一种安全帽安全监控系统

本发明涉及多传感器融合监控领域，具体地讲，涉及一种安全帽安全监控系统。

在有安全隐患的场所，为了安全防护，要求在场人员都需要佩戴安全帽。现有的安 全帽的研究主要分为两类：一类是通过材料和外型设计，完善安全帽的防护特性；另一类通 过借助摄像头、蓝牙等电子产品的辅助，提供对生产现场的监管、控制以及危险状况下的通 信。这两类研究在本质上提供了安全帽的安全防护作用，但是却忽略了安全帽使用不当造 成的人员伤亡问题。通过大量事故的统计得到，事故发生的直接原因88％是由于人的不安 全行为导致。

本发明要解决的技术问题是提供一种安全帽安全监控系统，用于检测和监控安全 帽是否正确佩戴。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种安全帽安全监控系统，包括嵌入式信息融合处理单元，其特征是：所述嵌入式 信息融合处理单元分别连接生物感知单元、弹性位移单元、三维姿态单元和主动报警单元。

作为对本技术方案的进一步限定，所述嵌入式信息融合处理单元还连接射频鉴权 单元。

作为对本技术方案的进一步限定，所述嵌入式信息融合处理单元还连接移动互联 单元。

作为对本技术方案的进一步限定，所述生物感知单元包括1个热释电红外传感器 和2个红外测距传感器，所述热释电传感器位于帽顶内部前侧，2个所述红外测距传感器位 于帽檐两侧。

作为对本技术方案的进一步限定，所述弹性位移单元包括1个薄膜压力传感器和3 个高精度电阻式应变片，所述薄膜压力传感器位于帽子的下颚带处，3个所述高精度电阻式 应变片分布再安全帽冒箍处。

作为对本技术方案的进一步限定，所述三维姿态单元包括三轴传感器，所述三轴 传感器位于安全帽帽内顶部。

作为对本技术方案的进一步限定，所述嵌入式信息融合处理单元包括数据接口模 块、信息解析模块、信息计算模块、语音模块和存储模块。

作为对本技术方案的进一步限定，所述嵌入式信息融合处理单元采用控制处理芯 片MSP430,所述嵌入式信息融合处理单元的引脚5连接所述主动报警单元,所述嵌入式信息 融合处理单元的引脚13、引脚14和引脚15连接所述生物感知单元,所述嵌入式信息融合处 理单元的引脚13连接三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的集电极还通过电阻R5连接电源， 所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的基极通过电阻R3连接其中一个所述红外测距 传感器，所述嵌入式信息融合处理单元的引脚14连接三极管Q2的集电极，所述三极管Q2的 集电极还通过电阻R7连接电源，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极通过电 阻R6连接另一个所述红外测距传感器，所述嵌入式信息融合处理单元的引脚15连接所述热 释电红外传感器；所述嵌入式信息融合处理单元的引脚33、引脚34、引脚35和与引脚44分别 连接所述薄膜压力传感器和3个所述高精度电阻式应变片，所述嵌入式信息融合处理单元 的引脚36、引脚37和引脚38连接所述射频鉴权单元，所述嵌入式信息融合处理单元的引脚 39、引脚40、引脚41、引脚42和引脚43分别连接所述三轴传感器的引脚6、引脚7、引脚12、引 脚23和引脚24，所述嵌入式信息融合处理单元的引脚58、引脚59和引脚60连接所述移动互 联单元。

作为对本技术方案的进一步限定，所述三轴传感器采用MPU6050三轴传感器。

现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用多传感器融合技术，获得 生物感知、压力、位移、三维加速度等信息，通过嵌入式信息融合处理单元进行信息接收、分 析、计算、处理，迅速判定员工佩戴安全帽的行为是否正确。本发明具有报警设备，实现远程 自动和手动报警功能，应对突发事件有巨大作用。本发明规范人员使用安全帽的行为，降低 了由于佩戴不当引发的安全事故，在安全领域有广阔的市场前景。

