基于5G物联网的高空作业智能安全带预警系统及方法与流程

本发明涉及电子电路技术领域、数据分析处理领域、设备集成领域，尤其涉及一种基于5g物联网的高空作业智能安全带预警系统及方法。

背景技术：

近年来，高空安全事故频发，高空作业的安全防护以及预警问题成为保障高空作业工人生命安全的首要问题。在高空作业汉族要面临以下危险点：一、大风雨雪等恶劣天气从事高空漏天作业；二、高空作业人员身体状况出现异常；三、未正确按规定穿戴好安全带；四、个人着装不符合高空作业要求。在高空作业领域，每年丧失生命的人数高达数万人，当下建立一体化的预警平台以及配套的预警装置是高空作业领域迫切的需求。

在近年来多维传感器的模块化与集成有了一定的发展，与传统的单维传感器相比监测具有精确度高、性能更加优越、服务对象更加广泛等特点，现有的在高空防护预警领域的相关防护装置，以传统的挂扣式安全带为主。其中最具有代表性的是以高空绳为支撑物，挂扣悬挂式的安全带，没有相关的预警及其附属功能，能停留在原始阶段。在现代多状况突发的情境下，传统单一式挂扣安全带已经不符合高空作业的要求，行业需要技术改革，对于智能安全带的集成预警化服务提出新要求。

在高空防护领域，现有技术以及服务有以下缺陷：

（1）集成化低，数据难以综合分析。各种监测设备独立运行，操作流程繁琐，且单独进行监测与分析，数据难以综合运用，未能发挥智能安全防护最好的效果。

（2）系统简单，创新面窄，国内大部分智能高空防护产品多为对如安全带、安全扣、安全帽等现有防护工具的改进创新，或是单一的监测和防护用具的结合，并没有突破高空作业防护的固有弊端，仍然不能起到良好的效果。

（3）智能化程度低，国内部分产品仍停留在远程自动控制等单一功能阶段，模块化、智能化程度低，且大部分未能成为智能化系统平台，没有实现非程序化的动态管理结构。

（4）安全保证及相应的救援系统不够全面。大部分产品都能够做到传感器网络对于物料的基本管理，却很少深入研究智能信息系统对人和物作为一体跟踪信息管理。且缺乏危机产生后及时的救援反馈，没能真正做到智能防护中的“护”。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出一种基于5g物联网的高空作业智能安全带预警系统及方法。

为实现本发明的目的，提出了基于5g物联网的高空作业智能安全带预警系统，包括：安全带预警终端、后台控制终端和蓝牙设备；

所述安全带预警终端包括：用户监测模块、环境监测模块、gps模块、第一语音模块和锁扣状态监测模块；

所述后台控制终端包括：信息处理模块、控制模块、报警模块、第二语音模块和显示模块；

所述安全带预警终端安装在高空作业的用户身上；

所述信息处理模块通过5g网络接收所述用户监测模块、环境监测模块、gps模块和锁扣状态监测模块收集的信息；所述信息处理模块将接收的信息发送到所述显示模块显示；所述信息处理模块处理分析所述接收的信息并将分析结果发送给所述控制模块，所述控制模块根据分析结果控制报警模块工作；

所述第一语音模块和第二语音模块通过所述蓝牙设备进行语音传输。

进一步地，所述用户监测模块包括：血压监测模块、心跳监测模块、肌肉硬度监测模块和运动姿态监测模块；所述环境监测模块包括：温湿度监测模块、pm2.5浓度监测模块、风速监测模块和高度与气压监测模块。

进一步地，所述高度与气压监测模块包括：整流桥、第一电容、第一~第三运放和第一~第七电阻；整流桥的输入端连接外部电源，整流桥的一个输出端连接第一运放的正输入端，整流桥的另一个输出端连接第二运放的负输入端，所述第一运放的负输入端经第一电阻与第二运放的正输入端连接，第一运放的输出端经第二电阻与所述第一运放的负输入端连接，第二运放的输出端经第三电阻与所述第二运放的正输入端连接，第一运放的输出端经依次串联的第四电阻和第六电阻接地，第三运放的正输入端连接第四电阻与第六电阻的公共端，第三运放的负输入端经第五电阻与第二运放的输出端连接，第三运放的输出端经第七电阻与第三运放的负输入端连接，第三运放的输出端经第一电容接地。

