適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶，由腰帶本體與固定在腰帶本體上的智能監(jiān)測模塊組成；智能監(jiān)測模塊由PSoC控制板、ZigBee模塊、供電模塊、溫濕度傳感器、氧氣傳感器、陀螺儀、蜂鳴器與LED安置在一皮帶頭殼體內構成，壓力傳感器和接觸式體溫監(jiān)測傳感器通過外接引線引出。本實用新型提供的裝置克服了現(xiàn)有技術的不足，具有缺氧告警、跌倒檢測、體溫檢測、工作環(huán)境溫濕度監(jiān)測和告警數(shù)據(jù)無線傳輸功能，且成本低廉，安全可靠性高。
【專利說明】適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶，屬于坑道作業(yè)【技術領域】?！颈尘凹夹g】
[0002]目前，坑道作業(yè)是一項較有危險性的工作，也是礦業(yè)、農業(yè)及軍事等領域不可或缺的工作內容。由于坑道空間常處于密閉或準密閉狀態(tài)，如果換氣設備或通風措施不完善，易于形成缺氧環(huán)境。當人員進入坑道空間中，會出現(xiàn)頭暈、乏力的現(xiàn)象，進而導致昏迷、休克。而如果出現(xiàn)意外施救不及時，通常會造成十分嚴重的后果。近年來在我國發(fā)生了多起在礦井、菜窖或巷道等坑道空間內由于氧氣缺乏、非氧氣體過量沉積造成的傷亡事故。坑道環(huán)境復雜且照明難以完全保證，作業(yè)人員如果意外跌倒也容易造成事故的發(fā)生。此外惡劣的環(huán)境溫濕度條件也會對作業(yè)人員造成傷害。為了降低類似事故的發(fā)生，可引入可穿戴式智能設備為在這類環(huán)境中工作的勞動者提供安全保護。設備必須滿足使用者在工作中的佩戴舒適性，且要架構簡單、易于維護、可靠性高。另外考慮到相關行業(yè)的特點，需要采用無線技術作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞?；設備的成本也要控制在合理范圍之內。
[0003]腰帶易于坑道作業(yè)人員穿著，將其加以智能化有望滿足坑道作業(yè)告警監(jiān)測的需要。但是在系統(tǒng)實現(xiàn)中需要平衡舒適性、可靠性及性價比等多方面因素。可編程片上系統(tǒng)(PSoC)是Cypress公司推出的可以由用戶自由定制的單芯片微系統(tǒng)架構。其在一個芯片上集成了豐富的功能資源，供用戶根據(jù)自己的需要進行利用。利用PSoC技術方案，不僅可以節(jié)約系統(tǒng)體積、降低能耗、節(jié)省成本和縮短研發(fā)周期，也具有設計靈活、升級擴充方便等優(yōu)點。如果利用其作為核心處理部分實現(xiàn)智能腰帶，可較大程度上降低系統(tǒng)體積與重量、提高佩戴舒適性。PSoC豐富的接口與靈活的自定義引腳功能有助于連接多種傳感器對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。其優(yōu)良的能耗特性與開發(fā)靈活性對系統(tǒng)的工作周期與維護也起到了較好的支撐。近年來基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡技術發(fā)展為無線數(shù)據(jù)傳輸提供了成熟的解決方案。ZigBee技術的主要優(yōu)點為低能耗、組網(wǎng)簡單、成本低廉、安全可靠性高、網(wǎng)絡容納節(jié)點數(shù)量多及可擴展性好?，F(xiàn)今ZigBee技術已經(jīng)在多個領域都得到了應用。將PSoC與ZigBee技術相結合應用于智能腰帶中，可以在較低的成本空間中實現(xiàn)對坑道環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸。
實用新型內容
[0004]本實用新型要解決的技術問題是提供一種為坑道作業(yè)人員提供缺氧告警、跌倒檢測、體溫檢測、工作環(huán)境溫濕度監(jiān)測、告警數(shù)據(jù)無線傳輸功能的智能腰帶。
