EP2087802B1

EP2087802B1 - Verfahren zur drahtlosen Schutzüberwachung und System einer Vielzahl von Schutzhelmen arbeitend nach dem Verfahren

Info

Publication number: EP2087802B1
Application number: EP20090001664
Authority: EP
Inventors: Stefan Schwiers; Karl-Heinz Feierle
Original assignee: Identec Solutions AG
Current assignee: Identec Solutions AG
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: DE102008008159A1; EP2087802A2; EP2087802A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten einer Vielzahl von Schutzhelmen an eine stationäre oder mobile Datenempfangseinheit und eine Vielzahl von Schutzhelmen mit drahtloser Datenübertragung.
Die Erfindung bezieht sich auf Schutzhelme allgemeiner Art, insbesondere Schutzhelme, die für den Sport verwendet werden, jedoch auch für Schutzhelme für Polizei- oder Feuerwehreinsätze oder sonstige Einsätze (THW), bei Minenarbeitern, Bauarbeitern und dergleichen mehr. Es besteht das Bedürfnis, die humanen Werte, wie z. B. Temperatur, Puls, Feuchtigkeit und andere Werte, die im Kopfbereich abgenommen werden können, drahtlos an eine stationäre oder mobile Empfangseinheit zu übertragen, um die körperliche Konstitution des Trägers zu überwachen.
Es besteht insbesondere das Bedürfnis, eine Vielzahl von Helmträger, die auf engstem Raum agieren, voneinander zu unterscheiden und separat zu überwachen. Am Beispiel eines Feuerwehreinsatzes kann erläutert werden, dass bei einem Großbrand bis zu 100 Feuerwehrmännern auf einem eng begrenzten Einsatzgebiet von z.B. 100 mal 50 m agieren und von jedem Feuerwehrmann muss die physiologische Konstitution überwacht werden. Eine solche Überwachung ist lebenswichtig, denn unter den 100 überwachten Helmen kann es nur ein oder 2 Helmträger geben, deren physiologische Konstitution kritisch ist und z.B. einer Sekunden genauen Überwachung bedarf.
Es ist deshalb erforderlich, die körperliche Konstitution des Feuerwehrmanns drahtlos zu überwachen, um zu vermeiden, dass dieser im Feuer oder in anderen Gefahrenbereichen sein Bewusstsein verliert und handlungsunfähig wird.
Entscheidend hierbei ist, dass der in Gefahr geratene Feuerwehrmann einwandfrei identifiziert werden kann. Dies setzt voraus, dass alle Helme eine elektronische ID an die Zentrale übermitteln.
Beispielsweise wurde bei der American-Football-Liga festgestellt, dass im Jahre 2006 insgesamt 160 Spieler am Hitzeschock während des Spiels gestorben sind.
Bisher ist es lediglich bekannt, sogenannte Kommunikationshelme zu verwenden, bei denen im Helm eine Empfangseinrichtung für eine drahtlose Sprechfunkverbindung eingebaut ist, so dass der Spieler während des Spiels Befehle von seinem außerhalb des Spielfeldes stehenden Trainer empfangen kann.
Die Signalübertragung von einem Helm ist aus der DE 20 2006 013 747 U1 , der US 2007/0177651 A1 oder der US 6,075,445 A1 bekannt. Diese Helme sind jedoch nicht geeignet, eine Überwachung der körperlichen Konstitution des Helmträgers zu gewährleisten. Insbesondere sind die Helme nicht geeignet, eine drahtlose und relativ lückenlose Überwachung der körperlichen Konstitution zu gewährleisten.
Die WO 2006/036567 A1 offenbart bereits die Merkmale des Oberbegriffes des unabhängigen Verfahrensanspruches 1, sowie des Vorrichtungsanspruches 2.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Helm und ein entsprechendes Übertragungsverfahren für die am Helm und im Helm erfassten Daten so auszubilden, dass eine drahtlose und praktisch lückenlose Erfassung aller im Helm erfassten Daten an eine stationäre oder mobile Empfangseinheit im Funkbereich des Helmes stattfindet.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre der Ansprüche 1 und 2 gekennzeichnet.
Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Transponder mit der Sende- und Empfangseinheit bidirektional im Halbduplex-Verfahren oder im Vollduplex-Verfahren kommunizieren und dass zwischen Transponder und Sende- und Empfangsgerät der Übertragungsmodus für alle anderen Helmträger auf einen langsameren Übertragungsmodus gesetzt wird, während der Helmträger mit kritischen physiologischen Daten einen beschleunigten Übertragungsmodus mit schnelleren Abfrageperioden seines Transponders zugeteilt erhält.
Dabei ist jeder Helm mit einem Transponder ausgerüstet, der seinerseits mit einer Anzahl von Messsensoren in Datenverbindung steht, die im und am Helm angeordnet sind und ferner ist der Transponder mit einer in der oberen Helmhälfte angeordneten Antenne verbunden, welche in der Lage ist, die vom Transponder in einem bestimmten Frequenzbereich ausgesendete Sendefrequenz als Funkwelle an eine außerhalb des Spielfeldes angeordnete mobile oder stationäre Sende-und Empfangseinheit zu übertragen.
Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nun eine drahtlose Datenverbindung zwischen eines in der oberen Helmhälfte eines Schutzhelmes angeordneten Transponders in Richtung zu einer außerhalb des Einsatzgebietes angeordneten Abfrageeinheit erfolgt. Die Übertragung aus der oberen Helmhälfte hat den wesentlichen Vorteil, dass eine Aussendung unabhängig von der Lage des Kopfes möglich ist, weil auch bei einem geneigten Kopf mit einem darauf befestigten Helm eine einwandfreie Übertragung gegeben ist.
Mit der Anordnung eines bidirektionalen Datenverkehrs besteht erstmals die Möglichkeit, dass man nun den insgesamt übertragenen Datenverkehr modifizieren kann. Wenn beispielsweise der Helmträger eine bestimmte physiologische Schwelle überschritten hat, kann für diesen Helmträger allein ein beschleunigter Datenaustausch angefordert werden und andere Helmträger, die weit vom Erreichen dieser physiologischen Schwelle entfernt sind, können im Datenverkehr verlangsamt werden. Damit besteht der Vorteil, dass man von einem relativ kleinen Spielfeld, wie z. B. beim American Football, eine Vielzahl von Helmträgern (90 bis 120 verschiedene Helme) einwandfrei voneinander unterschieden kann, ohne dass es zu Datenkollisionen kommt.
Damit besteht der Vorteil, dass eine bidirektionale Datenübertragung einerseits den Datenverkehr zwischen dem Helm und der stationären Empfangseinheit modifizieren kann, und andererseits besteht der Vorteil, dass auch der Helmträger selbst bei Überschreitung bestimmter physiologischer Parameter gewarnt werden kann und beispielsweise aus dem Einsatz oder Spielverlauf genommen wird.
Die Modifikation der Signalübertragung von einem Helm bei einer Vielzahl von Helmträgern ist aus der DE 20 2006 013 747 U1 nicht zu entnehmen. Die gleiche Kritik gilt auch für die US 6,075,445 A1 . Auch dort handelt es sich um eine unidirektionale Datenübertragung physiologischer Daten aus einem Helm, ohne dass es dort möglich wäre, die Datenübertragung in irgendeiner Weise zu modifizieren. Es fehlt die Übertragung einer ID-Nummer, und es fehlt die Möglichkeit der Installation eines bidirektionalen Datenverkehrs, mit dem dieser Datenverkehr in der vorher beschriebenen Weise modifiziert werden kann.
Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist also, dass eine RFID-Technik angewendet wird, die den Vorteil hat, dass jeder Transponder im Helm eine eigene ID-Kennung aufweist und dass man deshalb auf engstem Raum eine Vielzahl von Helme mit den dort stattfindenden Datenübertragungen unterscheiden kann. Diese Technik ist aus WO 2006/036567 schon bekannt.
Mit der Technik nach der vorliegenden Erfindung können bis zu 2000 verschiedene Helme voneinander unterschieden werden, ohne dass es zu Datenkollisionen kommt. Dies dank der neuartigen technischen Lehre nach der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die Anordnung auf einem Spielfeld beschränkt, sondern auch auf andere Anwendungsgebiete von z. B. die Signalübertragung aus Feuerwehrhelmen. Bei Großbränden ist es durchaus möglich, dass auf einer sehr geringen Fläche von z. B. 100 x 100 m bis zu 2000 Helme überwacht werden müssen, wobei in die angegebene Zahl auch die überwachten Reservehelme und andere Helme anderer Einsatzträger (Notarzt und dgl.) möglich sind. Es geht also darum, dass auf einer relativ engen Fläche eine Vielzahl von Helmträgern überwacht werden müssen, ohne dass es zu Datenkollisionen kommt und trotzdem eine einwandfreie Überwachung von physiologischen Parametern gegeben ist, die insbesondere dann beschleunigt werden muss, wenn der Helmträger an die physiologisch erlaubte Schwelle herankommt.
Wenn man also ein Problem mit einem Helmträger feststellt, der die physiologischen Parameter bereits schon überschritten hat, kann man alle Kanäle freihalten, um den Funkverkehr mit diesem einen kritischen Helmträger zu verbessern.
Als Anwendungsbeispiel wird hier genannt, dass z. B. auf einer sehr engen Fläche von z. B. 100 x 100 m eine Anzahl von 100 oder 200 Helmen jeweils einen Ping (Datentelegramm) im Sekundenabstand oder im Abstand von z. B. 5 s aussendet und alle ausgesendeten Telegramme überwacht werden. Mit der bidirektionalen Übertragung ist es nun möglich, alle anderen Helmträger auf einen Übertragungsmodus von z. B. 10 s oder 1 min heraufzusetzen, während der Helmträger mit den kritischen physiologischen Daten nun alle Zehntelsekunde abgefragt wird, ohne dass es zu einer Störung der Daten und der Datenübertragung kommt.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel hatte deshalb folgende Merkmale:

