一种具有作业安全实时监测的方法和系统

技术领域

本发明属于作业安全监测技术领域，具体涉及一种具有作业安全实时监测的方法和系统。

背景技术

电力企业为更好地贯彻落实国家《安全生产法》，加强电力安全生产监督管理，确保电网安全运行、供用电管理安全生产，每年都开展安规考试，但安全事故仍时有发生。

其中，电力检修施工作业常需要作业人员登高作业，在登高作业过程中，存在很大的人员高空坠落风险，当作业人员从静止状态到登高状态，或者作业高度到一定高度时，最容易发生高空坠落事故，一旦发生作业人员高空坠落，很容易导致人员伤亡。因此，电网公司一般要求电力施工单位采用设有专职监护人员的方式对作业人员进行安全监护，由专职监护人员在地面开展安全监管。中国发明申请中国发明申请CN111750823A-安全帽高度定位方法及系统中采用激光测距的方式来测算安全帽与登高伴侣之间的空间距离，然而激光具有定向性，登高作业人员在作业时是随时运动的，因此调整登高伴侣向安全帽定向发射激光比较麻烦，无法自适应测量登高伴侣与安全帽之间的距离，且万一激光被遮挡则影响距离测量精度。中国发明申请CN112729229A-一种电力作业人员登高监测方法和系统中记载：登高作业人员的安全帽与地面专职监护人员的安全帽协同作业，登高作业人员的安全帽上的无线定位和测距模块获取作业区域地图，并确定作业人员在地图上的位置，确定与地面专职监护人员的水平距离L，在登高作业人员登高作业过程中，地面专职监护人员的安全帽上的摄像头工作，数据处理模块通过图像识别技术检测到登高作业人员，地面专职监护人员的安全帽上的倾角传感器工作，读取地面专职监护人员安全帽的倾斜角度θ，数据处理模块通过数据库查找确定地面专职监护人员的身高h，通过以下三角函数可以计算出登高作业人员的登高高度d：d＝L*tanθ+h。其中数据处理模块通过图像识别技术检测到登高作业人员时检测地面专职监护人员安全帽的倾斜角度θ，采用测量角度的方式准确度不高，毕竟登高作业人员出现在图像的底部、中部或顶部，所测得的角度分别不同，如此造成的误差大。因此目前缺少一种无论登高作业人员如何移动而能够自适应检测登高作业人员所在高度，并且检测精度高的监测设备和监测系统。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有作业安全实时监测的方法和系统，具体技术方案如下：

一种具有作业安全实时监测的方法，包括登高作业人员的安全高度监测，具体步骤如下：

S1：通过佩戴在监护人员身上的监测设备测量监护人员身上的监测设备所在位置的高度h

其中K

S2：通过佩戴在登高作业人员身上的监测设备测量登高作业人员身上的监测设备所在位置的高度h

其中K

S3：智能终端通过以下方式计算登高作业人员身上的监测设备与监护人员身上的监测设备的高度差h：

h＝h

S4：当高度差h大于预设阈值时，智能终端将报警信号分别发送至监护人员身上的监测设备和登高作业人员身上的监测设备，以告知监护人员和提醒登高作业人员。

优选地，还包括登高作业人员的触电安全监测，具体步骤如下：

S5：通过佩戴在监护人员身上的监测设备测量登高作业人员所处位置的磁场强度；

S6：智能终端根据磁场强度与距离输电导线的距离关系，判断登高作业人员所处位置的磁场强度是否大于设定的登高作业人员与输电导线的安全距离对应的安全磁场强度；

S7：若是登高作业人员所处位置的磁场强度大于设定的安全磁场强度，智能终端则发出报警信号告知监护人员和提醒登高作业人员。

优选地，所述登高作业人员所处位置的磁场强度包括监测设备所在位置的磁场强度B

优选地，所述磁场强度与距离输电导线的距离关系通过以下方式得到：

通过佩戴在监护人员身上的监测设备测量该监测设备所在位置的磁场强度B

通过佩戴在登高作业人员身上的监测设备的测量该监测设备所在位置的磁场强度B

根据比奥-萨伐尔定律可知，距离长直导线x处的磁场强度B为：

x为导线到空间中点的距离；

则：磁场强度B

其中，μ

根据公式(4)-(5)得到磁场强度与距离输电导线的距离关系。

优选地，所述监测设备包括登高检测模块、微处理器模块、报警模块、通信及定位模块；所述登高检测模块、报警模块、通信及定位模块分别与微处理器模块连接；

所述登高检测模块用于检测该监测设备所处位置的气压温度数据，并将检测的气压数据传输至微处理器模块进行处理；所述微处理器模块根据检测的气压与对应高度的关系得到该监测设备所处的高度数据并将得到的高度通过通信及定位模块传输至智能终端，并根据智能终端的报警信号控制报警模块是否发出报警。

优选地，所述监测设备还包括磁场强度检测模块；所述磁场强度检测模块与微处理器模块连接，用于测量该监测设备所处位置的磁场强度和对应佩戴人员头顶的磁场强度，并将检测的磁场强度传输至微处理器模块；所述微处理器模块将处理后的磁场强度通过通信及定位模块传输至智能终端，并根据智能终端的报警信号控制报警模块是否发出报警。

优选地，所述监测设备还包括心率血氧检测模块、血压检测模块、体温检测模块；所述心率血氧检测模块、血压检测模块、体温检测模块分别与微处理器模块连接，用于检测对应佩戴人员的心率血氧、血压、体温数据，并将检测数据传输至微处理器模块；所述微处理器模块将检测数据通过通信及定位模块传输至智能终端。