[0005]為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是提供一種適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶，其特征在于:由腰帶本體與固定在腰帶本體上的智能監(jiān)測模塊組成；智能監(jiān)測模塊由PSoC控制板、ZigBee模塊、供電模塊、溫濕度傳感器、氧氣傳感器、陀螺儀、蜂鳴器與LED安置在一具有IP66防水級別的皮帶頭殼體內構成，壓力傳感器從PSoC控制板上通過RJ45或RJl I接口外接引線引出，接觸式體溫監(jiān)測傳感器也從PSoC控制板上通過RJ45或RJll接口外接引線引出；PSoC控制板與ZigBee模塊、供電模塊、溫濕度傳感器、氧氣傳感器、陀螺儀、蜂鳴器及LED連接。
[0006]優(yōu)選地，所述皮帶頭殼體上還設有與所述蜂鳴器連接的輕觸按鍵。
[0007]本實用新型提供的裝置克服了現(xiàn)有技術的不足，具有缺氧告警、跌倒檢測、體溫檢測、工作環(huán)境溫濕度監(jiān)測和告警數(shù)據(jù)無線傳輸功能，為在坑道中作業(yè)的工作人員提供安全保護，且成本低廉，安全可靠性高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶結構示意圖；
[0009]圖2為適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶系統(tǒng)組成原理圖；
[0010]圖3為PSoC控制板原理圖；
[0011]圖4為通信模塊(DRF-1605H)部分的原理圖；
[0012]圖5為氧氣傳感器(40XV)部分的原理圖；
[0013]圖6為陀螺儀(MPU-6050)部分的原理圖；
[0014]圖7為壓敏電阻(FSR402)部分的原理圖；
[0015]圖8為溫濕度傳感器(SHTll)部分的原理圖；
[0016]圖9為接觸式體溫傳感器(DS18B20)部分的原理圖；
[0017]圖10為蜂鳴器部分的原理圖；
[0018]圖11為系統(tǒng)供電及電池輸出電壓監(jiān)測部分的原理圖；
[0019]圖12為節(jié)點告警信息格式；
[0020]圖13為PSoC Creator2.2開發(fā)環(huán)境下的組件設計原理圖；
【具體實施方式】
[0021]為使本實用新型更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0022]圖1為適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶結構示意圖，所述的適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶包括由腰帶本體I與固定在腰帶本體I上的智能監(jiān)測模塊組成。智能監(jiān)測模塊通過螺栓過孔結構安置在腰帶本體I上，這樣可避免破壞腰帶本體的承力結構，并可以靈活地通過螺栓安裝及更換模塊。
[0023]腰帶本體:腰帶本體與傳統(tǒng)腰帶類似，可根據(jù)具體情況選擇牛皮、人造革等材料制作。在其擬安裝智能監(jiān)測模塊的部位開孔以便采用螺絲等措施固定智能監(jiān)測模塊，開孔的孔徑和孔數(shù)量可根據(jù)智能監(jiān)測模塊的體積與重量靈活決定。
[0024]結合圖2，智能監(jiān)測模塊=PSoC控制板、ZigBee模塊、供電模塊、溫濕度傳感器、氧氣傳感器4、陀螺儀、蜂鳴器5與LED6安置在一具有IP66防水級別的皮帶頭殼體2內構成智能監(jiān)測模塊。該皮帶頭殼體通過螺栓等措施安裝在腰帶本體上，與腰帶本體融合成為一個整體。壓力電阻7通過RJ45或RJll接口外接雙芯連接線9引出，供作業(yè)人員放置在鞋墊下面檢測壓力。接觸式體溫監(jiān)測傳感器同樣以RJ45或RJll接口外接引線的方式接出，供作業(yè)人員根據(jù)其習慣放置在身體皮膚表面。