1. Es wird eine ID übertragen.
2. Es findet ein bidirektionaler Datenverkehr zwischen dem Helmtransponder und einer stationären Überwachungseinheit statt.

Damit ergibt sich nun erstmals die Möglichkeit, dass in und am Helm eine Reihe von humanen Messwerten erfasst werden können, die dann über die drahtlose Datenverbindung an die Abfrageeinheit übertragen werden.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Sendefrequenz nicht als omnidirektionale Welle (ringsum strahlende Kugelwelle) ausgesendet wird, sondern als Richtstrahl, welcher beispielsweise über einen Winkel von 120 Grad nach vorne oder hinten sendet.
Die Aussendung als Kugelwelle, wobei die Antenne im oberen Bereich des Helmes - also bevorzugt im Scheitelbereich - angeordnet ist, hat den Vorteil, dass unabhängig von der Neigung des Helmes und dessen Ausrichtung zur Empfangseinheit stets ein gleichbleibender Empfang in der Empfangseinheit sicher gestellt ist. Die vom oberen Teil des Helmes ausgesendeten Funkwellen werden nicht abgeschattet oder durch Hindernisse auf dem Spielfeld gestört. Sie werden deshalb immer mit gleichbleibender Feldstärke an das im Funkbereich angeordnete Empfangsgerät gesendet. Jeder Träger eines Helmes ist sozusagen sein eigener "Funkturm" von dem aus eine in alle Richtungen wirkende Kugelwelle ausgesendet wird.
Statt der Aussendung einer Kugelwelle können in einer alternativen Ausführung auch Antennen mit einer Richtstrahl-Charakteristik verwendet werden. Damit kann festgestellt werden, wohin sich der Träger bewegt.
Damit besteht also der Vorteil, dass man die Größe der angebrachten Antenne noch weiter minimieren kann, wenn man auf eine omnidirektional sendende Sendeantenne im Helm oder am Helm oder auf dem Helm verzichtet. Der Begriff "omidirektional" definiert eine im Winkel von 360 Grad abstrahlende Funkwelle.
Insbesondere wird es hierbei bevorzugt, wenn der Transponder als RFID-Einheit ausgebildet ist und eine Reichweite von bis zu 500 m aufweist. Er sendet bevorzugt in unterschiedlichen Frequenzbändern, nämlich z. B. im UHF-Frequenzband oder im Mikrowellenband, z. B. bei einer Frequenz von 2,4 GHz.
Bei dieser Sendefrequenz ist es von besonderer Bedeutung, dass der Helm von allen Helmstellungen und bei allen Situationen eine omnidirektionale Ausbreitungswelle erzeugt, die nicht von der Kontur des Helmes selbst beeinträchtigt wird. Insbesondere soll der Helm selbst nicht - bedingt durch seine Form - die Ausbreitung stören.
Daher ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn die Antenne in der oberen Hälfte angeordnet ist, weil von der oberen Helmhälfte aus die (omnidirektionale oder gerichtete) Sendewelle schattenfrei und ungestört von der oberen Hälfte des Helmes ausgehend zu der entfernt angeordneten Abfrageeinheit gesendet werden kann.
Der einfacheren Beschreibung wegen wird in der folgenden Beschreibung davon ausgegangen, dass ein solcher Helm als Sporthelm ausgebildet ist und dass eine Vielzahl von Spielern, die auf einem Spielfeld ein Spiel ausüben, mit derartigen Helmen ausgerüstet sind.
Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt, denn die Erfindung bezieht sich ebenso - wie eingangs ausgeführt - auf Feuerwehrschutzhelme, Arbeits-Schutzhelme und dergleichen mehr, so dass das nachfolgende Anwendungsbeispiel nur beispielhaft zu verstehen ist.
Bezogen auf eine Spielsituation ist es also wichtig, dass es bei sehr körperbetonten Spielen sichergestellt sein muss, dass der jeweilige Spieler so mit seinen humanen Werten überwacht wird, dass er nicht während des Spiels einen Zusammenbruch erleidet, bewusstlos wird oder gar einen Herzstillstand erleidet.
Ferner ist ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, dass die Erfassung der humanen Werte im und am Helm und deren drahtlose Übertragung an eine Abfrageeinheit auch im Training geschehen kann, so dass die Spieler während des Trainings lückenlos bezüglich ihrer physiologischen Daten überwacht werden können und hierbei ein Trainingsprofil oder ein Profil für den jeweiligen Spieler vorgesehen werden kann.
In allen Anwendungsfällen ist wichtig, dass auch eine Daten- und Nachrichten-Verbindung von der Abfrageeinheit zum Helmträger über dessen Transponder gegeben ist, um ihm Sprachbefehle oder optische oder akustische Signale zu übermitteln.
In dem später zu beschreibenden Ausführungsbeispiel wird lediglich der Einfachheit halber dargestellt, wie mit einem Temperatursensor die Hauttemperatur des Helmträgers gemessen wird. Hierbei wird es bevorzugt, wenn der Temperatursensor als Thermistor ausgebildet ist, dessen Messfenster gegen die Stirn des Helmbenutzers gerichtet ist. Neben einer die Haut berührenden Temperaturmessung wird auch eine lediglich die Wärmestrahlung der Haut erfassende Messung als erfindungswesentlich beansprucht.
Deshalb wird es in einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn die Kerntemperatur des Helmträgers gemessen wird. Hierbei gibt es verschiedene Möglichkeiten.
