具有健康数据采集及脱戴检测功能的安全帽及其控制方法与流程

本发明涉及一种安全帽，具体涉及一种具有健康数据采集及脱戴检测功能的安全帽及其控制方法。

背景技术：

安全帽是在物体坠落时防止物体碰撞头部的防护装置，主要用于电力施工、矿山开采、地质钻探、林业采伐、建筑施工和港口装卸搬运等比较危险的工作环境中。现有安全帽大部分仅具有减缓机械撞击的保护功能，某些具有智能功能的也只是解决了远程通讯的技术问题，但是还是存在一些不足，从作业人员角度来说：佩戴安全帽的工作人员无法知晓自己当前的身体状况是否可以满足高强度的现场施工作业，在某些作业人员相对较少的工作环境中，一旦作业人员发生某些意外情况诸如意外摔倒等，将很有可能因为无法及时通知相关人员得到治疗而导致身体的损伤；而从现场管理人员的角度来讲，佩戴人员不在管理视线内是否佩戴也无从知晓，这样对安全管理而言是非常困难的。

因此，需要一种安全帽能够检测现场作业人员的健康信息，实时的位置，还有帽子的脱戴情况。脱帽状态的判断具有很重要的意义，一来可以使现场管理人员对现场安全帽佩戴情况进行管控，二是可以在佩戴人员摘帽后忘记断电的情况下及时将各个模块进入低功耗模式，降低系统功耗，延长使用时间。由于脱帽状态的判断作用举足轻重，因此，应当尽量防止误判。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种具有健康数据采集及脱戴检测功能的安全帽及其控制方法，能够实时获取作业人员健康信息，实时位置以及相对准确判断脱帽状态、是否摔倒等的智能安全帽。

技术方案：本发明所述的具有健康数据采集及脱戴检测功能的安全帽，包括帽体，所述帽体的前侧设有帽檐，所述帽体上设有控制单元和智能检测组件，所述能检测组件的外壳表面贴有一层吸汗材料；所述控制单元包括控制器、无线通讯器、gps定位模块，所述智能检测组件包括心率血氧传感器、温度传感器、六轴加速度传感器，状态显示单元及用于给各用电单元供电的电源，所述控制器的信号输入端分别与心率血氧传感器、温度传感器、六轴加速度传感器的输出端相连，所述控制器的信号输出端与状态显示单元相连，所述控制器还连接有无线通讯器、gps定位模块，所述无线通讯器还无线连接有服务器。

进一步的，所述控制单元安装在帽体内部顶端，所述智能检测组件安装在帽檐处内侧。

进一步的，所述吸汗材料采用高吸水树脂和海绵制成。

进一步的，所述高吸水树脂采用淀粉接枝丙烯酸盐类、接枝丙烯酰胺、高取代度交联羧甲基纤维素、交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺、交联型羟乙基纤维素接枝丙烯酰胺聚合物中的一种或几种组合。

进一步的，所述状态显示单元包括充电状态指示灯、网络连接状态指示灯和电池电量指示灯，且均为led灯。

进一步的，还包括电源充电模块，所述充电模块与所述电源连接；电源充电模块包括usb口充电口和太阳能充电单元，所述usb口充电口设在智能检测组件上，所述太阳能充电单元安装在帽体侧部。

进一步的，所述无线通讯器采用gprs通讯模块。

本发明还公开了上述具有健康数据采集及脱戴检测功能的安全帽的控制方法，包括：

(1)控制器通过心率血氧传感器、温度传感器、六轴加速度传感器获取实时数据，并对这些数据进行算法处理获取到当前佩戴人员的健康状况、脱帽状态以及判断是否摔倒；

(2)将这些数据以mqtt协议方式通过无线通讯器发送至服务器端，并通过gps定位模块获取实时定位数据，并将定位数据以mqtt协议方式发送至服务器端；

(3)现场作业人员通过装有安全帽相关的app访问服务器获取实时的健康数据以及定位数据，现场管理人员通过特定权限的手机app查看所有安全帽的在线情况以及所有佩戴人员的健康数据。

进一步的，步骤(1)中脱帽状态的检测是通过六轴加速度传感器和心率血氧传感器两种传感器相结合进行判断脱帽状态。

进一步的，步骤(1)中摔倒判断是通过六轴加速度传感器中的加速度值和角度参数相结合。

有益效果：本发明的有益效果如下：

(1)健康监测：本发明通过心率血氧传感器，温度传感器获取作业人员当前心率，血氧，体温等健康数据，便于作业人员及时了解自己身体状态；

(2)摔倒报警：本发明通过六轴加速度传感器获取作业人员当前横滚角，俯仰角，航向角，加速度，并提供了一种对六轴传感器原始数据处理的一种方法防止误判，当角度变化并且加速度达到阈值时，将gps数据发送给服务器，以便摔倒人员获得及时救助；

