本發(fā)明涉及多傳感器融合監(jiān)控領(lǐng)域，具體地講，涉及一種安全帽安全監(jiān)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在有安全隱患的場(chǎng)所，為了安全防護(hù)，要求在場(chǎng)人員都需要佩戴安全帽?，F(xiàn)有的安全帽的研究主要分為兩類：一類是通過(guò)材料和外型設(shè)計(jì)，完善安全帽的防護(hù)特性；另一類通過(guò)借助攝像頭、藍(lán)牙等電子產(chǎn)品的輔助，提供對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管、控制以及危險(xiǎn)狀況下的通信。這兩類研究在本質(zhì)上提供了安全帽的安全防護(hù)作用，但是卻忽略了安全帽使用不當(dāng)造成的人員傷亡問(wèn)題。通過(guò)大量事故的統(tǒng)計(jì)得到，事故發(fā)生的直接原因88％是由于人的不安全行為導(dǎo)致。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種安全帽安全監(jiān)控系統(tǒng)，用于檢測(cè)和監(jiān)控安全帽是否正確佩戴。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的：

一種安全帽安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括嵌入式信息融合處理單元，其特征是：所述嵌入式信息融合處理單元分別連接生物感知單元、彈性位移單元、三維姿態(tài)單元和主動(dòng)報(bào)警單元。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述嵌入式信息融合處理單元還連接射頻鑒權(quán)單元。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述嵌入式信息融合處理單元還連接移動(dòng)互聯(lián)單元。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述生物感知單元包括1個(gè)熱釋電紅外傳感器和2個(gè)紅外測(cè)距傳感器，所述熱釋電傳感器位于帽頂內(nèi)部前側(cè)，2個(gè)所述紅外測(cè)距傳感器位于帽檐兩側(cè)。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述彈性位移單元包括1個(gè)薄膜壓力傳感器和3個(gè)高精度電阻式應(yīng)變片，所述薄膜壓力傳感器位于帽子的下顎帶處，3個(gè)所述高精度電阻式應(yīng)變片分布再安全帽冒箍處。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述三維姿態(tài)單元包括三軸傳感器，所述三軸傳感器位于安全帽帽內(nèi)頂部。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述嵌入式信息融合處理單元包括數(shù)據(jù)接口模塊、信息解析模塊、信息計(jì)算模塊、語(yǔ)音模塊和存儲(chǔ)模塊。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述嵌入式信息融合處理單元采用控制處理芯片MSP430,所述嵌入式信息融合處理單元的引腳5連接所述主動(dòng)報(bào)警單元,所述嵌入式信息融合處理單元的引腳13、引腳14和引腳15連接所述生物感知單元,所述嵌入式信息融合處理單元的引腳13連接三極管Q1的集電極，所述三極管Q1的集電極還通過(guò)電阻R5連接電源，所述三極管Q1的發(fā)射極接地，所述三極管Q1的基極通過(guò)電阻R3連接其中一個(gè)所述紅外測(cè)距傳感器，所述嵌入式信息融合處理單元的引腳14連接三極管Q2的集電極，所述三極管Q2的集電極還通過(guò)電阻R7連接電源，所述三極管Q2的發(fā)射極接地，所述三極管Q2的基極通過(guò)電阻R6連接另一個(gè)所述紅外測(cè)距傳感器，所述嵌入式信息融合處理單元的引腳15連接所述熱釋電紅外傳感器；所述嵌入式信息融合處理單元的引腳33、引腳34、引腳35和與引腳44分別連接所述薄膜壓力傳感器和3個(gè)所述高精度電阻式應(yīng)變片，所述嵌入式信息融合處理單元的引腳36、引腳37和引腳38連接所述射頻鑒權(quán)單元，所述嵌入式信息融合處理單元的引腳39、引腳40、引腳41、引腳42和引腳43分別連接所述三軸傳感器的引腳6、引腳7、引腳12、引腳23和引腳24，所述嵌入式信息融合處理單元的引腳58、引腳59和引腳60連接所述移動(dòng)互聯(lián)單元。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述三軸傳感器采用MPU6050三軸傳感器。