In einer ersten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass mit einer Infrarotdiode in der Nähe des Gehörganges am menschlichen Ohr gemessen wird und hierbei möglichst die Infrarotdiode in den menschlichen Gehörgang hineinzielt, um dort die Temperatur des Innenohres zu erfassen.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein solcher Temperatursensor in den Bereich des Nasenflügels angeordnet ist und möglichst in den Innenraum der Nase hineinreicht, um dort die Naseninnentemperatur zu messen, die ebenfalls mit der Kerntemperatur des Menschen korreliert.
In einer dritten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass an anderen Stellen des menschlichen Körpers, z. B. im Bereich der Kopfhaut oder in anderen Bereichen die Temperatur erfasst wird. Es ist ebenso möglich, mehrere Temperatursensoren anzuordnen, deren verschiedene Werte miteinander kombiniert werden und als kombinierter Messwert drahtlos an die Abfrageeinheit übertragen werden.
Neben der Erfassung der Kerntemperatur des Helmträgers gibt es noch eine Reihe weiterer Messanordnungen, die ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst sein sollen. Hierbei ist es z. B. vorgesehen, dass die Hautfeuchte gemessen wird. Die Hautfeuchte wird bevorzugt über eine Widerstandsmessung an der Kopfhaut oder einer anderen Stelle der Haut im Helmbereich erfasst, so dass damit das Schwitzen des Trägers erfasst wird.
In einer vierten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass eine Pulsmessung stattfindet, wobei insbesondere eine Ultraschall-Pulsmessung vorgesehen ist.
Mit einem entsprechenden Ultraschallsensor kann beispielsweise die Schläfenaorta abgefragt werden, so dass eine Pulsmessung in diesem Bereich sehr gut möglich ist.
Ebenso kann die Hauttemperatur im Bereich dieser Aorta erfasst werden, was dann auf die Temperatur des dort fließenden Aortenblutes zurückschließen lässt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen werden, dass ein Schocksensor mit dem menschlichen Kopf gekoppelt wird, um entsprechende Schockeinwirkungen auf den Kopf zu erfassen. Solche Schockeinwirkungen - wie bei Boxern bekannt - können lebensgefährlich sein, und derartige Schockeinwirkungen können sehr gut im Helm dadurch erfasst werden, dass ein zugeordneter Schocksensor mit dem Kopf gekoppelt ist, um solche Einwirkungen auf den Kopf zu erfassen.
Als weiterer Anwendungsbereich für solche Schocksensoren gilt, dass solche Schockmessungen auch für außenstehende interessant sind, nämlich um akustisch oder optisch darzustellen, welche Schockeinwirkungen der Spieler während des Spiels zu ertragen hat.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können sogar intervenierende Messmethoden angewendet werden, wie z. B. eine Blutgasanalyse, wobei dann im Kopfbereich eine entsprechende Vene eröffnet werden muss, oder es kann auch eine chemische Analyse des austretenden Schweißes erfolgen, was eine Reihe von humanen Parametern einer Auswertung zugänglich macht.
Wichtig bei allen Messanordnungen ist, dass die Übertragung mit Hilfe der RFID-Übertragungstechnik stattfindet, was bedeutet, dass im Helm, und zwar im oberen Bereich des Helmes eine relativ stab- oder bandförmige Antenne von z. B. 60 mm Länge angeordnet ist, wenn diese Antenne in einem Frequenzbereich von z. B. 900 MHz sendet. Es gibt jedoch keine Einschränkung auf diesen Ferquenzbereich.
Die Helm-Antenne ist mit dem Transponder gekoppelt, der bevorzugt im oberen und vorderen Stirnbereich des Helmes angeordnet ist.
Als bevorzugter Einbauort wird hierbei der Zwischenraum zwischen der Helmaußenschale und der Polsterung bevorzugt, weil der Transponder dort relativ geschützt eingebaut werden kann. Er wird von einer knopfzellenartigen Batterie versorgt und hat beispielsweise eine Länge von 50 mm und eine Breite von 25 mm.
Er hat ein oder mehrere Anschlüsse für die Messgeber, wobei im nachfolgenden Ausführungsbeispiel lediglich ein Anschluss für einen Temperaturgeber dargestellt wird. Hierauf ist - wie vorhin dargestellt - die Erfindung jedoch nicht beschränkt.
Durch die Anordnung der Sendeantenne in der oberen Helmhälfte wird - wie eingangs ausgeführt - sichergestellt, dass die sich ausbreitende Sendewelle schattenlos und ohne Beeinträchtigung durch den Helm selbst an die außerhalb des Helmes und im Funkfeld des Helmes angeordnete Abfrageeinheit geschickt wird.
Die Sendeantenne kann hierbei entweder im Helm-Innenraum oder außen am Helm angeordnet sein.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass diese Antenne nicht nur sendet, sondern auch empfängt.
Einen solchen Empfang benötigt man beispielsweise zur Übertragung von Datenbefehlen von der außerhalb angeordneten Abfrageeinheit an den Transponder. Beispielweise kann die außerhalb angeordnete Abfrageeinheit einen Datenbefehl an den Helm schicken, der besagt, dass der im Helm angeordnete Transponder und der dort angeordnete Datenspeicher nun seine gespeicherten Daten übermitteln soll.
Ebenso kann der Datenbefehl bedeuten, dass nur ein einziger Helm seine Daten aussenden soll, während alle anderen angefunkten Helme schweigen.
Solche Datenbefehle können auch akustische Informationen für den Träger beinhalten, die dieser hört.

