一種便攜式危險(xiǎn)區(qū)域安全監(jiān)測儀的研究與設(shè)計(jì)

朱理望，肖文輝，彭　理

( 湖南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 湘潭　411201)

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引用格式：朱理望，肖文輝，彭理.一種便攜式危險(xiǎn)區(qū)域安全監(jiān)測儀的研究與設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(1):70-76.

Citation format：ZHU Li-wang, XIAO Wen-hui, PENG Li.Research and Design of a Portable Safety Monitoring Equipment Used in Hazardous Area[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(1):70-76.

一種便攜式危險(xiǎn)區(qū)域安全監(jiān)測儀的研究與設(shè)計(jì)

朱理望，肖文輝，彭理

( 湖南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 湘潭411201)

摘要：針對礦業(yè)、化工和冶金等工業(yè)企業(yè)等特殊的工作環(huán)境，以保障員工人身安全為目的，除了將環(huán)境參數(shù)作為監(jiān)測因素，也把身體姿態(tài)的實(shí)時(shí)狀況選定為檢測對象，采用氣體濃度傳感器和三軸加速度傳感器，提出了一種便攜式可穿戴的危險(xiǎn)區(qū)域安全監(jiān)測器的系統(tǒng)架構(gòu)，并完成了該監(jiān)測器軟硬件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對工作區(qū)域內(nèi)有害氣體的監(jiān)測和人員跌倒的檢測與報(bào)警功能。最后，通過模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該監(jiān)測器整體技術(shù)方案的可行性和主要功能。

關(guān)鍵詞：人身安全；傳感器；環(huán)境監(jiān)測；跌倒檢測；危險(xiǎn)區(qū)域

如何有效地保障員工的人身安全一直是工礦企業(yè)安全生產(chǎn)的首要問題。在煤炭企業(yè)、化學(xué)化工和冶金冶煉等有關(guān)行業(yè)的作業(yè)場所，必須對隨時(shí)可能因各種原因而泄露的如瓦斯、甲醛、二氧化硫等易燃、有毒、有害氣體等關(guān)鍵環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。為了提高作為決策依據(jù)的總體監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，有效地避免和減少事故的發(fā)生，根據(jù)信息融合的原理，應(yīng)當(dāng)針對不同對象和不同觀測域，配置各自獨(dú)立的傳感器對各類信息進(jìn)行檢測，包括適時(shí)引入身體姿態(tài)的監(jiān)測技術(shù)，將員工身體的有關(guān)狀況作為檢測對象，然后對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，進(jìn)而在第一時(shí)間采取有效的應(yīng)對措施，最大限度地防止事故的發(fā)生[1]；實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場作業(yè)人員身體的有關(guān)狀態(tài)也可使已經(jīng)處于危險(xiǎn)境地、或者因突發(fā)事件而喪失行動(dòng)能力甚至主觀意識(shí)的人員及時(shí)獲得救助。

1總體研究與架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1相關(guān)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，安全監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，各種技術(shù)裝備和器材為保障各個(gè)行業(yè)的安全生產(chǎn)正在發(fā)揮越來越大的作用；不過大多數(shù)在用的監(jiān)控設(shè)備主要監(jiān)測的是環(huán)境因素，然而隨著科技的發(fā)展，各類傳感器的技術(shù)水平已達(dá)到了前所未有的高度，無論是采集環(huán)境數(shù)據(jù)還是人的生理數(shù)據(jù)都將越來越便捷和精確。多傳感器信息融合已成為了目前研究熱點(diǎn)和未來的發(fā)展趨勢[2]。

因此，把人體姿態(tài)也作為觀測對象，針對存在潛在危險(xiǎn)的區(qū)域，將環(huán)境因素的監(jiān)測和身體實(shí)時(shí)狀況的檢測相結(jié)合，研制出一種輕型的集檢測與報(bào)警功能為一體的便攜式電子裝備，及時(shí)獲取工作區(qū)域和工作人員的綜合情況，并對險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，無疑將會(huì)對以保障人身安全為中心的安全生產(chǎn)發(fā)揮積極作用，也可使處于危險(xiǎn)環(huán)境的工作人員及時(shí)得到救助。

