模块(6)电连接。

4.根据权利要求3所述的基于传感器的多功能智能安全帽，其特征在于，所述壳体(4)面向人体头部的一侧设有透光孔(13)，所述红外传感器(12)发射的红外信号可从所述透光孔(13)中穿出。

5.根据权利要求1所述的基于传感器的多功能智能安全帽，其特征在于，所述多功能装置(2)还包括温度传感器(14)，所述温度传感器(14)分别与所述DC-DC电源模块(5)和所述MCU模块(6)电连接。

6.根据权利要求1所述的基于传感器的多功能智能安全帽，其特征在于，所述监控终端(3)包括中央控制器(15)、报警模块(16)、第二4G通信模块(17)、显示模块(18)和第二语音模块(19)，所述中央控制器(15)分别与所述报警模块(16)、所述第二4G通信模块(17)、所述显示模块(18)和所述第二语音模块(19)电连接，所述第二4G通信模块(17)与所述第一4G通信模块(7)通信连接,所述第二语音模块(19)与所述第一语音模块(8)通信连接。

7.根据权利要求1所述的基于传感器的多功能智能安全帽，其特征在于，所述DC-DC电源模块(5)采用聚合物锂电池电源进行供电。

8.根据权利要求1所述的基于传感器的多功能智能安全帽，其特征在于，所述定位模块(10)为GPS定位模块或BDS定位模块。

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