基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統，包括焊接人員安全帽、集成有單片機內核的Zgibee片上系統、光敏傳感器及接口電路、反射式紅外光電傳感器及接口電路、三軸加速度傳感器、反射片、第一遮光板、第二遮光板護目鏡、手持式面罩、Zigbee模塊。本發明結構合理，能及時準確判斷從業人員是否使用焊手持面罩或護目鏡、是否佩戴安全帽、是否跌倒。
【專利說明】基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及涉及一種監測系統，是一種基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統。
【背景技術】
[0002]船舶修造行業屬于勞動力和技術密集型行業，在船體建造中，焊接工時約占船體建造總工時的30%?40%，焊接成本占船體建造總成本的30%?50%。船舶焊接工作量很大，萬噸級油船對接焊縫在20KM左右；十萬噸級油船，對接焊縫在50KM左右；此外，萬噸級集裝箱船、散裝貨船、汽車運輸船等大型船舶，對接焊縫在長達30KM左右。
[0003]我國船舶修造焊接多以人工焊接為主，2012年北京大學等機構學者(徐巖，宮曼漫，王姣等.電焊紫外輻射對工人危害及防護措施現況調查[J].北京大學學報(醫學版)，2012，44 (3):448-453)就電焊紫外輻射對作業人員的危害進行了調研。究共獲得有效問卷828份，其中電焊工721人，輔工107人。面部皮膚損傷的癥狀及體征發生率從高到低依次是灼熱刺痛(48.7%)、皮膚癢(39%)、色素沉著(31.9%)、皮膚潮紅(25.4%)、感覺遲鈍麻木(12%)、斑疹丘疹(10.1%)、疣狀贅生物(3.7%)。被調查的工人中，90%的人在過去一年內發生過電光性眼炎，眼部損傷的癥狀按發生率從高到低依次是眼部疼痛(61.5%)、畏光流淚(61.4%)、視物模糊(50.2%)、燒灼感(35.9%、異物感(32%)、眼睛抽搐(12.2%)。對438名工人眼部體檢發現晶狀體混濁的發生率為15.8%，眼底病變的發生率為2.5%。
[0004]焊接弧光引發的焊工電光性眼炎被列為是塵肺病之外的第二大職業病，不佩戴防護面罩的危險度是佩戴防護面罩的1.8倍，且在在多人同時進行焊接作業的場合，不從事焊接作業的人員，同樣容易受到周邊弧光輻射的傷害。在船舶修造企業頻繁出現焊接時不帶護目鏡或焊接面罩的行為，弧光、飛濺引起視覺損傷，皮膚組織傷害甚至皮膚癌，嚴重影響了身體健康及工作效率。對于這種違反焊接作業安全管理規范、防護意識淡泊的行為必須進行有效監測和管理，杜絕由此引起的健康傷害。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種結構合理，及時準確判斷從業人員是否使用焊手持面罩或護目鏡、是否佩戴安全帽、是否跌倒的基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統。
[0006]本發明的技術解決方案是:
一種基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統，其特征是:包括焊接人員安全帽、集成有單片機內核的Zgibee片上系統、光敏傳感器及接口電路、反射式紅外光電傳感器及接口電路、三軸加速度傳感器、反射片、第一遮光板、第二遮光板護目鏡、手持式面罩、Zigbee模塊；其中集成有單片機內核的Zigbee片上系統、光敏傳感器及接口電路、反射式紅外光電傳感器及接口電路、第一遮光板、三軸加速度傳感器均安裝在焊接人員安全帽上；集成有單片機內核Zigbee片上系統、光敏傳感器接口電路、反射式紅外光電傳感器接口電路、三軸加速度傳感器均安裝在焊接人員安全帽內；光敏傳感器、反射式紅外光電傳感器、第一遮光板固定安裝在焊接人員安全帽外表面；當焊接人員戴上安全帽后，光敏傳感器應位于正前方，能夠感測焊接人員前方的外界光強；當焊接人員戴上安全帽、戴上護目鏡后，反射式紅外光電傳感器位于正前方，發射管指向護目鏡；第一遮光板固定安裝在反射式紅外光電傳感器前方，長度長于反射式紅外光電傳感器，確保焊接人員前方的光源不會干擾紅外光電傳感器；如焊接人員佩戴護目鏡作為防護用具，護目鏡上表面與紅外光電傳感器相對處，貼上反射片，第二遮光板固定安裝在反射片前方，確保焊接人員前方的光源不會經反射片反射到紅外光電傳感器；在艙室門口放置有Zigbee通訊模塊，負責將安全帽中Zigbee片上系統傳遞的信息，通過無線網絡輸出至監控室。
[0007]Zigbee片上系統采用CC2530型號的芯片，內含有51內核的單片機。
[0008]焊接開始及安全帽佩戴檢測過程:
Zigbee片上系統內的單片機收到光敏傳感器信號，確認焊接開始。單片機確認焊接開始后，首檢測焊接人員是否佩戴安全帽。確認方法如下:每個焊接人員佩戴固定的安全帽，單片機中固化有該人員的身份信息；，且該安全帽內部有三軸加速度傳感器；如果該人員沒有戴安全帽，則安全帽位置信息、姿態信息不會改變；如果該人員佩戴了安全帽，則作業中，人體頭部的姿態變化會引起傳感器有信息輸出，由于采用三軸加速度傳感器，頭部抖動會引起傳感器輸出；由于焊接作業人員不可能完全靜止，因此當人員佩戴上安全帽后，三軸加速度傳感器輸出的信息是不斷變化的；因此可采用單片機實時采集三軸加速度傳感器信號，如果發現一段時間內三軸加速度傳感器三通道信息均未變化，則可認為對應的焊接人員未佩戴安全帽；
單片機在確認焊接開始后，采集三軸加速度傳感器信息；三軸加速度傳感器可輸X、Y、Z三路模擬量或者數字量信號，如輸出模擬量信號，則送入芯片自帶的A/D 口，如輸出數字量信號可直接連接至單片機；單片機每隔一段時間采集一次三軸加速傳感器三通道數據。單片機通過軟件設置計數器，計算單片機采集三軸加速度傳感器數據的次數，如果達到設定次數三路數據均未改變，則可認為對應的焊接人員未佩戴安全帽；單片機通過zigbee網絡發出該人員身份信息、表征該人員未佩戴安全帽的字符信息，進行遠程報警，并由監控室進行記錄和管理；如果發現三軸加速度傳感器任意一通道數據變化率超過人工設定的閾值，則可判定人員可能摔倒，則同樣通過zigbee進行報警、記錄和管理；
此在每個艙室出入口，安裝了 Zigbee通訊模塊，作為中繼節點，安全帽中的Zigbee片上系統的單片機將報警信息傳輸給艙室出入口的Zigbee通訊模塊，由該通訊模塊將信號逐層上傳，直至總監控室。
[0009]手持面罩或護目鏡檢測過程:
在焊接中，焊工采用手持面罩或者佩戴護目鏡來進行弧光防護；
在確認焊接人員佩戴了安全帽后，單片機軟件延時，單片機軟件延時后，再讀取光敏傳感器信息，如果光敏傳感器不再感受到弧光，則說明焊接人員已經拿起來面罩，阻擋了孤光傳輸到光敏傳感器；
