CN217157435U - 一种无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，包括角度测量无线设备和智能安全帽，所述智能安全帽设置有蓝牙5.1发射模组，所述角度测量无线设备包括多组天线，所述多组天线分布在12.5厘米的宽度内。所述无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，可以识别龙门吊吊装的重物与施工人员角度，当重物接近施工人员上方时，能及时提醒施工人员，从而采取各种有效规避风险的措施。

Description

一种无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置

技术领域

本实用新型涉及一种安全生产预警装置，尤其是涉及一种无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置。

背景技术

龙门吊下进行施工是安全风险较高的施工场景，尤其是地铁、特高压输电塔基坑作业等深基坑作业的施工场景：施工人员在地面以下几十米深度，吊装工作时，施工人员听不到龙门吊自带的提示音。

当龙门吊吊装重型施工物件的时候，工人施工往往存在被砸、被撞、被压等安全隐患，虽然有完善的施工安全规定，但是还是经常会出现类似的安全事故。

现有技术一般是通过龙门吊自带的喇叭提示施工现场人员，但深基坑作业人员很难听到提示音；或者专门安排一个人做监控，一直没有很好的自动化解决方案。

实用新型内容

本实用新型提供了一种无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，用于解决龙门吊在吊装工作时，位于深基坑的作业人员收到提示的问题，其技术方案如下所述：

一种无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，包括角度测量无线设备和智能安全帽，所述智能安全帽设置有蓝牙5.1发射模组，所述角度测量无线设备包括多组天线，所述多组天线分布在12.5厘米的宽度内，也就是2.4G无线信号的一个波长范围内。

所述多组天线包括平行主梁方向的至少两组天线，以及垂直主梁方向的至少两组天线，或者圆形排布。

所述智能安全帽设置有与蓝牙5.1发射模组相连接的第一处理器，所述第一处理器与报警装置相连接。

所述报警装置设置有多个报警级别的报警声音。

所述角度测量无线设备包括与天线相连接的第二处理器，所述第二处理器计算多组天线对应接收的天线信号的相位差获取角度，所述第二处理器能够将龙门吊吊架与安全帽的角度传输给智能安全帽。

所述第二处理器能够将龙门吊吊架与安全帽的角度传输给控制系统，控制系统将报警信息通过wifi传输给智能安全帽。

所述第一处理器通过计算蓝牙5.1发射模组与多组天线之间的RSSI获取龙门吊的吊架与施工人员的距离，通过RSSI的测距算法公式为

d＝10^{(abs(RSSI)-A)/(10*n)}

其中d为计算所得距离，RSSI为接收信号强度，A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度；n为环境衰减因子，abs表示绝对值。

所述角度测量无线设备通过保护装置安装在龙门吊的吊钩或吊架上。

所述平行和垂直方向的天线都设置有两组，两个天线的相隔距离为d时，存在ψ＝(2πd cos(θ))/λ，其中λ是信号的波长，ψ是相位差，θ是到达角，角度测量公式为θ＝arccos((ψλ)/(2πd))。

所述无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，可以识别龙门吊吊装的重物与施工人员角度，当重物接近施工人员上方时，能及时提醒施工人员，从而采取各种有效规避风险的措施。

附图说明

图1是施工人员在深基坑作业的示意图；

图2是龙门吊的多天线布置示意图；

图3是本实用新型的应用示意图；

图4是龙门吊的天线阵列的示意图；

图5是所述天线不同排布示意图；

图6是所述两组天线计算相位差的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，地面上挖有深基坑10，在深基坑10上方设置有龙门吊2，所述龙门吊2的框架能够前后移动，龙门吊设置的行车能够左右移动，行车的一侧可以设置有驾驶室1，其行车的下方设置有吊钩3，所述吊钩3的下方连接有吊架4，所述吊钩3或者吊架4的底部安装有角度测量无线设备。深基坑10的底部有施工人员9在工作，所述施工人员9戴有智能安全帽6。