Reflexion und Auslöschung:

Das vom Lesegerät abgestrahlte elektromagnetische Feld wird nicht nur von einem Transponder, sondern von allen Gegenständen in der näheren Umgebung reflektiert, deren räumliche Abmessung größer als die Wellenlänge λo des Feldes ist. Die reflektierten Felder überlagern sich mit dem primär ausgesendeten Feld des Lesegerätes. Hierdurch kommt es abwechselnd zu lokaler Dämpfung oder sogar Auslöschung (gegenphasige Überlagerung) und einer Verstärkung (gleichphasige Überlagerung) des Feldes, jeweils im Abstand von λo/2 zwischen den einzelnen Minima. Das gleichzeitige auftreten vieler einzelner Reflexionen mit unterschiedlicher Intensität und unterschiedliche Entfernung zum Lesegerät führt zu einem sehr unberechenbarer Verlauf der Feldstärke um das Lesegerät, mit zahlreichen lokalen Zonen der Auslöschung des Feldes.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Figur 1:: schematisiert eine Draufsicht auf ein Spielfeld mit einer Anzahl von sich dort bewegenden Spielern, die mit Helmen ausgerüstet sind
Figur 2:: ein Zeitdiagramm über die Sendefolge verschiedener Transponder
Figur 3:: die Draufsicht auf einen Transponder
Figur 4:: Schnitt durch einen Helm nach der Erfindung
Figur 5:: Schnitt durch das Gehäuse für den Temperatursensor in einer bekannten Ausführung
Figur 6:: Blockschaltbild eines Transponders
Figur 7:: die Frontalansicht eines Helmes nach der Erfindung
Figur 8:: die Draufsicht in Richtung des Pfeiles VIII in Figur 7