現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：本發(fā)明采用多傳感器融合技術(shù)，獲得生物感知、壓力、位移、三維加速度等信息，通過(guò)嵌入式信息融合處理單元進(jìn)行信息接收、分析、計(jì)算、處理，迅速判定員工佩戴安全帽的行為是否正確。本發(fā)明具有報(bào)警設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)和手動(dòng)報(bào)警功能，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件有巨大作用。本發(fā)明規(guī)范人員使用安全帽的行為，降低了由于佩戴不當(dāng)引發(fā)的安全事故，在安全領(lǐng)域有廣闊的市場(chǎng)前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例安全帽的頂層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例安全帽的帽檐結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例安全帽的下頜帶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例安全帽各個(gè)模塊間的連接框圖；

圖5為本發(fā)明的方法流程圖。

圖6為射頻鑒權(quán)單元電路圖。

圖7(1)(2)(3)為生物感知單元電路圖。

圖8(1)(2)(3)(4)為彈性位移單元電路圖。

圖9三維姿態(tài)單元電路圖。

圖10主動(dòng)報(bào)警單元電路圖。

圖11移動(dòng)互聯(lián)單元電路圖。

圖12嵌入式信息融合處理單元電路圖。

其中，101、射頻鑒權(quán)單元，102、生物感知單元，103、彈性位移單元，104三維姿態(tài)單元，105、主動(dòng)報(bào)警單元，106、移動(dòng)互聯(lián)單元，107、嵌入式信息融合處理單元；對(duì)嵌入式信息融合單元，其內(nèi)部又可分為：201、數(shù)據(jù)接口模塊，202、信息解析模塊，203、信息計(jì)算模塊，204、存儲(chǔ)模塊，205、語(yǔ)音模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受具體實(shí)施方式的限制。

如圖1-圖12所示，本發(fā)明包括嵌入式信息融合處理單元107，所述嵌入式信息融合處理單元分別連接生物感知單元102、彈性位移單元103、三維姿態(tài)單元104和主動(dòng)報(bào)警單元105。

所述嵌入式信息融合處理單元107還連接射頻鑒權(quán)單元101。

所述嵌入式信息融合處理單元107還連接移動(dòng)互聯(lián)單元106。

所述嵌入式信息融合處理單元107包括數(shù)據(jù)接口模塊、信息解析模塊、信息計(jì)算模塊、語(yǔ)音模塊和存儲(chǔ)模塊。

所述射頻鑒權(quán)單元101由RFID芯片MF RC522及附屬電路構(gòu)成，用于佩戴人員的身份鑒權(quán)，在獲取基本信息的同時(shí)，并根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)信息和時(shí)間信息判定，啟動(dòng)整個(gè)裝置進(jìn)入工作狀態(tài)或者待機(jī)狀態(tài)。

所述生物感知單元102由1個(gè)熱釋電紅外傳感器RE200B和2個(gè)紅外測(cè)距傳感器RPR-359及其附屬電路構(gòu)成，其中置于帽頂內(nèi)部前側(cè)的熱釋電紅外傳感器用于判定是否存在佩戴者，置于帽檐兩側(cè)的2個(gè)紅外測(cè)距傳感器測(cè)量安全帽到佩戴者雙耳的距離。

所述彈性位移單元103分別由1個(gè)薄膜壓力傳感器和3個(gè)BF350高精度電阻式應(yīng)變片及附屬電路構(gòu)成，其中薄膜壓力傳感器置于下顎帶處，檢測(cè)下顎帶處壓力，BF350高精度電阻式應(yīng)變片置于安全帽帽箍處，測(cè)量安全帽佩戴者的頭部壓力信息。所述的三維姿態(tài)單元104由MPU6050三軸傳感器及其附屬電路構(gòu)成，置于安全帽帽內(nèi)頂部，完成對(duì)安全帽動(dòng)態(tài)角速度和加速度信息的測(cè)量，并獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

所述主動(dòng)報(bào)警單元105由按鍵及接口電路組成，位于安全帽的帽舌上方，用于緊急情況下佩戴者主動(dòng)發(fā)起的報(bào)警功能，為防止誤觸發(fā)，結(jié)構(gòu)上采用反扣按鍵。