如果單片機延時后，光敏傳感器任能夠感受弧光，可能存在兩種情況:一是焊接人員沒有用手持式面罩，但是使用了護目鏡；二是焊接人員既沒有使用手持面罩，也沒有使用護目鏡；因此下一步，進行護目鏡檢測；安全帽上安裝的反射式紅外光電傳感器發射管指向焊接人員鼻梁處，在鼻梁上方的護目鏡表面，貼上反射片，如果焊接人員佩戴了護目鏡，則反射式紅外電傳感器接收管能夠接收到反射的紅外光；如果焊接人員未佩戴護目鏡，則反射式紅外光電傳感器接收管接收不到足夠的光強；為了避免弧光干擾，在反射式紅外光電傳感器、反射片處，均固定安裝擋光板；單片機通過調制方式驅動反射式紅外光電傳感器發射管；，紅外接收管經過接口電路連接到單片機，單片機通過軟件檢測頻率為f的反射信號，從而增加了系統抗干擾能力；
當單片機持續檢測到光敏傳感器響應，卻沒有檢測到反射式紅外傳感器響應，則可判定焊接人員既為使用手持面罩，也未使用護目鏡，則安全帽中的Zigbee片上系統的單片機將焊接人員身份；、報警信息傳輸給艙室出入口的Zigbee通訊模塊，由該通訊模塊將信號逐層上傳，直至總監控室，實現記錄和管理。
[0010]本發明針對手持面罩、護目鏡兩種焊接保護用品，采用了新型監測系統，通過多傳感器綜合檢測，判斷從業人員是否使用焊手持面罩或護目鏡、是否佩戴安全帽、是否跌倒，如發現焊接人員未按規定使用焊手持面罩或護目鏡、未佩戴安全帽，則將該人員對應的身份代碼(如工號)及違規作業信息發送至監控室，進行報警，并供安全監測人員記錄和管理。
[0011]本發明所述的基于多傳感器信息融合的船舶修造焊接人員遠程安全監測報警系統的有益效果主要表現在:
通用性強。針對船舶修造焊接中最常用的安全帽、手持式面罩、護目鏡使用進行監測，可有效監測焊接人員作業時，不戴安全帽、不使用焊接面罩或者不佩戴護目鏡的違規操作現象。且能夠監測焊接人員跌倒狀態。
[0012]成本低、功能強。采用廉價的光電傳感器。采用Zigbee組網方式，實現信息遠傳。采用帶有單片機內核的Zigbee片上系統實現信息處理。具有高性價比。
[0013]智能化能度高。采用紅外光電傳感器、光敏傳感器、三軸加速度傳感器多傳感器進行檢測，通過對多傳感器信息的綜合分析，得到焊接人員焊接過程中安全防護用具佩戴情況。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0015]圖1是本發明所述的船舶修造焊接人員遠程安全監測報警系統框圖；
圖2是本發明所述的船舶修造焊接人員遠程安全監測報警系統程序流程圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0017]一種基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統，它主要由以下幾部分組成(參照圖1):焊接人員安全帽UZgibee片上系統(集成有單片機內核)2、光敏傳感器3及接口電路4、反射式紅外光電傳感器5及接口電路6、三軸加速度傳感器7、反射片8、第一遮光板9、第二遮光板10、護目鏡11、手持式面罩12、Zigbee模塊13。Zigbee片上系統(集成有單片機內核)、光敏傳感器及接口電路、反射式紅外光電傳感器及接口電路、遮光板1、三軸加速度傳感器均安裝在焊接人員安全帽上。其中Zigbee片上系統(集成有單片機內核)、光敏傳感器接口電路、反射式紅外光電傳感器接口電路、三軸加速度傳感器均安裝在焊接人員安全帽內。光敏傳感器、反射式紅外光電傳感器、遮光板I固定安裝在焊接人員安全帽外。當焊接人員戴上安全帽后，光敏傳感器應位于正前方，能夠感測焊接人員前方的外界光強。當焊接人員戴上安全帽、戴上護目鏡后，反射式紅外光電傳感器位于正前方，發射管指向護目鏡。