所述无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置包括角度测量无线设备和智能安全帽6，所述智能安全帽设置有蓝牙5.1发射模组，所述角度测量无线设备包括多组天线5。所述角度测量无线设备具有AOA(到达角测量：Angle-of-Arrival)测量功能，同时具有计算AOA需要的多组天线5，多组天线分布在12.5厘米的宽度内(2.4G的波长是12.5厘米，测量AOA利用的是同一个波长长内的相位差，也就是2.4G无线信号的一个波长范围内)，且对应的平行方向和/或垂直方向，天线各不少于2组，至少可以从两个方向确定重物与施工人员9的角度。

如图5所示，天线的阵列排布除了平行/垂直布置，也可以采用圆形排布阵列。进一步的，结合图6所示，使用时，通过两组天线可以计算出相位差，但是多组天线有利于提高抗干扰能力。

结合图2所示，设定本实施例中在垂直方向使用了两组天线时，分别是第一天线6和第二天线7，进一步的，第一天线7和第二天线8之间的距离d小于12.5厘米。安装时，吊架4的下方有一定支护空间，确保角度测量无线设备不容易发生损坏。

2019年发布了蓝牙5.1规范，配备“多组天线”后，蓝牙5.1规范的设备不仅可以测距，还可以测量相对角度。2021年，基于“多天线的具备方向识别功能”的“蓝牙设备”进入实用阶段。为了降低龙门吊施工的安全隐患，本实用新型基于智能安全帽6进行龙门吊施工安全防护。利用智能安全帽6和龙门吊吊架4的具有寻向功能的角度测量无线设备，实时计算龙门吊货物和佩戴智能安全帽6的施工人员9之间的角度。同时将角度按照不同的安全等级进行分类。当角度过小(相对于垂直方向)时进行提醒和报警，从而避免龙门吊施工的安全事故发生。

对应的，智能安全帽6具有配对的蓝牙5.1发射模组，安全帽6的第一处理器通过计算两者之间的RSSI(接收信号强度：Radio Signal Strength Indication)，估算龙门吊吊架4和施工人员9的距离；蓝牙5.1发射模组发送到第一天线7的第一天线信号11，以及发送到第二天线8的第二天线信号12，龙门吊上的第二处理器通过计算第一天线7和第二天线8对应接收的天线信号的相位差，计算吊架4和智能安全帽6的AOA(到达角测量：Angle-of-Arrival)，并把角度传输给智能安全帽6，如果是小角度，说明重物在施工人员上方。

进一步的，通过安装于智能安全帽6的蓝牙设备，测量施工人9与龙门吊吊装重物的距离，所述蓝牙模组选用Nordic新推出的支持蓝牙5.1寻向功能的芯片nRF52811 SoC或者Dialog的支持蓝牙5.1寻向功能的芯片DA1469x系列。

所述RSSI(Received Signal Strength Indication)测距算法公式：

d＝10^{(abs(RSSI)-A)/(10*n)},

其中d为计算所得距离(单位：m)；RSSI为接收信号强度(单位：dB)；A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度；n为环境衰减因子。abs表示绝对值。

其中A和n需要经过多轮标定：测量多组d和RSSI，联立方程，计算A和n值。

同理，水平方向设置两组天线，以及水平或垂直方向设置多组天线的测算都是同样计算方式。

如图3所示，(1)通过龙门吊上的蓝牙5.1设备和多组不同角度(至少包含垂直的两个角度)的天线，复核验证施工人员与龙门吊吊装重物的距离；

(2)并计算施工人员与龙门吊吊装重物的角度，龙门吊上的第二处理器并把距离和角度发送到施工人员佩戴的智能安全帽。

结合图4举例说明角度的计算：假设龙门吊的天线阵列由两个天线组成，相隔距离d。智能安全帽发射器设备使用单个天线发射信号。可以在与最接近的天线(antenna1)相交的点处从延伸到最远的天线(antenna2)的输入信号波前画一条垂直线。该直角三角形的相邻边表示相对于两个天线之间该波前的入射角的路径差。ψ＝(2πd cos(θ))/λ，其中λ是信号的波长，ψ是相位差，θ是到达角(从连接接收器中两个天线的线测量)，因此θ＝arccos((ψλ)/(2πd))。