所述移動(dòng)互聯(lián)單元106由GPRS模塊SIM900及其附屬電路構(gòu)成，位于安全帽帽舌上方，用于信息交互傳遞，包括傳送鑒權(quán)考勤信息、安全帽是否正確佩戴信息給監(jiān)控中心，同時(shí)可將主動(dòng)報(bào)警模塊觸發(fā)的定制信息傳遞給上層監(jiān)控中心。

所述的嵌入式信息融合單元107由控制處理芯片MSP430以及相應(yīng)的電路構(gòu)成，位于安全帽帽舌上方，其中數(shù)據(jù)接口模塊用于獲取實(shí)時(shí)傳感器信息；信息解析模塊完成對(duì)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的采樣結(jié)構(gòu)分析；信息計(jì)算模塊對(duì)解析后的信息按照算法規(guī)則進(jìn)行計(jì)算分析，從而判定是否正確佩戴安全帽；語(yǔ)音模塊對(duì)沒(méi)有正確佩戴的人員進(jìn)行語(yǔ)音提示，并根據(jù)系統(tǒng)配置可選擇性上報(bào)信息；存儲(chǔ)模塊記錄佩戴者的基本信息、定時(shí)傳感器信息以及操作信息。

所述嵌入式信息融合處理單元107采用控制處理芯片MSP430,所述嵌入式信息融合處理單元的引腳5連接所述主動(dòng)報(bào)警單元105,所述嵌入式信息融合處理單元107的引腳13、引腳14和引腳15連接所述生物感知單元102,所述嵌入式信息融合處理單元107的引腳13連接三極管Q1的集電極，所述三極管Q1的集電極還通過(guò)電阻R5連接電源，所述三極管Q1的發(fā)射極接地，所述三極管Q1的基極通過(guò)電阻R3連接其中一個(gè)所述紅外測(cè)距傳感器，所述嵌入式信息融合處理單元的引腳14連接三極管Q2的集電極，所述三極管Q2的集電極還通過(guò)電阻R7連接電源，所述三極管Q2的發(fā)射極接地，所述三極管Q2的基極通過(guò)電阻R6連接另一個(gè)所述紅外測(cè)距傳感器，所述嵌入式信息融合處理單元107的引腳15連接所述熱釋電紅外傳感器；所述嵌入式信息融合處理單元107的引腳33、引腳34、引腳35和與引腳44分別連接所述薄膜壓力傳感器和3個(gè)所述高精度電阻式應(yīng)變片，所述嵌入式信息融合處理單元107的引腳36、引腳37和引腳38連接所述射頻鑒權(quán)單元101，所述嵌入式信息融合處理單元107的引腳39、引腳40、引腳41、引腳42和引腳43分別連接所述三軸傳感器的引腳6、引腳7、引腳12、引腳23和引腳24，所述嵌入式信息融合處理單元107的引腳58、引腳59和引腳60連接所述移動(dòng)互聯(lián)單元106。

判定安全帽是否正確佩戴的方法如圖5所示，包括以下步驟：

步驟1：射頻鑒權(quán)單元101獨(dú)立工作，啟動(dòng)后主動(dòng)采集使用者信息，根據(jù)鑒權(quán)ID進(jìn)行鑒權(quán)操作，如鑒權(quán)通過(guò)，則根據(jù)系統(tǒng)信息、刷卡次數(shù)和時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)判斷，如判斷為上班狀態(tài)，則開啟整個(gè)裝置，通知移動(dòng)互聯(lián)單元106并進(jìn)入工作狀態(tài)，否則裝置處于待機(jī)狀態(tài)；如在判斷為下班狀態(tài)，則記錄工作時(shí)間，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份，并發(fā)送給移動(dòng)互聯(lián)單元106，然后整個(gè)裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

