朱理望，肖文辉，彭　理

( 湖南科技大学 计算机科学与工程学院， 湖南 湘潭　411201)



引用格式：朱理望，肖文辉，彭理.一种便携式危险区域安全监测仪的研究与设计[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，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.

一种便携式危险区域安全监测仪的研究与设计

朱理望，肖文辉，彭理

( 湖南科技大学 计算机科学与工程学院， 湖南 湘潭411201)

摘要：针对矿业、化工和冶金等工业企业等特殊的工作环境，以保障员工人身安全为目的，除了将环境参数作为监测因素，也把身体姿态的实时状况选定为检测对象，采用气体浓度传感器和三轴加速度传感器，提出了一种便携式可穿戴的危险区域安全监测器的系统架构，并完成了该监测器软硬件的设计与开发，实现了对工作区域内有害气体的监测和人员跌倒的检测与报警功能。最后，通过模拟实验，验证了该监测器整体技术方案的可行性和主要功能。

关键词：人身安全；传感器；环境监测；跌倒检测；危险区域

如何有效地保障员工的人身安全一直是工矿企业安全生产的首要问题。在煤炭企业、化学化工和冶金冶炼等有关行业的作业场所，必须对随时可能因各种原因而泄露的如瓦斯、甲醛、二氧化硫等易燃、有毒、有害气体等关键环境因素进行实时监测。为了提高作为决策依据的总体监测结果的准确性，有效地避免和减少事故的发生，根据信息融合的原理，应当针对不同对象和不同观测域，配置各自独立的传感器对各类信息进行检测，包括适时引入身体姿态的监测技术，将员工身体的有关状况作为检测对象，然后对所有监测数据进行综合分析处理以及时发现异常情况，进而在第一时间采取有效的应对措施，最大限度地防止事故的发生[1]；实时了解现场作业人员身体的有关状态也可使已经处于危险境地、或者因突发事件而丧失行动能力甚至主观意识的人员及时获得救助。

1总体研究与架构设计

1.1相关技术的发展状况

近年来，随着科学技术的不断进步，安全监测与监控技术也得到了飞速的发展，各种技术装备和器材为保障各个行业的安全生产正在发挥越来越大的作用；不过大多数在用的监控设备主要监测的是环境因素，然而随着科技的发展，各类传感器的技术水平已达到了前所未有的高度，无论是采集环境数据还是人的生理数据都将越来越便捷和精确。多传感器信息融合已成为了目前研究热点和未来的发展趋势[2]。

因此，把人体姿态也作为观测对象，针对存在潜在危险的区域，将环境因素的监测和身体实时状况的检测相结合，研制出一种轻型的集检测与报警功能为一体的便携式电子装备，及时获取工作区域和工作人员的综合情况，并对险情进行预警和报警，无疑将会对以保障人身安全为中心的安全生产发挥积极作用，也可使处于危险环境的工作人员及时得到救助。

对人体姿态的监测，目前主要是检测跌倒状态还是非跌倒状态。随着国内外科学技术的发展，跌倒检测技术已越来越成熟，逐渐达到了实用化的水平，这些技术大致可分为以下3类[3]：

1)基于视频监测、图像处理及模式识别的方法，该方法需要在特定区域安装视频监视器，通过人体非常态位置姿势的持续时间来判断跌倒。

2)基于振动声频信号分析的方法，由分析冲击地面导致振动的频率来判断跌倒事件，安装比较复杂，并且对于不同的材质地板和接触地面，跌倒时产生的音频信号相差较大，通用性差。

3)基于人体姿态和动作识别的方法，一般由分析携带者三轴方向的加速度变化来获知。

第3种方法克服了视频分析和声频分析需要限定在特定范围内的问题，特别适用于构造成可穿戴式的跌倒监测装备。该类装备可方便地系在或者佩戴在被检测者的身上，跟随携带者去存在危险因素的各种环境，而且不会对正常工作和生活造成影响。当人体运动的信息数据发生变化时，通过相应的算法可以判断出被观测者是否发生了跌倒现象[4]。

1.2安全监测器的总体架构

便于随身携带的安全监测器，在不同环境中连续长时间工作，除了要实现技术功能，同时在降低功耗、减少体积与质量，以及价格因素等方面都有特定要求[5]。因此，本文监测器将直接监测的对象设定为2个：首要的环境因素和人体的实时姿态，当然也应能接收和转发对其它对象进行监测的智能传感器所发出的信息，以便进一步扩展其监测领域。安全监测器以微处理器(MPU)为核心，负责接受各传感器获取的信息，并在进行分析处理后通过通信接口上传监测数据与报警信息，总体架构的设计如图1所示。