對人體姿態(tài)的監(jiān)測，目前主要是檢測跌倒?fàn)顟B(tài)還是非跌倒?fàn)顟B(tài)。隨著國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，跌倒檢測技術(shù)已越來越成熟，逐漸達(dá)到了實(shí)用化的水平，這些技術(shù)大致可分為以下3類[3]：

1)基于視頻監(jiān)測、圖像處理及模式識(shí)別的方法，該方法需要在特定區(qū)域安裝視頻監(jiān)視器，通過人體非常態(tài)位置姿勢的持續(xù)時(shí)間來判斷跌倒。

2)基于振動(dòng)聲頻信號(hào)分析的方法，由分析沖擊地面導(dǎo)致振動(dòng)的頻率來判斷跌倒事件，安裝比較復(fù)雜，并且對于不同的材質(zhì)地板和接觸地面，跌倒時(shí)產(chǎn)生的音頻信號(hào)相差較大，通用性差。

3)基于人體姿態(tài)和動(dòng)作識(shí)別的方法，一般由分析攜帶者三軸方向的加速度變化來獲知。

第3種方法克服了視頻分析和聲頻分析需要限定在特定范圍內(nèi)的問題，特別適用于構(gòu)造成可穿戴式的跌倒監(jiān)測裝備。該類裝備可方便地系在或者佩戴在被檢測者的身上，跟隨攜帶者去存在危險(xiǎn)因素的各種環(huán)境，而且不會(huì)對正常工作和生活造成影響。當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)的信息數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，通過相應(yīng)的算法可以判斷出被觀測者是否發(fā)生了跌倒現(xiàn)象[4]。

1.2安全監(jiān)測器的總體架構(gòu)

便于隨身攜帶的安全監(jiān)測器，在不同環(huán)境中連續(xù)長時(shí)間工作，除了要實(shí)現(xiàn)技術(shù)功能，同時(shí)在降低功耗、減少體積與質(zhì)量，以及價(jià)格因素等方面都有特定要求[5]。因此，本文監(jiān)測器將直接監(jiān)測的對象設(shè)定為2個(gè)：首要的環(huán)境因素和人體的實(shí)時(shí)姿態(tài)，當(dāng)然也應(yīng)能接收和轉(zhuǎn)發(fā)對其它對象進(jìn)行監(jiān)測的智能傳感器所發(fā)出的信息，以便進(jìn)一步擴(kuò)展其監(jiān)測領(lǐng)域。安全監(jiān)測器以微處理器(MPU)為核心，負(fù)責(zé)接受各傳感器獲取的信息，并在進(jìn)行分析處理后通過通信接口上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)與報(bào)警信息，總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖1所示。

對于煤礦礦井場所，監(jiān)測儀向位于礦井井下的監(jiān)測分站上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)與報(bào)警信息。對于化工和冶金等行業(yè)的作業(yè)區(qū)域，監(jiān)測儀則與監(jiān)測主機(jī)或服務(wù)器進(jìn)行通信和信息交互。

圖1　安全監(jiān)測器的總體架構(gòu)

2監(jiān)測器硬件的設(shè)計(jì)

2.1關(guān)鍵部件的選用

1) 環(huán)境因素傳感器

將監(jiān)測場所選定為煤礦礦井，最關(guān)鍵的環(huán)境因素當(dāng)屬瓦斯氣體，因此將瓦斯?jié)舛茸鳛槭滓蛩剡M(jìn)行監(jiān)測。瓦斯的主要成分是甲烷(CH4)和其他烴類，其濃度傳感器可選用催化燃燒探頭，它的功耗低、體積小、本質(zhì)安全性高，穩(wěn)定性和抗中毒性等更適合在惡劣環(huán)境下使用[6]。一種催化燃燒式氣敏傳感器元件的外觀如圖2所示。