进一步地，所述风速监测模块包括风速监测芯片、第八~第十二电阻和第二~第三电容；所述风速监测芯片的型号为w_speed；所述风速监测芯片的1引脚与第三电容的正极连接，第三电容的负极接地，第二电容与第三电容并联；所述风速监测芯片的1引脚经第八电阻与外部电源连接；所述风速监测芯片的2引脚经第十电阻与外部电源连接；所述风速监测芯片的2引脚经第十二电阻接地；第九电阻的一端连接第十电阻与外部电源的公共端，第九电阻的另一端经第十一电阻接地；所述风速监测芯片的3引脚连接第九电阻与第十一电阻的公共端；所述风速监测芯片的4引脚接地。

进一步地，所述gps模块包括gps芯片和第四~第五电容；所述gps芯片的型号为me3616；所述gps芯片的gnd引脚接地；所述gps芯片的vin引脚与第五电容的正极连接，第五电容的负极接地；所述第四电容与第五电容并联；所述第五电容的正极与外部电源连接。

进一步地，所述报警模块的声光报警器包括：第十三~第十四电阻、第一开关管、第一发光二极管、第一二极管和第一继电器；所述第一开关管的栅极经过第十四电阻与所述控制模块连接，第一开关管的发射极接地，第一开关管的集电极与第一发光二极管的阴极连接；第一发光二极管的阳极经第十三电阻与第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与第一开关管的集电极连接；所述第一继电器的线圈与第一二极管并联；所述第一继电器的线圈得电，第一继电器的开关电路接入报警单元，所述第一继电器的线圈失电，第一继电器的开关电路断开报警单元。

进一步地，所述温湿度监测模块包括第十五~第十八电阻、滑动变阻器、第六~第八电容、lm741芯片、lm317t芯片、第二~第三二极管和第一熔断器；所述lm741芯片的nc引脚经过第十五电阻与所述lm741芯片的-in引脚连接；所述lm741芯片的-in引脚经第十七电阻接地；所述lm741芯片的+in引脚与第十八电阻连接；所述lm741芯片的一个调零引脚与滑动变阻器的第一端连接，滑动变阻器的第二端与所述lm741芯片的另一个调零引脚连接，滑动变阻器的第三端接地；所述lm741芯片的gnd引脚接地；所述lm741芯片的vcc引脚与第二二极管的阴极连接；所述第二二极管的阳极经第十六电阻与所述lm317t芯片的adj引脚连接；所述lm741芯片的out引脚与lm317t芯片的adj引脚连接；所述lm317t芯片的vin引脚与第六电容的正极连接；第六电容的负极接地；所述lm317t芯片的+vout引脚经第一熔断器与温湿度监测芯片的接口连接；第三二极管的阴极与所述lm317t芯片的+vout引脚连接；第三二极管的阳极接地；第七电容的正极连接lm317t芯片的+vout引脚，第七电容的负极接地；第八电容与第七电容并联。

进一步地，所述后台控制终端还包括切换模块；所述信息处理模块通过5g网络接收所述高度与气压监测模块收集的高度信息，所述信息处理模块分析所述高度信息并根据分析结果通过所述切换模块切换控制模块中的模式：高空模式和低空模式；所述控制模块基于信息处理模块发送的根据安全带预警终端收集的信息得到的分析结果和当前所处模式生成报警指令，通过该报警指令驱动报警模块工作。