对于煤矿矿井场所，监测仪向位于矿井井下的监测分站上传监测数据与报警信息。对于化工和冶金等行业的作业区域，监测仪则与监测主机或服务器进行通信和信息交互。

图1　安全监测器的总体架构

2监测器硬件的设计

2.1关键部件的选用

1) 环境因素传感器

将监测场所选定为煤矿矿井，最关键的环境因素当属瓦斯气体，因此将瓦斯浓度作为首要因素进行监测。瓦斯的主要成分是甲烷(CH4)和其他烃类，其浓度传感器可选用催化燃烧探头，它的功耗低、体积小、本质安全性高，稳定性和抗中毒性等更适合在恶劣环境下使用[6]。一种催化燃烧式气敏传感器元件的外观如图2所示。

图2　气敏传感器MJC4/2.8J的外观图

该传感器由敏感元件Ra和其他几个电阻构成的电桥电路组成，如图3所示。在无瓦斯的新鲜空气中Ra=Rb；当遇到瓦斯气体时，利用元件Ra对瓦斯的催化作用，使瓦斯在元件表面上发生无焰燃烧，元件Ra的温度随之上升，从而使敏感元件Ra的铂丝电阻值增加，通过电桥电路测量其电阻值变化量的大小即可获知相应的瓦斯浓度。

2) 加速度传感器

加速度传感器是能对物体运动过程中的加速度进行测量的电子器件，飞思卡尔(Freescale)公司生产的微型电容式三轴加速度传感器MMA7361芯片，可应用于汽车防盗报警、遥控航模、人形机器人跌倒检测、硬盘碰撞冲击保护等诸多场合。MMA7361采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，既可采用5V也可采用3.3V供电，是可由电池供电进行数据采集的理想器件。

图3　瓦斯浓度检测电桥电路

用MMA7361L集成电路(U1)和滤波阻容器件(R、C)、以及电源稳压块(U2)，就可构成加速度传感器模块，模块布局和引脚排列如图4 所示，其中X，Y，Z端子分别为传感器所在的三维立体空间X，Y，Z轴3个方向加速度数据的电压值输出端。

图4　MMA7361L加速度传感器模块的布局图

3) 微处理器(MPU)

微处理器是整个监测装备的控制核心，STC公司生产的STC12C5A60单时钟、低功耗、强抗干扰的单片机，采用单时钟周期因而执行速度快，片内集成了8路高速10位A/D转换器、16K Flash程序存储器、1 280字节SRAM数据存储器、2个定时/计数器、2套UART串口等单元电路，是一个几乎包含了数据采集和控制中所需所有模块的片上系统(SOC)，可满足作为安全监测器之控制器的技术要求。

2.2硬件电路的设计

根据安全监测器的总体架构，监测器的硬件系统应包含微处理器、测量传感器、无线通信接口、输入/输出装置等主要电路单元。按照以上所选关键部件的引脚信号定义，以微处理器为核心，结合各电路单元所要实现的功能。硬件电路的设计如图5所示。

图5　安全监测器的硬件电路

其中，无线通信模块采用APC220-43微功率无线数传模块，它嵌入了高速单片机和高性能射频芯片，抗干扰性强，灵敏度高，可用于无线传感器、自动化数据采集、工业遥控与遥测等诸多领域。

3软件系统的设计

3.1跌倒检测算法的设计

首先，以人体重心为原点建立空间直角坐标系，所携带的加速度传感器三轴方向与人体的对应关系如图6所示。

图6　加速度传感器三轴方向与人体的对应关系

人体跌倒时传感器所受的冲击要比人们的日常生活活动(ADL)明显，该冲击力可用X，Y，Z这3轴的合加速度即三维加速度的矢量和来表征[3]。在人体处于非运动的状况下，所携带的加速度传感器的三维矢量和SVM一般在1 g左右。在跌倒的过程中人体将首先经历一个失重的阶段，合加速度迅速下降；然后人体倒向地面，加速度值急剧变化；通常跌倒后无法立即站立，人体会在短时间内保持相对静止。实验表明：对于大部分非剧烈运动，SVM值低于3.8 g，超过此阈值则可能发生跌倒[7]。由于一些剧烈的运动(如跳跃等)与跌倒的合加速度特性差别并不是很大，因此，在检测阈值是否达到之前增加判断人体合加速度是否出现过小于1 g的情况，在阈值超过之后增加判断人体在较短的时间后是否处于相对静止，这样构成三重判决则可显著地提高判断的准确性。跌倒检测算法的程序流程如图7所示。

无论人体处于何种姿态，只要是静止的那么三维加速度矢量和SVM就为1 g左右。连续检测X，Y，Z这3轴合加速度记为SVM。当SVM<0.5g时，说明人体已处于失重的状态，继续测量SVM，如果在1 s 时限内没检测到SVM>3.8 g的情况，则说明这个过程不是跌倒；否则，说明人体可能会跌倒，延时2 s再检测，如果0.8 g