(3)脱帽检测：本发明通过六轴加速度传感器以及心率血氧传感器同时检测脱帽状态，防止误判；

(4)本发明提供了一种解决佩戴人员出汗情况下健康数据采集不准确的方法，利用高吸水性树脂和海绵保持测量部分保持干燥，保证数据检测的精确性。

附图说明

图1为本发明安全帽的整体结构示意图；

图2为本发明智能检测组件结构主视图；

图3为图2的侧视图；

图4为本发明吸汗材料设置结构示意图；

图5为本发明的安全帽控制原理框图；

图6为本发明的控制器电路图；

图7为本发明的gps定位模块和无线通讯器电路的电路图；

图8为本发明的心率血氧传感器模块电路的电路图；

图9为本发明的温度传感器模块电路的电路图；

图10为本发明的六轴加速度传感器模块电路的电路图；

图11为本发明的电源电路的电路图；

图12为本发明的usb充电电路的电路图；

图13为本发明的swd电路的电路图；

图14为本发明的单片机复位电路的电路图；

图15位本发明的电池电量检测电路的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1到图5所示的一种具有健康数据采集及脱戴检测功能的安全帽，包括帽体1，所述帽体1的前侧设有帽檐2，所述帽体1上设有控制单元3和智能检测组件4，所述能检测组件4的外壳表面贴有一层吸汗材料；所述控制单元3包括控制器、无线通讯器、gps定位模块，所述智能检测组件4包括心率血氧传感器、温度传感器、六轴加速度传感器，状态显示单元及用于给各用电单元供电的电源，电源为可充电锂电池。所述控制器的信号输入端分别与心率血氧传感器、温度传感器、六轴加速度传感器的输出端相连，所述控制器的信号输出端与状态显示单元相连，所述控制器还连接有无线通讯器、gps定位模块，所述无线通讯器还无线连接有服务器。

本实施例中，所述控制单元3安装在帽体1内部顶端，所述智能检测组件4安装在帽檐2处内侧。

本实施例中，所述吸汗材料采用高吸水树脂和海绵制成。由于作业人员的特殊性，导致佩戴人员会长时间处于出汗的状态，这样会对心率血氧传感器采集健康数据产生不利影响。因此，在本实施例中提供一种解决方案：首先，在硬件上增大心率血氧传感器发射红光与红外光线功率；其次，在结构上尽可能使测量部位保持干燥，如图4所示：在智能检测组件4的外壳12周围贴上一层以高吸水性树脂和海绵为核心的吸汗材料11。高吸水树脂是一种新型功能高分子材料。具有亲水基团、能大量吸收水分而溶胀又能保持住水分不外流的合成树脂，如淀粉接枝丙烯酸盐类、接枝丙烯酰胺、高取代度交联羧甲基纤维素、交联羧甲基纤维素接枝丙烯酰胺、交联型羟乙基纤维素接枝丙烯酰胺聚合物等，一般可以吸收相当于树脂体积100倍以上的水分，最高的吸水率可达1000倍以上。海绵具有吸水，柔软等特点，在实际佩戴的过程中，可以使智能检测组件与人体测量部位贴合，不会时佩戴者产生突兀的感觉，提高佩戴舒适度。

如图2所示，所述状态显示单元包括充电状态指示灯6、网络连接状态指示灯7和电池电量指示灯8，且均为led灯。

如图1所示，安全帽还包括电源充电模块，所述充电模块与所述电源连接；电源充电模块包括usb口充电口和太阳能充电单元5，所述usb口充电口设在智能检测组件4上，用于外接充电电源对安全帽电源进行充电，所述太阳能充电单元5安装在帽体1侧部，以通过太阳能对电源进行补充充电。

本实施例中，所有模块都依靠锂电池供电，这样作业人员需要实时了解锂电池电量以便及时充电。控制器通过采集电源的电量，以pwm占空比的方式改变状态显示单元亮灭时间，达到指示电池电量的效果。

六轴加速度传感器具有3轴mems陀螺仪，3轴mems加速度计，以数字输出6轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据，获取当前横滚角，俯仰角，航向角，加速度。