第一遮光板固定安裝在反射式紅外光電傳感器前方，長度應長于反射式紅外光電傳感器，確保焊接人員前方的光源不會干擾紅外光電傳感器。如焊接人員佩戴護目鏡作為防護用具，護目鏡上表面與紅外光電傳感器相對處，貼上反射片，第二遮光板固定安裝在反射片前方，確保焊接人員前方的光源不會經反射片反射到紅外光電傳感器。由于船艙多為金屬結構的封閉空間，為克服信號屏蔽，使信息遠傳，在艙室門口放置有Zigbee通訊模塊，負責將安全帽中Zigbee片上系統傳遞的信息，通過無線網絡輸出至監控室。
[0018]Zigbee片上系統(集成有單片機內核)、光敏傳感器接口電路、反射式紅外光電傳感器接口電路、三軸加速度傳感器均安裝在焊接人員安全帽內，具體安裝位置位于人員頭頂與安全帽頂部外殼空隙處。焊接人員戴上安全帽后，需保證光敏傳感器位于正前方，且能感測外界光強。反射式紅外光電傳感器也位于正前方，發射的紅外光指向焊接人員鼻梁處。
[0019]當焊接開始后，光敏傳感器感測到強烈的弧光，接口電路產生信號變化，并輸入至Zigbee片上系統的內核單片機，Zigbee片上系統可采用CC2530等型號的芯片，內含有51內核的單片機。
[0020]焊接開始及安全帽佩戴檢測:
Zigbee片上系統內的單片機(以下簡稱單片機)收到光敏傳感器信號，確認焊接開始。單片機確認焊接開始后，首檢測焊接人員是否佩戴安全帽。確認方法如下:每個焊接人員佩戴固定的安全帽，單片機中固化有該人員的身份信息(如工號)，且該安全帽內部有三軸加速度傳感器。如果該人員沒有戴安全帽，則安全帽位置信息、姿態信息不會改變。如果該人員佩戴了安全帽，則作業中，人體頭部的姿態變化會引起傳感器有信息輸出，由于選用高靈敏度的三軸加速度傳感器，即使很輕微的頭部抖動都會引起傳感器輸出。由于焊接作業人員不可能完全靜止，因此當人員佩戴上安全帽后，三軸加速度傳感器輸出的信息是不斷變化的。因此可采用單片機實時采集三軸加速度傳感器信號，如果發現一段時間內三軸加速度傳感器三通道信息均未變化，則可認為對應的焊接人員未佩戴安全帽。
[0021]單片機在確認焊接開始后，采集三軸加速度傳感器信息。三軸加速度傳感器可輸X、Y、Z三路模擬量或者數字量信號，如輸出模擬量信號，則送入CC2530自帶的A/D 口，如輸出數字量信號可直接連接至單片機。單片機每隔一段時間(時間間隔為毫秒級)，采集一次三軸加速傳感器三通道數據。單片機通過軟件設置計數器，計算單片機采集三軸加速度傳感器數據的次數，如果達到設定次數(如10次)三路數據均未改變，則可認為對應的焊接人員未佩戴安全帽。單片機通過zigbee網絡發出該人員身份信息、表征該人員未佩戴安全帽的字符信息，進行遠程報警，并由監控室進行記錄和管理。如果發現三軸加速度傳感器任意一通道數據變化率超過人工設定的閾值，則可判定人員可能摔倒，則同樣通過zigbee進行報警、記錄和管理，此方法可以監測焊接人員觸電等意外情況，為搶救爭取時間。
[0022]由于船艙為多為金屬結構，對信號具有較強的屏蔽作用。因此在每個艙室出入口，安裝了 Zigbee通訊模塊，作為中繼節點，安全帽中的Zigbee片上系統的單片機將報警信息傳輸給艙室出入口的Zigbee通訊模塊，由該通訊模塊將信號逐層上傳，直至總監控室。
[0023]手持面罩或護目鏡檢測: 在焊接中，焊工普遍采用手持面罩或者佩戴護目鏡來進行弧光防護。