图1为本发明优选实施例安全帽的顶层结构示意图；

图2为本发明优选实施例安全帽的帽檐结构示意图；

图3为本发明优选实施例安全帽的下颌带结构示意图；

图4为本发明优选实施例安全帽各个模块间的连接框图；

图5为本发明的方法流程图。

图6为射频鉴权单元电路图。

图7(1)(2)(3)为生物感知单元电路图。

图8(1)(2)(3)(4)为弹性位移单元电路图。

图9三维姿态单元电路图。

图10主动报警单元电路图。

图11移动互联单元电路图。

图12嵌入式信息融合处理单元电路图。

其中，101、射频鉴权单元，102、生物感知单元，103、弹性位移单元，104三维姿态单 元，105、主动报警单元，106、移动互联单元，107、嵌入式信息融合处理单元；对嵌入式信息 融合单元，其内部又可分为：201、数据接口模块，202、信息解析模块，203、信息计算模块， 204、存储模块，205、语音模块。

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明 的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1-图12所示，本发明包括嵌入式信息融合处理单元107，所述嵌入式信息融合 处理单元分别连接生物感知单元102、弹性位移单元103、三维姿态单元104和主动报警单元 105。

所述嵌入式信息融合处理单元107还连接射频鉴权单元101。

所述嵌入式信息融合处理单元107还连接移动互联单元106。

所述嵌入式信息融合处理单元107包括数据接口模块、信息解析模块、信息计算模 块、语音模块和存储模块。

所述射频鉴权单元101由RFID芯片MF RC522及附属电路构成，用于佩戴人员的身 份鉴权，在获取基本信息的同时，并根据系统状态信息和时间信息判定，启动整个装置进入 工作状态或者待机状态。

所述生物感知单元102由1个热释电红外传感器RE200B和2个红外测距传感器RPR- 359及其附属电路构成，其中置于帽顶内部前侧的热释电红外传感器用于判定是否存在佩 戴者，置于帽檐两侧的2个红外测距传感器测量安全帽到佩戴者双耳的距离。

所述弹性位移单元103分别由1个薄膜压力传感器和3个BF350高精度电阻式应变 片及附属电路构成，其中薄膜压力传感器置于下颚带处，检测下颚带处压力，BF350高精度 电阻式应变片置于安全帽帽箍处，测量安全帽佩戴者的头部压力信息。所述的三维姿态单 元104由MPU6050三轴传感器及其附属电路构成，置于安全帽帽内顶部，完成对安全帽动态 角速度和加速度信息的测量，并获取实时数据。

所述主动报警单元105由按键及接口电路组成，位于安全帽的帽舌上方，用于紧急 情况下佩戴者主动发起的报警功能，为防止误触发，结构上采用反扣按键。

所述移动互联单元106由GPRS模块SIM900及其附属电路构成，位于安全帽帽舌上 方，用于信息交互传递，包括传送鉴权考勤信息、安全帽是否正确佩戴信息给监控中心，同 时可将主动报警模块触发的定制信息传递给上层监控中心。

所述的嵌入式信息融合单元107由控制处理芯片MSP430以及相应的电路构成，位 于安全帽帽舌上方，其中数据接口模块用于获取实时传感器信息；信息解析模块完成对实 时感知数据的采样结构分析；信息计算模块对解析后的信息按照算法规则进行计算分析， 从而判定是否正确佩戴安全帽；语音模块对没有正确佩戴的人员进行语音提示，并根据系 统配置可选择性上报信息；存储模块记录佩戴者的基本信息、定时传感器信息以及操作信 息。

所述嵌入式信息融合处理单元107采用控制处理芯片MSP430,所述嵌入式信息融 合处理单元的引脚5连接所述主动报警单元105,所述嵌入式信息融合处理单元107的引脚 13、引脚14和引脚15连接所述生物感知单元102,所述嵌入式信息融合处理单元107的引脚 13连接三极管Q1的集电极，所述三极管Q1的集电极还通过电阻R5连接电源，所述三极管Q1 的发射极接地，所述三极管Q1的基极通过电阻R3连接其中一个所述红外测距传感器，所述 嵌入式信息融合处理单元的引脚14连接三极管Q2的集电极，所述三极管Q2的集电极还通过 电阻R7连接电源，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极通过电阻R6连接另一 个所述红外测距传感器，所述嵌入式信息融合处理单元107的引脚15连接所述热释电红外 传感器；所述嵌入式信息融合处理单元107的引脚33、引脚34、引脚35和与引脚44分别连接 所述薄膜压力传感器和3个所述高精度电阻式应变片，所述嵌入式信息融合处理单元107的 引脚36、引脚37和引脚38连接所述射频鉴权单元101，所述嵌入式信息融合处理单元107的 引脚39、引脚40、引脚41、引脚42和引脚43分别连接所述三轴传感器的引脚6、引脚7、引脚 12、引脚23和引脚24，所述嵌入式信息融合处理单元107的引脚58、引脚59和引脚60连接所 述移动互联单元106。