上述具有健康数据采集及脱戴检测功能的安全帽的控制方法，包括：

(1)控制器通过心率血氧传感器、温度传感器、六轴加速度传感器获取实时数据，并对这些数据进行算法处理获取到当前佩戴人员的健康状况、脱帽状态以及判断是否摔倒；

(2)将这些数据以mqtt协议方式通过无线通讯器发送至服务器端，并通过gps定位模块获取实时定位数据，并将定位数据以mqtt协议方式发送至服务器端；

(3)现场作业人员通过装有安全帽相关的app访问服务器获取实时的健康数据以及定位数据，现场管理人员通过特定权限的手机app查看所有安全帽的在线情况以及所有佩戴人员的健康数据。

本实施例中，控制器通过六轴加速度传感器获取作业人员当前横滚角，俯仰角，航向角，加速度，根据这些参数判断是否摔倒，当发生摔倒状态时，gps定位模块将当前定位数据发送给服务器，以便得到及时救助。

本实施例提供了一种的算法对六轴加速度传感器获得的数据处理以防止误判：跌倒在撞击地面阶段合加速度值达到峰值3g并在跌倒后合加速度值又迅速回落到1g。较之于日常行为的合加速度曲线发现：坐下起立、走路、上下楼梯、弯腰的合加速度最大不超过2g；跑步和原地跳的合加速度比较大，最高接近3g。为了设定阈值的大小来区分跌倒和adl(日常生活活动能力)行为，设置判定阈值th1为2.5g，这样大部分adl(日常生活活动能力)行为都可以分辨出来，所以当加速度值>th1时，可以设定为疑似跌倒。然而跑步和跳的运动幅度较大，其合加速度幅值和跌倒的合加速度相似，两者容易混淆。故采用单一的和加速度阈值判断具有单一性。为提高检测精度，降低误判率，引入六轴加速度传感器的角度参数作为二次判断。理论上，当人跌倒经过一段时间后，人体会处于静止状态，此时人体和地面应处于水平状态，z轴加速度为0。同时当人体向前或向后跌倒后，人体x轴角度应在-90度和90度附近；当人体向左或向右跌倒后，人体y轴角度应在-90度和90度附近浮动。通过反复实验，本实用例选取±70度作为第二个判定条件阈值。虽然人体正常姿态有时能在剧烈运动时达到阈值，但是肯定不能持续维持这个值。所以本实用例选取要求3s内都保持这个值，这样就可以短时间内判断跌倒情况。

本实施例中，通过六轴加速度传感器和心率血氧传感器两种传感器判断脱帽状态，意在提高判断精度，防止误判。这样设计的理由如下：心率血氧传感器对人体血管中的氧合血红蛋白与血红蛋白通过发射660nm附近的红光与900nm附近的红外光，由于动脉搏动充血容积变化导致光的透光率发生变化，经过一系列数据处理运算得到人体的心率，血氧数据。当无人佩戴时，不会采集到有效数据，在理想环境下这可以作为是否佩戴安全帽的依据，然而现场的情况是作业人员会因为体力劳动而大量出汗，由于汗水的出现，心率传感器发出的光会被折射，很有可能无法采集有效数据，容易引起误判，因此，加入六轴加速度传感器辅助判断，作业人员佩戴安全帽时，其横滚角，俯仰角，航向角会有明显的变化，通过这些角度变化的判断可以弥补上述不足。

下面对本发明的安全帽的控制电路部分进行详细说明：

如图6所示控制器采用stm32l151c8t6a芯片u1，u1的1、9、24、36、48脚接3.3v，u1的8、23、35、47脚接地，u1的27脚接电阻r7的一端，电阻r7的另一端接发光二极管led1的负极，发光二极管led1的正极接3.3v，u1的44脚接电阻r4的一端，电阻r4的另一端接地。stm32l151c8t6a芯片是st公司推出的一款低功耗mcu，在正常运行模式下，其功耗为185ua/mz，而在休眠模式和停止模式下，其供电电流只有不到1.5ua，这样可以大大增加整个系统的运行时间。

如图7所示，gps定位模块和无线通讯器(gprs)的电路包括air800模块u2，sim卡卡座sim1，gsm天线p3以及xh接口p4，u2的24、26、42、44、48、49接地，u2的50、51脚接电池正极vbat，u2的1脚接单片机u1的38脚，u2的6脚接电阻r5的一端，电阻r5的另一端接地，u2的7、8脚分别接u1的31、30脚，u2的29、30脚分别接u1的29,30脚，u2的31脚接电阻r16的一端，电阻r16的另一端接电容c28一端和sim1的2脚，电容c28的另一端接地，u2的32脚接sim1的1、6脚，u2的33脚接sim1的7脚，u2的34脚接电容c29的一端和sim1的3脚，电容c29的另一端接地，u2的35、36脚分别接xh接口p4的3、2脚，p4的1脚接3.3v，p4的4脚接地，u2的43脚接电容c2，电阻r2的一端，电阻r2的另一端接电容c3的一端和gsm天线p3的1脚，p3的2脚与电容c3的另一端，电容c2的另一端接地。air800模块是一款gprs+gps二合一模块，体积较小，与单片机通过串口以数据传输的方式连接。