进一步地，所述切换模块包括：第十九~第二十六电阻、第一~第二光耦合器、第二~第三发光二极管、第四~第六二极管、第二~第三开关管、第二~第三继电器和第二熔断器；所述第一光耦合器和第二光耦合器均包括发光二极管和开关管；所述第二继电器包括第一开关和第二开关；所述第三继电器包括第三开关和第四开关；所述第一光耦合器的发光二极管的阳极与外部电源连接；第一光耦合器的发光二极管的阴极与第十九电阻连接；所述第二光耦合器的发光二极管的阳极与外部电源连接；第二光耦合器的发光二极管的阴极与第二十电阻连接；第一光耦合器的开关管的集电极经第二十一电阻与第四二极管的阴极连接，第一光耦合器的开关管的发射极经依次串联的第二十三电阻与第九电容接地；第二光耦合器的开关管的集电极经第二十二电阻与第四二极管的阴极连接，第二光耦合器的开关管的发射极经依次串联的第二十六电阻和第十电容接地；第二继电器的线圈的一端与外部电源连接，第二继电器的线圈的另一端与第四二极管的阳极连接；第二继电器的第一开关的一端与第二熔断器连接，另一端与第六二极管的阴极连接；第二继电器的第二开关的一端接地，另一端与第六二极管的阴极连接；第三继电器的线圈的一端与第五二极管的阴极连接，另一端与第五二极管的阳极连接；第二继电器的第三开关的一端接地，另一端与第六二极管的阴极连接；第二继电器的第四开关的一端与第二熔断器连接，另一端与第六二极管的阳极连接；第二开关管的集电极与第四二极管的阳极连接；第二开关管的栅极连接第二十三电阻与第九电容的公共端；第二开关管的发射极接地；第二发光二极管的阴极与第二开关管的集电极连接；第二发光二极管的阳极经第二十四电阻与外部电源连接；第三发光二极管的阳极经第二十五电阻与外部电源连接；第三发光二极管的阴极与第五二极管的阳极连接；第三开关管的集电极与第五二极管的阳极连接，第三开关管的栅极连接第二十六电阻与第十电容的公共端，第三开关管的发射极接地，第五二极管的阴极连接外部电源。

本发明还提出了基于所述高空作业智能安全带预警系统的预警方法，包括如下步骤：

所述用户监测模块和环境监测模块实时监测高空作业用户的身体特征信息和高空作业用户所处的环境特征信息并通过5g网络发送给所述信息处理模块，所述信息处理模块将上述身体特征信息和环境特征信息发送给所述显示模块显示；

所述信息处理模块接收并分析上述信息，若信息存在异常，则通过所述控制模块触发所述报警模块进行终端报警；

所述gps模块收集高空作业用户的地理位置信息并通过5g网络发送给所述信息处理模块，所述信息处理模块接收并分析所述地理位置信息，若信息存在异常，则通过所述控制模块触发所述报警模块进行终端报警；

所述锁扣状态监测模块收集高空作业用户的锁扣状态信息并通过5g网络发送给所述信息处理模块，所述信息处理模块接收并分析所述锁扣状态信息，若信息存在异常，则通过所述控制模块触发所述报警模块进行终端报警；

所述第一语音模块与所述第二语音模块通过所述蓝牙设备进行语音传输；

所述高空作业用户的身体特征信息包括：用户的心跳、血压、运动姿态和肌肉硬度。

所述高空作业用户所处的环境特征信息包括：温湿度、pm2.5浓度、风速、高度和气压。

跟现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

本发明提出的基于5g物联网的高空作业智能安全带预警系统及方法能够对用户的身体特征与用户所处的环境特征进行双重监测，并在监测结果出现异常时通过5g物联网技术快速稳定地传输给后台控制终端，进而便于后台工作人员及时发现隐患或危险并对高空作业人员进行营救。

其中，心跳监测模块实时监测用户的心跳，血压监测模块实时监测用户的血压，运动姿态监测模块实时监测用户的运动姿态，肌肉硬度监测模块实时监测用户的腿部肌肉硬度。四种不同的安全监测方式能够更快更好地反应用户的状态，再搭配用户所处环境监测结果能够更好的保证用户的安全。

附图说明

图1是一个实施例的基于5g物联网的高空作业智能安全带预警系统的结构示意图；

图2是一个实施例的高度与气压监测模块的电路结构示意图；

图3是一个实施例的风速监测模块的电路结构示意图；

图4是一个实施例的gps模块的电路结构示意图；

图5是一个实施例的声光报警模块的电路结构示意图；

图6是一个实施例的温湿度监测模块的电路结构示意图；

图7是一个实施例的切换模块的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，本实施例提出了基于5g物联网的高空作业智能安全带预警系统，包括：安全带预警终端、后台控制终端和蓝牙设备；

所述安全带预警终端包括：用户监测模块、环境监测模块、gps模块、第一语音模块和锁扣状态监测模块；

所述后台控制终端包括：信息处理模块、控制模块、报警模块、第二语音模块和显示模块；

所述安全带预警终端安装在高空作业的用户身上；

所述信息处理模块通过5g网络接收所述用户监测模块、环境监测模块、gps模块和锁扣状态监测模块收集的信息；所述信息处理模块将接收的信息发送到所述显示模块显示；所述信息处理模块处理分析所述接收的信息并将分析结果发送给所述控制模块，所述控制模块根据分析结果控制报警模块工作；