图7　跌倒检测算法的程序流程

3.2主要软件程序的设计

1) 主程序

监测器的软件系统就是在微处理器STC12C5A60单片机上运行的所有程序，包括主程序、函数的实现程序和中断的服务程序等。主程序主要负责监测器硬件和输入/输出设备的总体控制、任务处理流程的实现，以及功能函数的调用。首先，监测器的MPU在复位后要对MPU输入/输出端口、硬件电路和软件程序中的变量进行初始化。由于监测器要完成环境监测和人员跌倒检测，因此，主程序应至少包含这2项主要任务的处理。按照程序执行时间短和占用存储空间省等基本原则，重复性的功能和有关算法可由函数程序实现。主程序的处理流程如图8所示。

为了避免不必要的救援行动，当现场工作人员跌倒后10 s内恢复了行动能力时认为无需求救，或者在监测器由于某种原因发生了误报的情况下，可按清除键，取消该次跌倒报警。

图8　主程序的处理流程

2) A/D采样函数

A/D采样函数实现对环境监测传感器和人体加速度传感器信号的采样，并将由电压幅度表示的信号模拟量转换为可由运算器识别的数字量(A/D转换)，然后进行相应运算和处理。由于信号受到外部脉冲干扰会产生失真现象，所以对信号采样还必须进行软件滤波处理。本文采用去极值平均滤波法，即连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，从而有效地消除了由于脉冲干扰所引起的采样值偏差[8]。A/D采样函数的程序处理流程如图9所示。

3) 定时器中断处理服务程序

监测器软件系统启用2个定时器：1#号定时器用于进行周期性无线通信的处理，由主程序初始化时启动；2#号定时器用于实现跌倒检测算法程序中的时限处理(1 s,2 s,10 s)，由检测算法程序中的各个阶段临时启动。

图9　A/D采样函数的程序处理流程

为了保证监测的实时性和连续性，监测器将周期性地向监测主机(或服务器)上传环境&人员姿态检测的数据和报警信息。当1#号定时器产生中断请求信号时，微处理器将进入1#号定时器中断服务程序，判断累加次数，如果到达了3 s的周期，最近一轮的采样结果和报警标志将传送到接口输出缓冲区，同时启动无线通信数据传输。1#号定时器的中断服务程序的处理流程如图10 所示。

4监测器的测试与验证

设计开发完成的安全监测器的实物照片如图11所示。为了验证监测器整体技术方案的可行性和主要功能，在实验室用石油液化气体(替代瓦斯气体)、口罩、运行监控软件的电脑等设备和材料，对监测器进行了相关的模拟验证。

图10　定时器中断服务程序的处理流程

图11　安全监测器的实物照片

1) 带上口罩，对准监测器释放液化气体。几秒钟之后，收到监测器发来的浓度超限报警信息，最近一轮的气体浓度和人员加速度的检测结果以及浓度超限的报警信息显示如图12所示。

图12　气体浓度超限但无跌倒发生时的监测情况

2) 停止释放液化气。手持监测器运动以模拟人员跌倒，然后静止不动，大约十几秒之后，收到监测器发来的跌倒报警信息。跌倒报警信息与最近一轮的检测结果显示如图13 所示。

图13　气体浓度末超限但有跌倒发生时的监测情况

5结束语

本文针对煤炭企业、化工和冶金等有关行业的工作区域存在易燃或有毒、有害气体泄漏危险的情况，提出了一种集环境监测和人员跌倒检测为一体的便携式监测器的总体技术方案和系统架构，完成了监测器软硬件的设计与实现，并在实验室模拟工作环境，测试、验证了监测器整体技术方案的可行性和主要监测、报警功能。

参考文献：

[1]裴春梅,王艳秋,杨珠清.基于煤矿传感器的跌倒测试仪设计[J].煤炭技术,2013,32(9):56 -57.

[2]王犇.多传感器信息融合及其在可穿戴计算机上的应用[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[3]余家宝,赵辉,李瑞祥等.基于ZigBee的可穿戴式跌倒监护系统[J].信息技术,2014(3):114-116.

[4]朱亮,邹兵,严龙.基于MMA7260QT的危险场所跌倒检测设备的研制[J].工业安全与环保,2012,38(5):45-48.

[5]张公永.多传感器信息融合的便携式智能监护终端研究[D].成都:西华大学,2009.

[6]陈永占.新型全量程甲烷检测仪的研究与设计[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[7]任志玲,张冰倩,郑丽媛.基于加速度传感器的跌倒检测与报警系统设计[J].计算机测量与控制,2013,21(6):1428-1433.

[8]凌忠兴.嵌入式系统中数字滤波的算法及软件流程[J].电测与仪表,2004,44(1):58-61.

(责任编辑何杰玲)

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

文章编号：1674-8425(2016)01-0070-07

中图分类号：TM872

文献标识码：A

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

作者简介：朱理望(1963—)，男，硕士，高级工程师，主要从事计算机嵌入式系统和电子设计自动化技术的研究。

基金项目：湖南省科学技术厅科技计划一般项目(2013FJ4046)

收稿日期：2015-09-12