[0024]在確認焊接人員佩戴了安全帽后，單片機軟件延時(焊接人員在引弧后，抓起面罩需要較短時間)。單片機軟件延時后，再讀取光敏傳感器信息，如果光敏傳感器不再感受到弧光，則說明焊接人員已經拿起來面罩，阻擋了孤光傳輸到光敏傳感器。
[0025]如果單片機延時后，光敏傳感器任能夠感受弧光，可能存在兩種情況:一是焊接人員沒有用手持式面罩，但是使用了護目鏡。二是焊接人員既沒有使用手持面罩，也沒有使用護目鏡。因此下一步，將進行護目鏡檢測。安全帽上安裝的反射式紅外光電傳感器發射管指向焊接人員鼻梁處。在鼻梁上方的護目鏡表面，貼上反射片，如果焊接人員佩戴了護目鏡，則反射式紅外電傳感器接收管能夠接收到反射的紅外光。如果焊接人員未佩戴護目鏡，則反射式紅外光電傳感器接收管接收不到足夠的光強。為了避免弧光干擾，在反射式紅外光電傳感器、反射片處，均固定安裝擋光板。單片機通過調制方式驅動反射式紅外光電傳感器發射管(設調制頻率為f)，紅外接收管經過接口電路連接到單片機，單片機通過軟件檢測頻率為f的反射信號，從而增加了系統抗干擾能力。
[0026]當單片機持續檢測到光敏傳感器響應，卻沒有檢測到反射式紅外傳感器響應，則可判定焊接人員既為使用手持面罩，也未使用護目鏡，則安全帽中的Zigbee片上系統的單片機將焊接人員身份(工號)、報警信息傳輸給艙室出入口的Zigbee通訊模塊，由該通訊模塊將信號逐層上傳，直至總監控室，實現記錄和管理。
【權利要求】
1.一種基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統，其特征是:包括焊接人員安全帽、集成有單片機內核的Zgibee片上系統、光敏傳感器及接口電路、反射式紅外光電傳感器及接口電路、三軸加速度傳感器、反射片、第一遮光板、第二遮光板護目鏡、手持式面罩、Zigbee模塊；其中集成有單片機內核的Zigbee片上系統、光敏傳感器及接口電路、反射式紅外光電傳感器及接口電路、第一遮光板、三軸加速度傳感器均安裝在焊接人員安全帽上；集成有單片機內核Zigbee片上系統、光敏傳感器接口電路、反射式紅外光電傳感器接口電路、三軸加速度傳感器均安裝在焊接人員安全帽內；光敏傳感器、反射式紅外光電傳感器、第一遮光板固定安裝在焊接人員安全帽外表面；當焊接人員戴上安全帽后，光敏傳感器應位于正前方，能夠感測焊接人員前方的外界光強；當焊接人員戴上安全帽、戴上護目鏡后，反射式紅外光電傳感器位于正前方，發射管指向護目鏡；第一遮光板固定安裝在反射式紅外光電傳感器前方，長度長于反射式紅外光電傳感器，確保焊接人員前方的光源不會干擾紅外光電傳感器；如焊接人員佩戴護目鏡作為防護用具，護目鏡上表面與紅外光電傳感器相對處，貼上反射片，第二遮光板固定安裝在反射片前方，確保焊接人員前方的光源不會經反射片反射到紅外光電傳感器；在艙室門口放置有Zigbee通訊模塊，負責將安全帽中Zigbee片上系統傳遞的信息，通過無線網絡輸出至監控室。
2.根據權利要求1所述的基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統，其特征是=Zigbee片上系統采用CC2530型號的芯片，內含有51內核的單片機。