所述第一语音模块和第二语音模块通过所述蓝牙设备进行语音传输。

在一个实施例中，所述用户监测模块包括：血压监测模块、心跳监测模块、肌肉硬度监测模块和运动姿态监测模块；所述环境监测模块包括：温湿度监测模块、pm2.5浓度监测模块、风速监测模块和高度与气压监测模块。

在一个实施例中，所述后台控制终端还包括切换模块；所述信息处理模块通过5g网络接收所述高度与气压监测模块收集的高度信息，所述信息处理模块分析所述高度信息并根据分析结果通过所述切换模块切换控制模块中的模式：高空模式和低空模式；所述控制模块基于信息处理模块发送的根据安全带预警终端收集的信息得到的分析结果和当前所处模式生成报警指令，通过该报警指令驱动报警模块工作。

在一个实施例中，如图2所示，所述高度与气压监测模块包括：整流桥、第一电容c1、第一~第三运放l1~l3和第一~第七电阻r1~r7；整流桥的输入端连接外部电源，整流桥的一个输出端连接第一运放的正输入端，整流桥的另一个输出端连接第二运放的负输入端，所述第一运放的负输入端经第一电阻与第二运放的正输入端连接，第一运放的输出端经第二电阻与所述第一运放的负输入端连接，第二运放的输出端经第三电阻与所述第二运放的正输入端连接，第一运放的输出端经依次串联的第四电阻和第六电阻接地，第三运放的正输入端连接第四电阻与第六电阻的公共端，第三运放的负输入端经第五电阻与第二运放的输出端连接，第三运放的输出端经第七电阻与第三运放的负输入端连接，第三运放的输出端经第一电容接地。

在一个实施例中，如图3所示，所述风速监测模块包括风速监测芯片、第八~第十二电阻r8~r12和第二~第三电容c2~c3；所述风速监测芯片的型号为w_speed；所述风速监测芯片的1引脚与第三电容的正极连接，第三电容的负极接地，第二电容与第三电容并联；所述风速监测芯片的1引脚经第八电阻与外部电源连接；所述风速监测芯片的2引脚经第十电阻与外部电源连接；所述风速监测芯片的2引脚经第十二电阻接地；第九电阻的一端连接第十电阻与外部电源的公共端，第九电阻的另一端经第十一电阻接地；所述风速监测芯片的3引脚连接第九电阻与第十一电阻的公共端；所述风速监测芯片的4引脚接地。

在一个实施例中，如图4所示，所述gps模块包括gps芯片和第四~第五电容c4~c5；所述gps芯片的型号为me3616；所述gps芯片的gnd引脚接地；所述gps芯片的vin引脚与第五电容的正极连接，第五电容的负极接地；所述第四电容与第五电容并联；所述第五电容的正极与外部电源连接。

在一个实施例中，如图5所示，所述报警模块的声光报警器包括：第十三~第十四电阻r13~r14、第一开关管q1、第一发光二极管led1、第一二极管d1和第一继电器rl1；所述第一开关管的栅极经过第十四电阻与所述控制模块连接，第一开关管的发射极接地，第一开关管的集电极与第一发光二极管的阴极连接；第一发光二极管的阳极经第十三电阻与第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与第一开关管的集电极连接；所述第一继电器的线圈与第一二极管并联；所述第一继电器的线圈得电，第一继电器的开关电路接入报警单元，所述第一继电器的线圈失电，第一继电器的开关电路断开报警单元。