In Figur 1 ist allgemein ein Spielfeld 14 dargestellt, auf dem sich eine Reihe von Spielern bewegen, wobei diese Spieler sich in den eingezeichneten Pfeilrichtungen willkürlich über das Spielfeld 14 bewegen. Das Spielfeld erstreckt sich über die Länge der Zeichnung nach Figur 1 hinweg, so dass insgesamt eine Spielfeldlänge von z. B. 100 bis 150 m bei einer Breite von 50 m gegeben sein könnte.
Jeder Spieler trägt einen Helm 7-11, wobei die Helme 7-11 identisch ausgebildet sind, so dass es genügt, einen einzigen Helm 7 später näher zu beschreiben.
Jeder Helm hat einen Transponder 1 in seinem vorderen Bereich eingebaut und die mit dem Transponder 1 in Verbindung stehende Antenne 17 ist bevorzugt in der oberen Helmhälfte 26 angeordnet. Auf diese Weise kann jeder Helm in den eingezeichneten Pfeilrichtungen aus dem Spielfeld 14 heraus senden und umgekehrt auch Daten von der Abfrageeinheit empfangen, wobei hierbei eine omnidirektionale Ausbreitung (siehe Ausbreitungsrichtung 40) erzeugt wird. Am Rand des Spielfeldes ist hier beispielsweise eine Trainerbank 13 angeordnet, auf der eine Reihe von Personen sitzen, wobei die eine Person beispielsweise ein Handlesegerät 15 und die andere ein GSM-Endgerät 16 haben kann.
Die Funkwellen des Transponders 1 werden von einer Abfrageeinheit 2 empfangen, und zwar von deren Antenne 6, die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht nur als Empfangsantenne, sondern auch als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet sein kann.
Es handelt sich also um einen Duplex-Betrieb, bei dem jeder Transponder im Helm seine Daten, verknüpft mit seiner ID, an die Abfrageeinheit 2 als Datentelegramm sendet. Umgekehrt sendet die Abfrageeinheit spezifische Datentelegramme an jeden einzelnen Transponder 1, wobei durch die Übertragung einer ID ebenfalls nur bestimmte Transponder 1 in bestimmten Helmen 7-11 angesprochen werden. Es handelt sich also um einen Broadcast-Betrieb der Abfrageeinheit, weil alle Transponder 1 zwar gleichzeitig angesprochen werden können, jedoch wird für jeden Transponder zusätzlich seine ID übertragen, sodass auch einzelne Transponder 1 separat angesteuert werden können.
Statt dem oben beschriebenen ID-spezifizierten Broadcast-Betrieb sieht die Erfindung in einer zweiten Variante einen Vielfachzugriff vor. Diese Form der Kommunikation besteht darin, Daten von vielen einzelnen Transpondern im Ansprechfeld des Lesegerätes an das Lesegerät zu übertragen. Der Kommunikationskanal verfügt über eine definierte Kanalkapazität, welche durch die maximale Datenrate dieses Kommunikationskanals sowie die Zeitspanne seiner Verfügbarkeit bestimmt ist.
Die vorhandene Kanalkapazität muss den einzelnen Teilnehmern so zugeteilt werden, dass eine Übertragung der Daten von mehreren Transportern an ein einzelnes Lesegerät ohne gegenseitige Störung stattfinden kann. Für die Lösung des Problems eines vielfach Zugriffs gibt es prinzipiell 4 verschiedene Verfahren:

Das Raummultiplex-Verfahren (SDMA)
Das Frequenzmultiplex-Verfahren (FDMA)
Das Zeitmultiplex-Verfahren (TDMA)
Sowie das Codemultiplex-Verfahren (CDMA)