判定安全帽是否正确佩戴的方法如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：射频鉴权单元101独立工作，启动后主动采集使用者信息，根据鉴权ID进行 鉴权操作，如鉴权通过，则根据系统信息、刷卡次数和时间数据进行系统状态判断，如判断 为上班状态，则开启整个装置，通知移动互联单元106并进入工作状态，否则装置处于待机 状态；如在判断为下班状态，则记录工作时间，完成数据存储备份，并发送给移动互联单元 106，然后整个装置进入待机状态。

步骤2：数据接口模块在装置进入工作状态后，开始实时采集各接口传感器信息， 具体地，先判断是否接收到了生物感知单元102的信息，并进一步判断信息内容，如检测到 使用者已经佩戴安全帽，则开始定时采样生物感知单元102中的红外测距信息，弹性位移单 元103中的压力传感器信息以及三维姿态单元104的角速度和加速度信息。

步骤3：信息解析模块对传递来的各种不同类型的接口信息进行解析处理，归一转 换成为统一格式的判别变量，并针对不同模块的在固定时间内，统计多次测量的结果并取 其平均值，并将结果传递给信息计算模块。

步骤4：信息计算模块收到归一化判别变量后，进行多维感知算法计算：a)首先两
个红外测距传感器对安全帽进行多次测试，利用公式，和
其中x_i为每次的测量值，d_i为测量值与平均值的偏差n为观测次数，
每个红外测距传感器的测量次数为n/2次，计算平均值和平均误差，可以得到两个红外测传
感器的测距平均值和平均误差δ_r；弹性位移模块中的两类压力传感器平均值和
平均误差δ_b1、δ_b2，两类压力传感器平均值平均值和平均误差的计算公式与红外测距传感器
的计算公式雷同，根据两类压力传感器的不同加权值根据公式
和计算出弹性位移模块的平均值和平
均误差δ_b；三维姿态模块的X、Y、Z三个方向角速度的平均值和平均误差δ_ωx、
δ_ωy、δ_ωz，同时根据X、Y、Z三个方向不同的加权值根据公式：
和可最终得到三维
姿态模块的平均值和平均误差δ_ω；b)各个模块通过测量值计算出平均误差，根据平均误
差是否在各个模块事先确定的误差范围中来判定安全帽是否正确佩戴，如果在误差范围
内，则认为正确，进入c)步进行下一步的计算，否则认为没有正确佩戴安全帽，c)当上述计
算得到各个模块的平均误差都在各自的误差范围内时，根据红外测距模块的权重值弹
性位移模块的权重值和三维姿态模块权重值从而计算出最终判断安全帽的状态平
均值和平均误差通过整体
分析计算安全帽的整体状态平均值和整体平均误差，判定安全帽是否正确佩戴，如果整体
平均误差超出事先设定的整体平均误差，则同样判定没有正确佩戴安全帽。

步骤5：一旦判断安全帽没有正确佩戴，安全帽中的语音模块就会发出声光动作， 提示佩戴人员要修正安全帽佩戴动作；同时嵌入式信息融合单元107将记录信息，在超过报 警阈值后进而将信息给移动互联单元106，移动互联单元106再传递报警信息给远程控制中 心。

步骤6：主动报警单元105独立工作，在紧急状况下或者佩戴者判断为需要上报告 警的其他场合，由佩戴者主动触发，嵌入式信息融合单元107触发定制信息上送，此优先级 设置为最高。

上述部分为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。凡是依据本 发明内容所做的等效变化与修饰，都应属于本发明的内容。