3.根據權利要求1或2所述的基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統，其特征是:焊接開始及安全帽佩戴檢測過程: Zigbee片上系統內的單片機收到光敏傳感器信號，確認焊接開始。單片機確認焊接開始后，首檢測焊接人員是否佩戴安全帽。確認方法如下:每個焊接人員佩戴固定的安全帽，單片機中固化有該人員的身份信息；，且該安全帽內部有三軸加速度傳感器；如果該人員沒有戴安全帽，則安全帽位置信息、姿態信息不會改變；如果該人員佩戴了安全帽，則作業中，人體頭部的姿態變化會引起傳感器有信息輸出，由于采用三軸加速度傳感器，頭部抖動會引起傳感器輸出；由于焊接作業人員不可能完全靜止，因此當人員佩戴上安全帽后，三軸加速度傳感器輸出的信息是不斷變化的；因此可采用單片機實時采集三軸加速度傳感器信號，如果發現一段時間內三軸加速度傳感器三通道信息均未變化，則可認為對應的焊接人員未佩戴安全帽； 單片機在確認焊接開始后，采集三軸加速度傳感器信息；三軸加速度傳感器可輸X、Y、Z三路模擬量或者數字量信號，如輸出模擬量信號，則送入芯片自帶的A/D 口，如輸出數字量信號可直接連接至單片機；單片機每隔一段時間采集一次三軸加速傳感器三通道數據。單片機通過軟件設置計數器，計算單片機采集三軸加速度傳感器數據的次數，如果達到設定次數三路數據均未改變，則可認為對應的焊接人員未佩戴安全帽；單片機通過zigbee網絡發出該人員身份信息、表征該人員未佩戴安全帽的字符信息，進行遠程報警，并由監控室進行記錄和管理；如果發現三軸加速度傳感器任意一通道數據變化率超過人工設定的閾值，則可判定人員可能摔倒，則同樣通過zigbee進行報警、記錄和管理； 此在每個艙室出入口，安裝了 Zigbee通訊模塊，作為中繼節點，安全帽中的Zigbee片上系統的單片機將報警信息傳輸給艙室出入口的Zigbee通訊模塊，由該通訊模塊將信號逐層上傳，直至總監控室。
4.根據權利要求1或2所述的基于多傳感器信息融合的船舶焊接人員遠程監測報警系統，其特征是:手持面罩或護目鏡檢測過程: 在焊接中，焊工采用手持面罩或者佩戴護目鏡來進行弧光防護； 在確認焊接人員佩戴了安全帽后，單片機軟件延時，單片機軟件延時后，再讀取光敏傳感器信息，如果光敏傳感器不再感受到弧光，則說明焊接人員已經拿起來面罩，阻擋了孤光傳輸到光敏傳感器； 如果單片機延時后，光敏傳感器任能夠感受弧光，可能存在兩種情況:一是焊接人員沒有用手持式面罩，但是使用了護目鏡；二是焊接人員既沒有使用手持面罩，也沒有使用護目鏡；因此下一步，進行護目鏡檢測；安全帽上安裝的反射式紅外光電傳感器發射管指向焊接人員鼻梁處，在鼻梁上方的護目鏡表面，貼上反射片，如果焊接人員佩戴了護目鏡，則反射式紅外電傳感器接收管能夠接收到反射的紅外光；如果焊接人員未佩戴護目鏡，則反射式紅外光電傳感器接收管接收不到足夠的光強；為了避免弧光干擾，在反射式紅外光電傳感器、反射片處，均固定安裝擋光板；單片機通過調制方式驅動反射式紅外光電傳感器發射管；，紅外接收管經過接口電路連接到單片機，單片機通過軟件檢測頻率為f的反射信號，從而增加了系統抗干擾能力； 當單片機持續檢測到光敏傳感器響應，卻沒有檢測到反射式紅外傳感器響應，則可判定焊接人員既為使用手持面罩，也未使用護目鏡，則安全帽中的Zigbee片上系統的單片機將焊接人員身份；、報警信息傳輸給艙室出入口的Zigbee通訊模塊，由該通訊模塊將信號逐層上傳，直至總監控室，實現記錄和管理。
【文檔編號】G08B21/02GK104392582SQ201410650747
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月17日 優先權日:2014年11月17日
【發明者】華亮, 顧菊平, 王勝鋒, 唐子峻, 張新松, 程天宇, 季霆, 張晴, 沈慶, 念路兵, 蔣凌, 華俊豪 申請人:南通大學