Alle genannten Verfahren werden in Alleinstellung oder in Kombination zueinander als erfindungswesentlich beansprucht.
Die technische Realisierung eines Vielfach-Zugriffs bei RFID-Systemen stellt einige Anforderungen an Transponder und Lesegerät, denn es muss ohne spürbaren Zeitaufwand zuverlässig verhindert werden, dass die Datenpakete der Transponder im Empfänger des Lesegerätes miteinander kollidieren und dadurch unlesbar werden.
Bevorzugt wird bei der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, bei dem durch das Lesegerät als Master alle Transponder gesteuert werden. Dieses Verfahren kann als synchron betrachtet werden, da hier alle Transponder zeitgleich durch das Lesegerät angesteuert und kontrolliert werden. Dabei wird durch einen bestimmten Algorithmus eine einzelner Transponder aus einer größeren Gruppe von Transpondern im Empfangsbereich eines Lesegerätes zunächst selektiert und dann die Kommunikation zwischen dem selektierten Transponder und dem Lesegerät vollständig abgewickelt. Erst dann wird die Kommunikationsbeziehung wieder aufgelöst, um einen weiteren Transponder zu selektieren. Da immer nur eine Kommunikationsbeziehung derselben Zeit hergestellt wird, die Transponder aber in rascher zeitlicher Aufeinanderfolge bedient werden können, kann man wieder gesteuerte Verfahren deshalb auch als Zeitduplex-Verfahren bezeichnen. Lesergesteuerte Verfahren werde in "Polling" und "Binary-Search" Verfahren eingeteilt. Alle diese Verfahren basieren auf Transpondern, die durch eine eindeutige Seriennummer gekennzeichnet sind.
Die Abfrageeinheit 2 kann mit einem Modul verbunden werden, welches beispielsweise als GSM-Modul 3 ausgebildet ist, um die Daten der Abfrageeinheit 2 auf das GSM-Netz zu senden und von dort aus auf das GSM-Endgerät 16.
Ebenso kann das GSM-Modul 3 zusätzlich eine Ethernet-Schnittstelle 12 aufweisen, so dass die von der Abfrageeinheit 2 erfassten Daten über das Internet und die dortige Internetschnittstelle 12 unmittelbar auf ein Handlesegerät 15 übertragen werden.
Ein solches Handlesegerät 15 ist beispielsweise ein PDA.
Ebenso können diese Daten auf das GSM-Endgerät 16 gegeben werden.
Das GSM-Modul 3 sendet hierbei mittels einer Sende- und Empfangsantenne 5 in das GSM-Funknetz hinein.
Die Figur 2 zeigt, dass die unterschiedlichen Transponder 1 in unterschiedlichen Zeitschlitzen senden. Beispielsweise sind auf der Ordinate zwei Transponder 1 aufgezeichnet, wobei der eine mit Transponder T1 und der andere Transponder T2 bezeichnet ist. Es ist erkennbar, dass jeder Transponder in einem Abstand von etwa 15 s ± 0,5 s sein Datenpaket an die Abfrageeinheit 2 aussendet. Ebenso ist erkennbar, dass die Aussendung des Transponders 1 zeitversetzt zu der Aussendung des Transponders 2 erfolgt und hierbei jedes Datenpaket beispielsweise eine Breite von 2,5 ms aufweist.
Auf diese Weise ist es möglich, dass eine Vielzahl von Transpondern 1, die in den Helmen 7-11 angeordnet sind, Datenpakete zeitversetzt zueinander senden, wobei selbstverständlich vorausgesetzt wird, dass jedes Datenpaket mit einer ID-Nummer versehen ist, um an der Abfrageeinheit 2 jedem Helm die von ihm gesendeten Daten zuordnen zu können.
Die Datenpakete werden als frequenzmodulierte Signale übertragen, was bedeutet, dass die Übertragung wesentlich störunanfälliger ist als vergleichsweise eine AM-modulierte Übertragung.
Wichtig hierbei ist, dass auf einen bestimmten Sendebefehl, den die Abfrageeinheit 2 aussendet, auch ein Speicher in dem zugeordneten Helm 7-11 aktiviert werden kann, der daraufhin die dort gespeicherten Daten ausliest und über die Funkschnittstelle an die Abfrageeinheit 2 überträgt.
In Figur 3 ist der beispielhafte Aufbau eines Transponders 1 dargestellt, wo erkennbar ist, dass in einem Gehäuse von z. B. 50 mm Länge und 25 mm Breite sowie einer Dicke von 4 mm eine Batterie 19 angeordnet ist und eine Reihe von Bauteilen 20 im Gehäuse angeordnet sind. An der Seite ist eine Schnittstelle 21 für den Anschluss eines Temperatursensors 44 vorgesehen. Wichtig ist, dass die Antenne 17 eine Länge von beispielsweise 60 mm aufweist und als Band ausgebildet ist, so dass ein solches Band als flexibles Element leicht auf der Innenseite des Helmes 7 verlegt werden kann. Die Antenne 17 sendet deshalb eine omnidirektionale Wellenausbreitung 18, die sich nach allen Richtungen kugelförmig erstreckt.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil, wie sich insbesondere aus Figur 4 ergibt.
Ist nämlich diese Antenne 17 in der oberen Helmhälfte 26 angeordnet, ergibt sich in der oberen Helmhälfte eine etwa horizontal sich ausbreitende Kugelwelle mit der Wellenausbreitung 18, so dass der Helm selbst - unabhängig von seiner Neigung und von seinem Winkel zum Erdboden - keine Störung der Wellenausbreitung 18 darstellt.