[0025]智能監(jiān)測模塊采用Cypress公司生產的CY8C3866AX1-040型號PSoC芯片作為其核心處理芯片，該芯片內部包含有最高可工作于67MHz的高速8051內核單片機，并在片上集成A/D、模擬放大器等系統(tǒng)資源。數(shù)據(jù)傳輸部分采用深圳鼎泰克公司生產的DRF-1605H型ZigBee模塊，該模塊信號質量較好，可適用于長距離的ZigBee傳輸。氧氣傳感器采用英國城市技術公司40XV氧氣傳感器,該傳感器基于氧氣電池結構,在量程內信號輸出與氧氣含量百分比呈線性關系。陀螺儀采用MPU-6050三軸加速度數(shù)字陀螺儀，使用I2C總線與CY8C3866AX1-040連接。壓力傳感器采用FSR402壓敏電阻、溫濕度傳感器采用SHT11、體溫傳感器采用接觸式封裝的DS18B20。供電采用5節(jié)三洋HR-3UTGB-4TC型1900mAh充電電池串聯(lián)供電。電池輸出經(jīng)LM1117(3.3V)三端穩(wěn)壓器為系統(tǒng)提供3.3V穩(wěn)定電壓。腰帶本體主材為牛皮，長度110厘米、寬度8厘米。每一套智能腰帶對應的配置信息可使用市售讀卡器寫入貼在腰帶頭表面的RFID標簽中，具體內容為節(jié)點ID號與ZigBee配置信息。智能監(jiān)測模塊放置在腰帶頭中。
[0026]CY8C3866AX1-040芯片的封裝形式為TQFP-100，其對應的原理圖如圖3所示。為了提高CY8C3866AX1-040芯片的抗干擾性，采用了模數(shù)分區(qū)的設計。其模擬供電部分(VA)與數(shù)字供電部分(VD)分別使用一塊LM1117單獨進行供電以便排除干擾，供電電壓都為3.3V。在CY8C3866AX1-040的電源輸入管腳上，使用0805封裝的表貼陶瓷電容進行去耦濾波，具體取值如圖3所示。CY8C3866AX1-040芯片使用MiniProg3進行程序燒寫，二者通過插針座Ppl進行連接。系統(tǒng)的接地平面也相應劃分為模擬地(‘)與數(shù)字地(+ ),它們之間使用磁珠進行連接。系統(tǒng)使用24MHz的無源晶振，其通過42與43號管腳與CY8C3866AX1-040連接。復位引腳XRES(15)與接地平面的連通通過輕觸開關Sx控制。輕觸開關Sk用于輸入外部低電平復位信號。
[0027]DRF-1605H 模塊與 CY8C3866AX1-040 通過 TX、RX 管腳(89，90，管腳號，下同)以UART方式鏈接。DRF-1605H對應的原理圖如圖4所示。40XV氧氣傳感器布設在模擬接地區(qū)域中，其(_)輸出管腳與地平面相連，(+)輸出管腳接一 100歐姆的負載電阻并連接到P0_7(79)管腳上。40XV氧氣傳感器產生的負載信號被CY8C3866AX1-040內部的AD進行采樣。為了抑制噪聲，還在負載電阻的兩端連接0.1uF的表貼陶瓷電容進行濾波。40XV對應的原理圖如圖5所示。MPU-6050陀螺儀通過SDAG(27)與SCLG(28)管腳與CY8C3866AX1-040相連，原理圖如圖6所示。FSR402壓敏電阻采用分壓方式，其兩端分別接3.3V電源與IOK精密電阻。通過測量產生的分壓值是否為零，即可判斷是否腳掌處無壓力。分壓數(shù)據(jù)由P0_4(76)管腳輸入CY8C3866AX1-040。FSR402與腰帶之間使用雙芯連接線連接，連接線長度可根據(jù)使用者腿長靈活截取。FSR402的原理圖如圖7所示。溫濕度傳感器 SHTll 與 CY8C3866AX1-040 通過 THCL (8)與 THDA (9)相連，THCL 用于產生 SHTll 讀寫時序時鐘，THDA為讀寫數(shù)據(jù)線。SHTll的原理圖如圖8所示。DS18B20通過P5_2 (18)管腳與CY8C3866AX1-040連接。DS18B20的原理圖如圖9所示。P2_0至P2_7管腳的輸出用于連接LED與蜂鳴器，具體為P2_0、P2_1、P2_2管腳(95、96、97)分別接綠、黃、紅三色LED，成為一個彩色LED顯示組。由于PSoC有較強的管腳驅動能力，所以直接采用管腳串聯(lián)IK電阻直接驅動的方式。P2_3、P2_4、P2_5管腳(98、99、1)同樣采用管腳串電阻驅動的方式接上三個藍色LED，用于表示氧氣含量、溫濕度及作業(yè)者體溫。P2_6管腳上接上一白光LED用以顯示供電狀態(tài)，對于不同的電壓狀態(tài)使用PWM方式調制一白光LED標出。P2_7管腳通過使用脈寬調制方式(PMW)驅動一 8550三極管來控制蜂鳴器。蜂鳴器部分的原理圖如圖10所示。供電部分采用雙路LMl117 (3.3V)分別給模擬部分與數(shù)字部分供電，在輸入輸出端布設了相應濾波電容。電池輸出電壓Vcc經(jīng)過Rkl與Rk2分壓后輸入CY8C3866AX1-040的P4_7管腳，用于對電池供電狀態(tài)進行監(jiān)測。輸入地、模擬地與數(shù)字地之間用磁珠Rlink與Rlinkl進行隔離。系統(tǒng)供電及電池輸出電壓監(jiān)測部分的原理圖如圖11所示。