(3)龙门吊吊装重物处于施工人员正上方时，危险性最大(如果脱落，重物下降非常快)。如果如果到达角在安全帽正上方，或者正上方的一定范围内，说明重物处于施工人员上方，具有一定的风险性。

如果“施工人员与龙门吊吊装重物的角度”大于阈值1，说明吊装重物偏离人的上方，不会有吊钩重物砸到这位施工人员的风险，返回，进行下一轮检测；

如果龙门吊吊装重物与施工人员角度小于阈值1且大于阈值2，说明会有吊钩重物接近施工人员上方，需要做中级别声音(参照YY0709-2009报警系统测试和指南，C4-C4-C4，提示音相对平和；也可以参照其他报警标准)提醒。

如果“安装于吊钩的无线信号到安全帽的到达角”小于阈值2，说明会有吊钩重物在施工人员上方，需要做高级别声音(参照YY0709-2009报警系统测试和指南，C4-C4-C4---C4-C4，提示音相对急促；也可以参照其他报警标准)提醒。

在施工时，角度测量无线设备对于智能安全帽的蓝牙发射模组都是登记过的，这样随着龙门吊的移动，无论是从哪个方向接近施工人员，龙门吊都能探测到施工人员的距离和方向，进而向施工人员发出报警信息。此外，也可以采用控制系统，所述第二处理器能够将龙门吊吊架与安全帽的角度传输给控制系统，控制系统将报警信息通过wifi传输给智能安全帽。某实施例中，所述控制系统为计算机，所述第一处理器和第二处理器采用单片机实现。

所述无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，可以识别龙门吊吊装的重物与施工人员角度，当重物接近施工人员上方时，能及时提醒施工人员，从而采取各种有效规避风险的措施。

Claims (9)

1.一种无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，其特征在于：包括角度测量无线设备和智能安全帽，所述智能安全帽设置有蓝牙5.1发射模组，所述角度测量无线设备包括多组天线，所述多组天线分布在12.5厘米的宽度内。

2.根据权利要求1所述的无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，其特征在于：所述多组天线包括平行主梁方向的至少两组天线，以及垂直主梁方向的至少两组天线，或者圆形排布。

3.根据权利要求1所述的无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，其特征在于：所述智能安全帽设置有与蓝牙5.1发射模组相连接的第一处理器，所述第一处理器与报警装置相连接。

4.根据权利要求3所述的无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，其特征在于：所述报警装置设置有多个报警级别的报警声音。

5.根据权利要求1所述的无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，其特征在于：所述角度测量无线设备包括与天线相连接的第二处理器，所述第二处理器计算多组天线对应接收的天线信号的相位差获取角度，所述第二处理器能够将龙门吊吊架与安全帽的角度传输给智能安全帽。

6.根据权利要求5所述的无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，其特征在于：所述第二处理器能够将龙门吊吊架与安全帽的角度传输给控制系统，控制系统将报警信息通过wifi传输给智能安全帽。

7.根据权利要求3所述的无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，其特征在于：所述第一处理器通过计算蓝牙5.1发射模组与多组天线之间的RSSI获取龙门吊的吊架与施工人员的距离，通过RSSI的测距算法公式为

d＝10^{(abs(RSSI)-A)/(10*n)}

其中d为计算所得距离，RSSI为接收信号强度，A为发射端和接收端相隔1米时的信号强度；n为环境衰减因子，abs表示绝对值。

8.根据权利要求1所述的无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，其特征在于：所述角度测量无线设备通过保护装置安装在龙门吊的吊钩或吊架上。

9.根据权利要求2所述的无线寻向的龙门吊环境安全施工预警装置，其特征在于：所述平行和垂直方向的天线都设置有两组，两个天线的相隔距离为d时，存在ψ＝(2πd cos(θ))/λ，其中λ是信号的波长，ψ是相位差，θ是到达角，角度测量公式为θ＝arccos((ψλ)/(2πd))。

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