圖2　氣敏傳感器MJC4/2.8J的外觀圖

該傳感器由敏感元件Ra和其他幾個(gè)電阻構(gòu)成的電橋電路組成，如圖3所示。在無瓦斯的新鮮空氣中Ra=Rb；當(dāng)遇到瓦斯氣體時(shí)，利用元件Ra對瓦斯的催化作用，使瓦斯在元件表面上發(fā)生無焰燃燒，元件Ra的溫度隨之上升，從而使敏感元件Ra的鉑絲電阻值增加，通過電橋電路測量其電阻值變化量的大小即可獲知相應(yīng)的瓦斯?jié)舛取?/p>

2) 加速度傳感器

加速度傳感器是能對物體運(yùn)動(dòng)過程中的加速度進(jìn)行測量的電子器件，飛思卡爾(Freescale)公司生產(chǎn)的微型電容式三軸加速度傳感器MMA7361芯片，可應(yīng)用于汽車防盜報(bào)警、遙控航模、人形機(jī)器人跌倒檢測、硬盤碰撞沖擊保護(hù)等諸多場合。MMA7361采用信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，既可采用5V也可采用3.3V供電，是可由電池供電進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的理想器件。

圖3　瓦斯?jié)舛葯z測電橋電路

用MMA7361L集成電路(U1)和濾波阻容器件(R、C)、以及電源穩(wěn)壓塊(U2)，就可構(gòu)成加速度傳感器模塊，模塊布局和引腳排列如圖4 所示，其中X，Y，Z端子分別為傳感器所在的三維立體空間X，Y，Z軸3個(gè)方向加速度數(shù)據(jù)的電壓值輸出端。

圖4　MMA7361L加速度傳感器模塊的布局圖

3) 微處理器(MPU)

微處理器是整個(gè)監(jiān)測裝備的控制核心，STC公司生產(chǎn)的STC12C5A60單時(shí)鐘、低功耗、強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，采用單時(shí)鐘周期因而執(zhí)行速度快，片內(nèi)集成了8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器、16K Flash程序存儲(chǔ)器、1 280字節(jié)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2套UART串口等單元電路，是一個(gè)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需所有模塊的片上系統(tǒng)(SOC)，可滿足作為安全監(jiān)測器之控制器的技術(shù)要求。

2.2硬件電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)安全監(jiān)測器的總體架構(gòu)，監(jiān)測器的硬件系統(tǒng)應(yīng)包含微處理器、測量傳感器、無線通信接口、輸入/輸出裝置等主要電路單元。按照以上所選關(guān)鍵部件的引腳信號(hào)定義，以微處理器為核心，結(jié)合各電路單元所要實(shí)現(xiàn)的功能。硬件電路的設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　安全監(jiān)測器的硬件電路

其中，無線通信模塊采用APC220-43微功率無線數(shù)傳模塊，它嵌入了高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，抗干擾性強(qiáng)，靈敏度高，可用于無線傳感器、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、工業(yè)遙控與遙測等諸多領(lǐng)域。

3軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1跌倒檢測算法的設(shè)計(jì)

首先，以人體重心為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，所攜帶的加速度傳感器三軸方向與人體的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖6　加速度傳感器三軸方向與人體的對應(yīng)關(guān)系

人體跌倒時(shí)傳感器所受的沖擊要比人們的日常生活活動(dòng)(ADL)明顯，該沖擊力可用X，Y，Z這3軸的合加速度即三維加速度的矢量和來表征[3]。在人體處于非運(yùn)動(dòng)的狀況下，所攜帶的加速度傳感器的三維矢量和SVM一般在1 g左右。在跌倒的過程中人體將首先經(jīng)歷一個(gè)失重的階段，合加速度迅速下降；然后人體倒向地面，加速度值急劇變化；通常跌倒后無法立即站立，人體會(huì)在短時(shí)間內(nèi)保持相對靜止。實(shí)驗(yàn)表明：對于大部分非劇烈運(yùn)動(dòng)，SVM值低于3.8 g，超過此閾值則可能發(fā)生跌倒[7]。由于一些劇烈的運(yùn)動(dòng)(如跳躍等)與跌倒的合加速度特性差別并不是很大，因此，在檢測閾值是否達(dá)到之前增加判斷人體合加速度是否出現(xiàn)過小于1 g的情況，在閾值超過之后增加判斷人體在較短的時(shí)間后是否處于相對靜止，這樣構(gòu)成三重判決則可顯著地提高判斷的準(zhǔn)確性。跌倒檢測算法的程序流程如圖7所示。