In Figur 4 ist dargestellt, dass der Temperatursensor 44 als Termistor ausgebildet ist, der bevorzugt in Pfeilrichtung 41 (Messrichtung) gegen die Stirn des Helmträgers gerichtet ist. Auf diese Weise kann dort leicht die Hauttemperatur an der Stirn erfasst werden. Über ein Verbindungskabel 25 steht der Temperatursensor 44 in Verbindung mit dem Transponder 1 und wichtig ist, dass die gesamte Transpondereinheit 1 nun im Zwischenraum zwischen der Außenschale 24 und der Polsterung 23 sowie der Innenschale 22 angeordnet ist. Auf diese Weise ist die gesamte Messanordnung relativ gegen Schläge und andere Beschädigungen geschützt und kann auch leicht wieder ausgebaut werden.
Es ist in der Darstellung nicht gezeigt, dass im Bereich der Ohröffnung ein Termistor oder eine IR-Diode angeordnet sein kann, die in Richtung auf den Gehörgang des Helmträgers gerichtet ist, um mit wesentlich besserer Genauigkeit die Kerntemperatur des Trägers zu erfassen als vergleichsweise der Temperatursensor 44, der in Messrichtung 41 gegen die Stirn des Helmträgers gerichtet ist.
Ebenso ist in Figur 4 nicht dargestellt, dass im Bereich der oberen Helmhälfte 26 noch eine Hauttemperaturmessung aufgrund einer Widerstandsmessung zwischen zwei Messpads erfolgen kann, die elektrisch leitfähig mit der Haut des Trägers verbunden sind. Über die Hautwiderstandsmessung kann somit auf die Hautfeuchte geschlossen werden.
Ebenso ist nicht dargestellt, dass im seitlichen Schläfenbereich des Helmes eine Pulsmessung angeordnet ist, welche im Wesentlichen aus einem Ultraschallsensor besteht, der das Pochen der Stirnschlagader erfasst und als Pulsmesswert in dem Transponder 1 umsetzt und auch zur Aussendung bereitstellt.
Die Figur 5 zeigt die stilisierte Darstellung eines bekannten Temperatursensors 44, wo erkennbar ist, dass dieser in einem Kunststoffgehäuse 27 angeordnet ist, dessen Vorderseite von einer Sensor-Membran 28 überspannt ist und an deren Rückseite eine Kapselung 29 angeordnet ist, die aus einem thermisch leitfähigen Material besteht, in welcher der Temperatursensor 44, welcher als Thermistor-Kapsel ausgebildet ist, eingebettet ist. Auf diese Weise befindet sich der Temperatursensor 44 in wärme-leitfähiger Verbindung mit der Kapselung 29, die ihrerseits in wärme-leitfähiger Verbindung mit der Sensormembran 28 steht.
Die Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Transponders 1 nach der Erfindung, wo erkennbar ist, dass in einer Steuereinheit 34, die als Gehäuse des Transponders 1 ausgebildet ist, eine CPU 31 angeordnet ist, die zur Messwertaufbereitung und Erfassung geeignet ist. Im gleichen Gehäuse des Transponders 1 ist hierbei ein Taktgeber 33 angeordnet und ein Speicher 32 zur eventuellen Speicherung der erfassten Messwerte. Der gesamte Takt wird durch einen Oszillator 30 erzeugt, und es ist schematisiert dargestellt, dass der Temperatursensor 44 als veränderbarer elektrischer Widerstand ausgebildet ist.
Über die Leitung 35 werden die von der CPU 31 erfassten aufbereiteten Werte einer Hochfrequenzendstufe zugeführt, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Sende-Empfangsstufe 36 besteht, die ihrerseits wiederum von einem Taktgeber 37 angesteuert wird.
Die Leitung 35 ist nur symbolisch dargestellt, in Wirklichkeit befindet sich die HF-Sende-Empfangsstufe 36 auf der gleichen Platine wie beispielsweise die CPU 31, der Taktgeber und der Speicher 32.
Am Ausgang der Sende-Empfangsstufe 36 ist die Antenne 17 angeordnet, die gemäß der vorstehenden Beschreibung entweder nur als Sendeantenne ausgebildet sein kann oder als Sende- und Empfangsantenne.
Die Figuren 7 und 8 zeigen schematisiert die Anordnungen und Einbauorte des Transponders 1, wo aus Figur 7 erkennbar ist, dass der Helm in seinem Frontalbereich einen Gesichtsausschnitt 38 für das Gesicht des Trägers hat und dass im oberen Stirnbereich der bevorzugt als Scheibe ausgebildete Temperatursensor 44 angeordnet ist, der in Messrichtung 41 gegen die Stirn des Helmträgers gerichtet ist. Ebenso ist erkennbar, dass sich mindestens die Antenne 17 im oberen Helmbereich 26 (siehe die nach oben gerichteten Pfeile bei 26) befindet, so dass sich beispielsweise im Scheitelbereich (d. h. also in der oberen Helmhälfte) die Wellenausbreitung 40 ergibt. Dies ist auch in Figur 8 dargestellt, welche eine Draufsicht auf den Helm in Pfeilrichtung VIII nach Figur 7 zeigt. Dort ist erkennbar, dass sich die Antenne 17 als flexibles Band bis in den Scheitelbereich des Helms erstreckt und dass deshalb die omnidirektionale Ausbreitung in den Pfeilrichtungen 39 von dem gesamten oberen Helmpol aus erfolgt, so dass unabhängig von der Neigung des Helms und von der Größe des Trägers stets eine ungestörte Wellenausbreitung über das gesamte Spielfeld in Richtung auf die Abfrageeinheit 2 gegeben ist.
Anstelle eines flexiblen Bandes kann ebenfalls eine Keramikantenne verwendet werden.