步驟2：數(shù)據(jù)接口模塊在裝置進(jìn)入工作狀態(tài)后，開始實(shí)時(shí)采集各接口傳感器信息，具體地，先判斷是否接收到了生物感知單元102的信息，并進(jìn)一步判斷信息內(nèi)容，如檢測(cè)到使用者已經(jīng)佩戴安全帽，則開始定時(shí)采樣生物感知單元102中的紅外測(cè)距信息，彈性位移單元103中的壓力傳感器信息以及三維姿態(tài)單元104的角速度和加速度信息。

步驟3：信息解析模塊對(duì)傳遞來(lái)的各種不同類型的接口信息進(jìn)行解析處理，歸一轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一格式的判別變量，并針對(duì)不同模塊的在固定時(shí)間內(nèi)，統(tǒng)計(jì)多次測(cè)量的結(jié)果并取其平均值，并將結(jié)果傳遞給信息計(jì)算模塊。

步驟4：信息計(jì)算模塊收到歸一化判別變量后，進(jìn)行多維感知算法計(jì)算：a)首先兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器對(duì)安全帽進(jìn)行多次測(cè)試，利用公式，和其中x_i為每次的測(cè)量值，d_i為測(cè)量值與平均值的偏差n為觀測(cè)次數(shù)，每個(gè)紅外測(cè)距傳感器的測(cè)量次數(shù)為n/2次，計(jì)算平均值和平均誤差，可以得到兩個(gè)紅外測(cè)傳感器的測(cè)距平均值和平均誤差δ_r；彈性位移模塊中的兩類壓力傳感器平均值和平均誤差δ_b1、δ_b2，兩類壓力傳感器平均值平均值和平均誤差的計(jì)算公式與紅外測(cè)距傳感器的計(jì)算公式雷同，根據(jù)兩類壓力傳感器的不同加權(quán)值根據(jù)公式和計(jì)算出彈性位移模塊的平均值和平均誤差δ_b；三維姿態(tài)模塊的X、Y、Z三個(gè)方向角速度的平均值和平均誤差δ_ωx、δ_ωy、δ_ωz，同時(shí)根據(jù)X、Y、Z三個(gè)方向不同的加權(quán)值根據(jù)公式：和可最終得到三維姿態(tài)模塊的平均值和平均誤差δ_ω；b)各個(gè)模塊通過(guò)測(cè)量值計(jì)算出平均誤差，根據(jù)平均誤差是否在各個(gè)模塊事先確定的誤差范圍中來(lái)判定安全帽是否正確佩戴，如果在誤差范圍內(nèi)，則認(rèn)為正確，進(jìn)入c)步進(jìn)行下一步的計(jì)算，否則認(rèn)為沒(méi)有正確佩戴安全帽，c)當(dāng)上述計(jì)算得到各個(gè)模塊的平均誤差都在各自的誤差范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)紅外測(cè)距模塊的權(quán)重值彈性位移模塊的權(quán)重值和三維姿態(tài)模塊權(quán)重值從而計(jì)算出最終判斷安全帽的狀態(tài)平均值和平均誤差通過(guò)整體分析計(jì)算安全帽的整體狀態(tài)平均值和整體平均誤差，判定安全帽是否正確佩戴，如果整體平均誤差超出事先設(shè)定的整體平均誤差，則同樣判定沒(méi)有正確佩戴安全帽。

步驟5：一旦判斷安全帽沒(méi)有正確佩戴，安全帽中的語(yǔ)音模塊就會(huì)發(fā)出聲光動(dòng)作，提示佩戴人員要修正安全帽佩戴動(dòng)作；同時(shí)嵌入式信息融合單元107將記錄信息，在超過(guò)報(bào)警閾值后進(jìn)而將信息給移動(dòng)互聯(lián)單元106，移動(dòng)互聯(lián)單元106再傳遞報(bào)警信息給遠(yuǎn)程控制中心。

步驟6：主動(dòng)報(bào)警單元105獨(dú)立工作，在緊急狀況下或者佩戴者判斷為需要上報(bào)告警的其他場(chǎng)合，由佩戴者主動(dòng)觸發(fā)，嵌入式信息融合單元107觸發(fā)定制信息上送，此優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高。

上述部分為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡是依據(jù)本發(fā)明內(nèi)容所做的等效變化與修飾，都應(yīng)屬于本發(fā)明的內(nèi)容。