無論人體處于何種姿態(tài)，只要是靜止的那么三維加速度矢量和SVM就為1 g左右。連續(xù)檢測X，Y，Z這3軸合加速度記為SVM。當(dāng)SVM<0.5g時(shí)，說明人體已處于失重的狀態(tài)，繼續(xù)測量SVM，如果在1 s 時(shí)限內(nèi)沒檢測到SVM>3.8 g的情況，則說明這個(gè)過程不是跌倒；否則，說明人體可能會(huì)跌倒，延時(shí)2 s再檢測，如果0.8 g

圖7　跌倒檢測算法的程序流程

3.2主要軟件程序的設(shè)計(jì)

1) 主程序

監(jiān)測器的軟件系統(tǒng)就是在微處理器STC12C5A60單片機(jī)上運(yùn)行的所有程序，包括主程序、函數(shù)的實(shí)現(xiàn)程序和中斷的服務(wù)程序等。主程序主要負(fù)責(zé)監(jiān)測器硬件和輸入/輸出設(shè)備的總體控制、任務(wù)處理流程的實(shí)現(xiàn)，以及功能函數(shù)的調(diào)用。首先，監(jiān)測器的MPU在復(fù)位后要對MPU輸入/輸出端口、硬件電路和軟件程序中的變量進(jìn)行初始化。由于監(jiān)測器要完成環(huán)境監(jiān)測和人員跌倒檢測，因此，主程序應(yīng)至少包含這2項(xiàng)主要任務(wù)的處理。按照程序執(zhí)行時(shí)間短和占用存儲(chǔ)空間省等基本原則，重復(fù)性的功能和有關(guān)算法可由函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)。主程序的處理流程如圖8所示。

為了避免不必要的救援行動(dòng)，當(dāng)現(xiàn)場工作人員跌倒后10 s內(nèi)恢復(fù)了行動(dòng)能力時(shí)認(rèn)為無需求救，或者在監(jiān)測器由于某種原因發(fā)生了誤報(bào)的情況下，可按清除鍵，取消該次跌倒報(bào)警。

圖8　主程序的處理流程

2) A/D采樣函數(shù)

A/D采樣函數(shù)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測傳感器和人體加速度傳感器信號(hào)的采樣，并將由電壓幅度表示的信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)換為可由運(yùn)算器識(shí)別的數(shù)字量(A/D轉(zhuǎn)換)，然后進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算和處理。由于信號(hào)受到外部脈沖干擾會(huì)產(chǎn)生失真現(xiàn)象，所以對信號(hào)采樣還必須進(jìn)行軟件濾波處理。本文采用去極值平均濾波法，即連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，從而有效地消除了由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差[8]。A/D采樣函數(shù)的程序處理流程如圖9所示。

3) 定時(shí)器中斷處理服務(wù)程序

監(jiān)測器軟件系統(tǒng)啟用2個(gè)定時(shí)器：1#號(hào)定時(shí)器用于進(jìn)行周期性無線通信的處理，由主程序初始化時(shí)啟動(dòng)；2#號(hào)定時(shí)器用于實(shí)現(xiàn)跌倒檢測算法程序中的時(shí)限處理(1 s,2 s,10 s)，由檢測算法程序中的各個(gè)階段臨時(shí)啟動(dòng)。