在一个实施例中，如图6所示，所述温湿度监测模块包括第十五~第十八电阻r15~r18、滑动变阻器vr1、第六~第八电容c6~c8、lm741芯片、lm317t芯片、第二~第三二极管d2~d3和第一熔断器f1；所述lm741芯片的nc引脚经过第十五电阻与所述lm741芯片的-in引脚连接；所述lm741芯片的-in引脚经第十七电阻接地；所述lm741芯片的+in引脚与第十八电阻连接；所述lm741芯片的一个调零引脚与滑动变阻器的第一端连接，滑动变阻器的第二端与所述lm741芯片的另一个调零引脚连接，滑动变阻器的第三端接地；所述lm741芯片的gnd引脚接地；所述lm741芯片的vcc引脚与第二二极管的阴极连接；所述第二二极管的阳极经第十六电阻与所述lm317t芯片的adj引脚连接；所述lm741芯片的out引脚与lm317t芯片的adj引脚连接；所述lm317t芯片的vin引脚与第六电容的正极连接；第六电容的负极接地；所述lm317t芯片的+vout引脚经第一熔断器与温湿度监测芯片的接口连接；第三二极管的阴极与所述lm317t芯片的+vout引脚连接；第三二极管的阳极接地；第七电容的正极连接lm317t芯片的+vout引脚，第七电容的负极接地；第八电容与第七电容并联。

在一个实施例中，如图7所示，所述切换模块包括：第十九~第二十六电阻r19~r26、第一~第二光耦合器u1~u2、第二~第三发光二极管led2~led3、第四~第六二极管d4~d6、第二~第三开关管q2~q3、第二~第三继电器rl2~rl3和第二熔断器f2；所述第一光耦合器和第二光耦合器均包括发光二极管和开关管；所述第二继电器包括第一开关和第二开关；所述第三继电器包括第三开关和第四开关；所述第一光耦合器的发光二极管的阳极与外部电源连接；第一光耦合器的发光二极管的阴极与第十九电阻连接；所述第二光耦合器的发光二极管的阳极与外部电源连接；第二光耦合器的发光二极管的阴极与第二十电阻连接；第一光耦合器的开关管的集电极经第二十一电阻与第四二极管的阴极连接，第一光耦合器的开关管的发射极经依次串联的第二十三电阻与第九电容接地；第二光耦合器的开关管的集电极经第二十二电阻与第四二极管的阴极连接，第二光耦合器的开关管的发射极经依次串联的第二十六电阻和第十电容接地；第二继电器的线圈的一端与外部电源连接，第二继电器的线圈的另一端与第四二极管的阳极连接；第二继电器的第一开关的一端与第二熔断器连接，另一端与第六二极管的阴极连接；第二继电器的第二开关的一端接地，另一端与第六二极管的阴极连接；第三继电器的线圈的一端与第五二极管的阴极连接，另一端与第五二极管的阳极连接；第二继电器的第三开关的一端接地，另一端与第六二极管的阴极连接；第二继电器的第四开关的一端与第二熔断器连接，另一端与第六二极管的阳极连接；第二开关管的集电极与第四二极管的阳极连接；第二开关管的栅极连接第二十三电阻与第九电容的公共端；第二开关管的发射极接地；第二发光二极管的阴极与第二开关管的集电极连接；第二发光二极管的阳极经第二十四电阻与外部电源连接；第三发光二极管的阳极经第二十五电阻与外部电源连接；第三发光二极管的阴极与第五二极管的阳极连接；第三开关管的集电极与第五二极管的阳极连接，第三开关管的栅极连接第二十六电阻与第十电容的公共端，第三开关管的发射极接地，第五二极管的阴极连接外部电源。

本实施例还提出了基于所述高空作业智能安全带预警系统的预警方法，包括如下步骤：

所述用户监测模块和环境监测模块实时监测高空作业用户的身体特征信息和高空作业用户所处的环境特征信息并通过5g网络发送给所述信息处理模块，所述信息处理模块将上述身体特征信息和环境特征信息发送给所述显示模块显示；

所述信息处理模块接收并分析上述信息，若信息存在异常，则通过所述控制模块触发所述报警模块进行终端报警；

所述gps模块收集高空作业用户的地理位置信息并通过5g网络发送给所述信息处理模块，所述信息处理模块接收并分析所述地理位置信息，若信息存在异常，则通过所述控制模块触发所述报警模块进行终端报警；

所述锁扣状态监测模块收集高空作业用户的锁扣状态信息并通过5g网络发送给所述信息处理模块，所述信息处理模块接收并分析所述锁扣状态信息，若信息存在异常，则通过所述控制模块触发所述报警模块进行终端报警；

所述第一语音模块与所述第二语音模块通过所述蓝牙设备进行语音传输；

所述高空作业用户的身体特征信息包括：用户的心跳、血压、运动姿态和肌肉硬度。

所述高空作业用户所处的环境特征信息包括：温湿度、pm2.5浓度、风速、高度和气压。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。