如图8所示，心率血氧传感器电路包括max30102模块u11与ldoid9307-18a50芯片u12，u12的1、3脚与钽电容ct3正极连接，电容c8一端接电池正极vbat，u12的2脚与ct3负极，电容c8另一端接地，u12的5脚与电容c6、c7的一端接1.8v，电容c6、c7的另一端接地。u11的4脚，12脚接地，u11的11脚接1.8v，u11的9、10脚接3.3v，u11的2脚接电阻r11的一端与u1的21脚，电阻r11的另一端接3.3v，u11的3脚接电阻r12的一端与u1的22脚，电阻r12的另一端接3.3v，u11的13脚接电阻r5的一端与u1的25脚，电阻r5的另一端接3.3v。max30102将获取的红光与红外光经过血液透光变化后的原始数据通过iic总线传输给单片机，单片机需要对这些原始数据进行处理，当安全帽在佩戴与不佩戴的情况下，数据差异性很大，以此判断是否为有效数据，当采集到一定数量的有效数据后还需要对数据进行滤波处理，得到一组准确，稳定的数据后进行算法运算，计算出心率，血氧数值。

如图9所示，所述温度传感器电路包括mlx90615模块u13，u13的4脚接地，u13的2脚接3.3v，u13的1脚接电阻r19的一端与u1的45脚，r19的另一端接3.3v，u13的3脚接电阻r20的1脚与u1的46脚，r20的另一端接3.3v。单片机通过iic总线与温度传感器连接，通过相应指令使温度传感器开始采集数据，并通过读取相应寄存器获取温度数据。

如图10所示，六轴加速度传感器电路包括mpu6050模块u4，u4的8、13脚接3.3v，u4的1、11、18脚接地，u4的9脚接电阻r27的一端，电阻r27的另一端接地，u4的10脚接电容c27的一端，电容c27的另一端接地，u4的12脚接电阻r28的一端，电阻r28的另一端接u1的45脚，u4的20脚接电容c25的一端，电容c25的另一端接地，u4的23脚接电阻r24的一端和u1的43脚，电阻r24的另一端接3.3v，u4的24脚接电阻r22的一端与u1的42脚，电阻r22的另一端接3.3v。

如图11所示，电源电路包括ldoid9307-33a50芯片u3，u3的1、3脚，电容c19的一端接电池正极vbat，u3的2脚与c19的另一端接地，u3的3脚与电容c30、电容c31的一端接3.3v，电容c30、电容c31的另一端接地。该电路将电池输入电压经过ldoid9307-33a50得到3.3v电压为所有用电芯片供电。ldo具有稳定性好，纹波小等特点，可以有效避免电源对系统带来的干扰。

如图12所示，所述usb充电电路包括microusb接口usb1，sgm4055充电管理芯片u5，usb1的1脚接二极管d1的正极，d1的负极接u5的1脚与电阻r4的一端，r4的另一端接发光二极管led3的正极，led3的负极接u5的1脚，usb1的5、6、7、8、9脚接地，u5的2脚接地，u5的3脚接电池正极vbat，u5的6脚接电阻r29的一端，r29的另一端接地。充电管理芯片sgm4055的1脚为开漏充电状态引脚，当电池在充电过程中时，该引脚被拉低。当电池充电完成后，该引脚被拉高，因此用该引脚结合发光二极管可以用于指示电池充电状态。

控制器的单片机芯片u1上还连接有swd电路，复位电路，电池电量检测电路。

如图13所示，swd电路包括排针p6，p6的1脚接3.3v和电阻r17的一端，r17的另一端接p6的3脚和单片机u1的34脚，p6的2脚接u1的37脚，p6的4脚接地。

如图14所示，复位电路包括复位开关sw1，sw1的一端接电阻r3的一端，电容c9的一端以及u1的7脚，sw1的另一端与c9的另一端接地，r3的另一端接3.3v。

如图15所示，电池电量检测电路由电容电阻组成，电池正极vbat接电阻r8一端，r8另一端接电阻r9的一端和电容c14的一端以及u1的11脚，r9，c14的另一端接地。电池电压通过r8与r9两个电阻分压，将电压转换成单片机可检测的范围内，然后进入单片机的ad采集端，通过单片机测量出电池的电量，配合系统中的led指示灯可以时佩戴人员了解电池电量，以便及时充电。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。