[0028]DRF-1605H模塊為基于ZigBee協(xié)議的透明傳輸模塊，在使用前需要對其進行配置。其需要配置的參數(shù)如下:PAN ID、頻道、自身ID、目標ID及波特率。使用者可以根據(jù)具體情況靈活地配置以上參數(shù)。在本實施例中各參數(shù)的配置值如下(十六進制):PAN ID-OIAA,頻道-20、自身ID-003E、目標ID-0000、波特率-38600。由于DRF-1605H在模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)包的時候會自動加上源節(jié)點ID，這非常有利于上位機對數(shù)據(jù)的來源進行辨別。DRF-1605H通過可變長度容器的方式為用戶提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{用接口，所以用戶在編寫程序時可以省略結束碼。實施例所對應的節(jié)點設計中，傳輸告警數(shù)據(jù)時所用的容器長度統(tǒng)一定為5字節(jié)。完成參數(shù)配置后通過RF讀寫器將參數(shù)寫入腰帶上的RFID標簽中，以便使用者與維護者讀取。
[0029]當上電工作后，系統(tǒng)對電壓進行檢測。如果發(fā)現(xiàn)供電電壓低于5.5V，就通過蜂鳴器告警。在供電告警時，PS0C驅動蜂鳴器驅PMW波形的占空比為10%、頻率為ΙΟΚΗζ。使用者根據(jù)蜂鳴器聲音與白光LED的亮度即可判斷出需要更換電池。綠色、黃色與紅色LED分別表示正常、需注意、危險三種狀態(tài)。不同藍色LED的亮滅表示該時刻是在顯示氧氣數(shù)據(jù)還是溫濕度數(shù)據(jù)。氧氣、環(huán)境溫濕度與人體表面溫度所分別處于的范圍以五秒鐘為周期交替顯示。系統(tǒng)以32Hz的頻率對氧氣傳感器、陀螺儀、壓力傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、體溫傳感器及電池輸出電壓進行監(jiān)測。如果監(jiān)測到環(huán)境中的氧氣含量低于20%，就點亮黃色LED提醒作業(yè)者需對周圍氧氣濃度加以注意。如果氧氣濃度低于19.5%，就點亮紅色LED。并以占空比為50%、頻率為IOKHz的PWM脈沖驅動蜂鳴器產生聲音告警。并將此時的氧氣濃度通過ZigBee模塊發(fā)出，具體格式為(16進制):FD+05+0001 (上位機ID)+FF+氧氣含量監(jiān)測值(低位補零)+FF。智能腰帶發(fā)出告警信息后，還繼續(xù)以32Hz的采樣頻率對環(huán)境溫度進行監(jiān)測。直到監(jiān)測到環(huán)境氧氣含量高于19.5%并穩(wěn)定60秒后才會解除氧氣告警。當環(huán)境溫度低于_20°C或者高于35°C時，濕度高于98 %時，點亮黃色LED提醒作業(yè)者需對溫濕度進行注意。當溫度低于_20°C或高于38°C時，點亮對應紅色LED，并以占空比為40%、頻率為IOKHz的PWM脈沖驅動蜂鳴器產生告警。此時環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)也通過ZigBee發(fā)出，具體格式為(16進制):FD+05+00 01 (上位機ID)+EE+溫濕度數(shù)據(jù)。需要注意的是濕度不作為告警觸發(fā)信號，僅作為參考參數(shù)對作業(yè)者做出提示。當告警發(fā)生后，直到監(jiān)測到環(huán)境溫度回到安全區(qū)間并穩(wěn)定60秒后才會解除告警。對人體體表溫度的監(jiān)測也與以上方法類似。作業(yè)者體表溫度高于37.5°C或低于36°C時點亮黃色LED燈發(fā)出提示，體表溫度高于38.5°C或者低于35°C時點亮紅色LED及發(fā)出蜂鳴器告警提示，蜂鳴器PWM占空比選擇為30%、頻率為ΙΟΚΗζ。告警后作業(yè)者體表溫度以(16進制):FD+05+00 01 (上位機ID)+DD+體溫數(shù)據(jù)+FF FF的數(shù)據(jù)格式通過ZigBee發(fā)出。當體溫回到正常區(qū)間并持續(xù)60秒后才可解除警報。氧氣、溫度及體溫告警信息通過ZigBee發(fā)送的周期是I秒。