Zeichnungslegende

1: Transponder (Datenträger)
2: Abfrageeinheit
3: GSM-Modul
4: nicht belegt
5: Sendeantenne (GSM)
6: Antenne (Abfrageeinheit 2)
7: Helm
8: Helm
9: Helm
10: Helm
11: Helm
12: Internet-Schnittstelle
13: Trainerbank
14: Spielfeld
15: Handlesegerät
16: GSM-Endgerät
17: Antenne (Helm)
18: Wellenausbreitung
19: Batterie
20: Bauteile
21: Schnittstelle
22: Innenschale

23: Polsterung
24: Außenschale
25: Verbindungskabel
26: obere Helmhälfte
27: Gehäuse
28.: Sensor-Membran
29.: Kapselung
30.: Oszillator
31.: CPU
32.: Speicher
33.: Taktgeber
34.: Steuereinheit
35.: Leitung
36.: Sende-Empfangsstufe
37.: Taktgeber
38.: Gesichtsausschnitt
39.: Pfeilrichtung
40.: Ausbreitungsrichtung
41.: Messrichtung
42.: Pfeilrichtungen
43.: Ohröffnung
44.: Temperatursensor

Claims

Verfahren zur drahtlosen Schutzüberwachung von humanen Werten, wie z. B. Temperatur, Puls, Feuchtigkeit, Schockeinwirkung und andere Werte, einer Vielzahl von Schutzhelmen (7-11), welche humane Werte im Kopfbereich den Schutzhelm (7-11) tragenden Menschen abgenommen werden und drahtlos an eine stationäre oder mobile Empfangseinheit (2) übertragen werden, um eine Überwachung der körperlichen Konstitution der Helmträger ausbilden, wobei jeder Helm (7 bis 11) mit einer Anzahl von Messsensoren (44) über mindestens einen im oder am Helm (7 bis 11) angeordneten Transponder (1) in Datenverbindung steht, wobei der Transponder (1) mit einer in der oberen Helmhälfte (26) angeordneten Antenne (17) eine Verbindung ausbildet, welche die vom Transponder (1) in einem bestimmten Frequenzbereich ausgesendete Sendefrequenz als Funkwelle an eine außerhalb des Spielfeldes angeordneten mobilen oder stationären Empfangseinheit (2) überträgt, wobei die Empfangseinheit (2) zusätzlich als Sendeeinheit ausgebildet ist und die Transponder (1) mit der Sende- und Empfangseinheit (2) bidirektional kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Transponder (1) mit der Sende- und Empfangseinheit (2) bidirektional im Halbduplex-Verfahren oder im Vollduplex-Verfahren kommunizieren und dass zwischen Transponder (1) und Sende- und Empfangsgerät (2) der Übertragungsmodus für alle anderen Helmträger auf einen langsameren Übertragungsmodus gesetzt wird, während der Helmträger mit kritischen physiologischen Daten einen beschleunigten Übertragungsmodus mit schnelleren Abfrageperioden seines Transponders zugeteilt erhält.
System einer Vielzahl von Schutzhelmen (7-11) und einer Empfangseinhet arbeitend nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, mit drahtloser Datenübertragung von humanen Werten, wie z. B. Temperatur, Puls, Feuchtigkeit und andere Werte, welche im Kopfbereich eines Menschen abgenommen sind und drahtlos über einen im Helm (7-11) angeordneten Transponder (1) an die stationäre oder mobile Empfangseinheit (2) übertragen werden, wobei
a.) die Vielzahl von Helmen (7 bis 11) mit jeweils einem Transponder (1) ausgerüstet ist, und jedem Transponder (1) eine für den Helmträger charakteristische Identitätsnummer (ID) zugeordnet ist, die der Empfangseinheit (2) übermittelt wird,

b.) dass die Vielzahl der Helme (7-11) auf einem eng begrenzten Einsatzgebiet gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig senden und empfangen,

c.) dass jeder Transponder (1) mit einer Anzahl von Messsensoren (44) in Datenverbindung steht, welche Messsensoren (44) im und am Helm (7 bis 11) angeordnet sind,

d.) dass ferner der Transponder (1) mit einer in der oberen Helmhälfte (26) angeordneten Antenne (17) verbunden ist, welche die vom Transponder (1) in einem bestimmten Frequenzbereich ausgesendete Sendefrequenz als drahtlose Funkwelle an eine Antenne (6) der außerhalb des Einsatzgebietes der Helmträger angeordnete mobile oder stationäre Empfangseinheit (2) überträgt, wobei die Empfangseinheit (2) zusätzlich als Sendeeinheit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Transponder (1) mit der Sende- und Empfangseinheit (2) bidirektional im Halbduplex-Verfahren oder im Vollduplex-Verfahren kommunizieren.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (17) als Richtstrahler ausgebildet ist und einen Richtstrahl an die Sende- und Empfangseinheit sendet, wobei der Richtstrahl über einen Winkel im Bereich von 60 bis 120 Grad nach vorne und nach hinten sendet, wodurch die Bewegungsrichtung des Trägers feststellbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Helm (7-11) in seinem vorderen Bereich, in der oberen Helmhälfte (26), den Transponder (1) in Verbindung mit der Antenne (17) aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfrageeinheit (2) mit einem GSM-Modul (3) verbunden ist, und die Daten der Abfrageeinheit (2) mittels einer Sende-/Empfangsantenne (5) auf ein GSM-Netz und nachfolgend auf ein GSM-Endgerät (16) sendet.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das GSM-Modul (3) zusätzlich eine Ethernet-Schnittstelle (12) aufweist, welche die von der Abfrageeinheit (2) erfassten Daten über das Internet mit einer Internetschnittstelle (12) mittels der Sende-/ Empfangsantenne (5) unmittelbar auf ein Handlesegerät (15), wie zum Beispiel ein PDA und/oder auf das GSM-Endgerät (16) überträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrfach angeordnete Transponder (1) das jeweilige Datenpaket in unterschiedlichen Zeitschlitzen von z.B. 15 s ± 0,5 s an die Abfrageeinheit (2) senden, wobei die Datenpakete eine Breite von etwa 2,5 ms aufweisen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenpakete als frequenzmodulierte Signale übertragen sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 und 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die am oder im Helm (1-7) angeordnete Antenne (17) als Band mit einer Länge von etwa 60 mm ausgebildet ist, welche eine kugelförmig, sich nach allen Seiten sich erstreckende Wellenausbreitung (18) ausbildet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Transponder (1) im Zwischenraum zwischen Außenschale (24) und Polsterung (23) sowie der angeordneten Innenschale (22) des Helms (7 bis 11) angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Thermistor oder eine IR-Diode im Bereich der Ohröffnung angeordnet ist und eine Messung der Kerntemperatur eines Trägers ermöglicht.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der oberen Helmhälfte (26) zwei Messpads angeordnet sind, welche eine Hauttemperaturmessung mittels Widerstandsmessung zwischen den angeordneten Messpads ausbildet, wobei die Messpads mit der Haut des Helmträgers verbunden sind und der erfasste Messwert einen Feuchtigkeitswert der Haut des Helmträgers ausbildet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Helm (1 bis 7) im seitlichen Schlafenbereich einen Ultraschallsensor aufweist, welcher im Wesentlichen eine Pulsmessung erfasst, welcher im Transponder (1) umgesetzt und ausgesendet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (44) in einem Kunststoffgehäuse angeordnet ist, dessen Vorderseite von einer Sensor-Membran (28) überspannt ist und an dessen Rückseite eine Kapselung (29) angeordnet ist, welche ein thermisch leitfähiges Material aufweist, in welchem der als Thermistor-Kapsel ausgebildete Temperatursensor (44) eingebettet ist und eine leitfähige Verbindung im Bereich der Kapselung (29) aufweist, welche ihrerseits eine wärmeleitfähige Verbindung mit der Sensormembran (28) ausbildet.