圖9　A/D采樣函數(shù)的程序處理流程

為了保證監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，監(jiān)測器將周期性地向監(jiān)測主機(jī)(或服務(wù)器)上傳環(huán)境&人員姿態(tài)檢測的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。當(dāng)1#號(hào)定時(shí)器產(chǎn)生中斷請求信號(hào)時(shí)，微處理器將進(jìn)入1#號(hào)定時(shí)器中斷服務(wù)程序，判斷累加次數(shù)，如果到達(dá)了3 s的周期，最近一輪的采樣結(jié)果和報(bào)警標(biāo)志將傳送到接口輸出緩沖區(qū)，同時(shí)啟動(dòng)無線通信數(shù)據(jù)傳輸。1#號(hào)定時(shí)器的中斷服務(wù)程序的處理流程如圖10 所示。

4監(jiān)測器的測試與驗(yàn)證

設(shè)計(jì)開發(fā)完成的安全監(jiān)測器的實(shí)物照片如圖11所示。為了驗(yàn)證監(jiān)測器整體技術(shù)方案的可行性和主要功能，在實(shí)驗(yàn)室用石油液化氣體(替代瓦斯氣體)、口罩、運(yùn)行監(jiān)控軟件的電腦等設(shè)備和材料，對監(jiān)測器進(jìn)行了相關(guān)的模擬驗(yàn)證。

圖10　定時(shí)器中斷服務(wù)程序的處理流程

圖11　安全監(jiān)測器的實(shí)物照片

1) 帶上口罩，對準(zhǔn)監(jiān)測器釋放液化氣體。幾秒鐘之后，收到監(jiān)測器發(fā)來的濃度超限報(bào)警信息，最近一輪的氣體濃度和人員加速度的檢測結(jié)果以及濃度超限的報(bào)警信息顯示如圖12所示。

圖12　氣體濃度超限但無跌倒發(fā)生時(shí)的監(jiān)測情況

2) 停止釋放液化氣。手持監(jiān)測器運(yùn)動(dòng)以模擬人員跌倒，然后靜止不動(dòng)，大約十幾秒之后，收到監(jiān)測器發(fā)來的跌倒報(bào)警信息。跌倒報(bào)警信息與最近一輪的檢測結(jié)果顯示如圖13 所示。

圖13　氣體濃度末超限但有跌倒發(fā)生時(shí)的監(jiān)測情況

5結(jié)束語

本文針對煤炭企業(yè)、化工和冶金等有關(guān)行業(yè)的工作區(qū)域存在易燃或有毒、有害氣體泄漏危險(xiǎn)的情況，提出了一種集環(huán)境監(jiān)測和人員跌倒檢測為一體的便攜式監(jiān)測器的總體技術(shù)方案和系統(tǒng)架構(gòu)，完成了監(jiān)測器軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并在實(shí)驗(yàn)室模擬工作環(huán)境，測試、驗(yàn)證了監(jiān)測器整體技術(shù)方案的可行性和主要監(jiān)測、報(bào)警功能。

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(責(zé)任編輯何杰玲)

Research and Design of a Portable Safety Monitoring

Equipment Used in Hazardous Area

ZHU Li-wang, XIAO Wen-hui, PENG Li

(School of Computer Science and Engineering, Hunan University of Science

and Technology, Xiangtan 411201, China)

Abstract:In view of the special working environments for mining, chemical industry, metallurgy and other industry enterprises, in order to guarantee the personal safety of the employees, the real-time status of human body posture was selected as the detection object in addition to taking the environmental parameters as the factor of the monitoring. And adopting gas concentration sensor and tri-axis accelerometer sensor, this paper proposed the system architecture of a portable and wearable safety monitoring equipment used in hazardous area. Then it completed the design and development of the HW&SW of the monitoring apparatus and realized the monitoring of harmful gases and falling detection of staff as well as alarming function in the working area. Finally, through simulation experiment, the feasible of the overall technical scheme and the main functions of this equipment were validated.

Key words：personal safety; sensor; environment-monitoring; falling-detection; hazardous area

文章編號(hào)：1674-8425(2016)01-0070-07

中圖分類號(hào)：TM872

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.01.012

作者簡介：朱理望(1963—)，男，碩士，高級工程師，主要從事計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的研究。

基金項(xiàng)目：湖南省科學(xué)技術(shù)廳科技計(jì)劃一般項(xiàng)目(2013FJ4046)

收稿日期：2015-09-12