[0030]實施例中跌倒檢測采用滑動窗口結合壓力傳感器的方式，在PSoC中利用FIFO的存儲特性來進行滑窗操作。在CY8C3866AX1-040的存儲空間中設定一長度為128、寬度為48比特的加速度FIFO。MPU6050陀螺儀與PSoC通過I2C的方式連接，每次采樣得到的數(shù)據(jù)都壓入FIFO。在新數(shù)據(jù)被壓入FIFO之前，將其與FIFO中數(shù)據(jù)的均值進行比較。如果新數(shù)據(jù)的均方和比加速度FIFO中三軸均方和的平均值大5倍時，則觸發(fā)對FSR402上的電壓的采樣，并開啟一計時器。如果在接下來的10秒鐘FSR上的電壓均值都接近0，則判斷作業(yè)者已經(jīng)跌倒。此后將以占空比為80%、頻率為IOKHz的PWM信號驅動蜂鳴器告警，并通過ZigBee將格式為(16進制):FD+05+00 01 (上位機ID)+FF AA AA AA AA的數(shù)據(jù)包持續(xù)發(fā)出。告警信息以I秒為周期持續(xù)發(fā)送。如果告警為誤告警，作業(yè)者可以自行通過按壓輕觸開關Sx總計2秒的時間長度關閉告警，并通過ZigBee發(fā)回一誤告警人工終止提示信息(16進制):FD+05+00 01 (上位機ID)+FF BB BB BB BB0在實施例中如果氧氣、跌倒檢測、溫度與體溫告警源同時觸發(fā)告警，智能腰帶上的LED燈依次閃爍。智能腰帶以占空比為100%、頻率為IOKHz的PWM信號驅動蜂鳴器告警。ZigBee告警信息發(fā)送的優(yōu)先級先后次序為:1.氧氣含量告警、2.跌倒檢測告警、3.溫度告警、4.體溫告警。告警信息以I秒為周期循環(huán)發(fā)送，直到所有告警源解除告警為止。以上告警信息格式如圖12所示。
[0031] 實施例中使用Cypress公司的PSoC Creator2.2軟件環(huán)境對CY8C3866AX1-040進行編程，該開發(fā)環(huán)境充分支持了可編程片上系統(tǒng)的集成性與易用性。PSoC Creatorf.2使用圖形化交互界面供開發(fā)者使用。開發(fā)者設計時利用PSoC Creatorf.2環(huán)境內置的原生功能組件進行調用即可實現(xiàn)對應的功能。通過將功能組件從元件庫中拖放到設計原理圖并進行連接即可繪制出設計。設計中使用了 2個I2C組件用以讀取陀螺儀與溫濕度傳感器的值。I個UART組件用于連接ZigBee通信模塊。兩個分頻時鐘輸入的PWM組件用于控制白光LED與蜂鳴器。壓力傳感器輸出、氧氣傳感器輸出與供電電壓分壓值通過模擬復用器輸入ADC組件。I個輸入管腳用于連接DS18B20。另外還定義了一組輸出管腳用于驅動顯示/告警LED。本實施例中所對應的PSoC Creator2.2設計原理圖如圖13所示。
【權利要求】
1.一種適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶，其特征在于:由腰帶本體(I)與固定在腰帶本體(I)上的智能監(jiān)測模塊組成；智能監(jiān)測模塊由PS0C控制板、ZigBee模塊、供電模塊、溫濕度傳感器、氧氣傳感器(4)、陀螺儀、蜂鳴器(5)與LED(6)安置在一具有IP66防水級別的皮帶頭殼體(2)內構成，壓力傳感器(7)從PSoC控制板上通過RJ45或RJlI接口外接引線引出，接觸式體溫監(jiān)測傳感器也從PSoC控制板上通過RJ45或RJl I接口外接引線引出；PSoC控制板與ZigBee模塊、供電模塊、溫濕度傳感器、氧氣傳感器(4)、陀螺儀、蜂鳴器(5)及LED (6)連接。
2.如權利要求1所述的一種適用于坑道作業(yè)人員的智能腰帶，其特征在于:所述皮帶頭殼體(2)上還設有與所述蜂鳴器(5)連接的輕觸按鍵(8)。
【文檔編號】A41F9/00GK203676227SQ201320824771
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權日:2013年12月12日
【發(fā)明者】萬雪芬, 楊義, 周紅偉, 靳修峰, 吳澤穎, 蔣學芹, 朱明達, 韓芳 申請人:東華大學, 華北科技學院, 昆山思達軟件集成有限公司