优选地，所述监测设备为一个智能手环，佩戴在对应人员的手腕上。

一种具有作业安全实时监测的系统，应用于所述的一种具有作业安全实时监测的方法，包括佩戴在监护人员手腕上的监测设备、佩戴在监护人员手腕上的监测设备、智能终端；所述佩戴在监护人员手腕上的监测设备、佩戴在监护人员手腕上的监测设备分别与智能终端进行数据交互。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种具有作业安全实时监测的方法根据气压与高度的关系，计算登高作业人员与监护人员的高度差，由于采用相对值进行计算，消除了大气压对测量结果的影响，提高了测量和计算精度，并且采用本发明，不管登高作业人员如何移动，都可以自适应计算其与监护人员的高度差，避免了时刻调整激光测距模块跟随移动，降低测量效率。同时能监控登高作业人员未经过允许登高，监护人员能及时收到相关消息，提高了作业的安全性。

2、本发明提供的一种具有作业安全实时监测的方法根据磁感强度与输电导线的距离关系，判断登高作业人员与输电导线的距离是否安全，实现了登高作业人员误入带电间隔或带电作业靠近带电体时，智能终端能将相关信息反馈至监护，形成有效监督，提高了作业的安全性。并且将安全距离转换为对磁场强度的测量，更为直观。

3、本发明通过对登高作业人员佩戴监测设备处和头顶处的磁场强度进行二维测量，从水平和垂直两个方向保证了登高作业人员的安全，提高了作业的安全性监测精度。

4、本发明采用的监测设备包括心率血氧检测模块、血压检测模块、体温检测模块等生理特征检测模块，可以实时检测登高作业人员登高作业前、登高作业前和登高作业后的情况，形成三位一体的监护体系，可以供监护人员了解登高作业人员的身体状况，在登高前判断登高作业人员的身体状况是否适合登高，或者在作业过程中监测登高人员的健康状况，提高了登高作业人员的安全性。

5、本发明的监测设备设计成一个智能手环的形式，相较于现有的智能头盔，佩戴方便，体积小，重量轻，实用性强，减轻了登高作业人员的身体负担，降低登高作业人员的疲劳程度，进而提高了登高作业人员的安全性。

6、本发明提供的监控系统，可以供监护人员实时了解登高作业人员的身体状况，若出现异常，可随时处理，提高登高作业人员的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明中登高作业人员的安全高度监测方法的原理图；

图2为本发明中登高作业人员的触电安全监测方法的原理图；

图3为本发明的监测设备的原理图；

图4为信号调理电路的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

一种具有作业安全实时监测的方法，包括登高作业人员的安全高度监测，如图1所示，具体步骤如下：

S1：通过佩戴在监护人员身上的监测设备测量监护人员身上的监测设备所在位置的高度h

其中K

S2：通过佩戴在登高作业人员身上的监测设备测量登高作业人员身上的监测设备所在位置的高度h

其中K

S3：智能终端通过以下方式计算登高作业人员身上的监测设备与监护人员身上的监测设备的高度差h：

h＝h

S4：当高度差h大于预设阈值时，智能终端将报警信号分别发送至监护人员身上的监测设备和登高作业人员身上的监测设备，以告知监护人员和提醒登高作业人员。

本发明

一种具有作业安全实时监测的方法，还包括登高作业人员的触电安全监测，如图2所示，具体步骤如下：

S5：通过佩戴在监护人员身上的监测设备测量登高作业人员所处位置的磁场强度；登高作业人员所处位置的磁场强度包括监测设备所在位置的磁场强度B

S6：智能终端根据磁场强度与距离输电导线的距离关系，判断登高作业人员所处位置的磁场强度是否大于设定的登高作业人员与输电导线的安全距离对应的安全磁场强度；

磁场强度与距离输电导线的距离关系通过以下方式得到：

通过佩戴在监护人员身上的监测设备测量该监测设备所在位置的磁场强度B

通过佩戴在登高作业人员身上的监测设备的测量该监测设备所在位置的磁场强度B

根据比奥-萨伐尔定律可知，距离长直导线x处的磁场强度B为：

x为导线到空间中点的距离；

则：磁场强度B

其中，μ

根据公式(4)-(5)得到磁场强度与距离输电导线的距离关系。

S7：若是登高作业人员所处位置的磁场强度大于设定的安全磁场强度，智能终端则发出报警信号告知监护人员和提醒登高作业人员。

如图3所示，监测设备包括登高检测模块、微处理器模块、报警模块、通信及定位模块；登高检测模块、报警模块、通信及定位模块分别与微处理器模块连接；

登高检测模块用于检测该监测设备所处位置的气压、温度数据，并将检测的气压数据传输至微处理器模块进行处理；微处理器模块根据检测的气压与对应高度的关系得到该监测设备所处的高度数据并将得到的高度通过通信及定位模块传输至智能终端，并根据智能终端的报警信号控制报警模块是否发出报警。

微处理器模块选用STM32F407控制器，该控制器集成了单周器DSP指令和浮点单元FPU(floating point unit)、192KB SRAM、1024KB FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、2个DMA控制器(共16个通道)、3个SPI、2个全双工I2S、3个I2C、6个串口、2个USB(支持HOST/SLAVE)、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个RTC(带日历功能)、1个SDIO接口、1个FSMC接口。其中DSP指令和FPU提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。

登高检测模块包括高精度、超小体积的气压传感器BMP280，用于检测该监测设备所处位置的气压、温度数据。STM32通过I2C读取BMP280气压温度数据源。

报警模块可以采用声音、光、振动、短信等方式进行报警，在本实施例中，采用振动的方式进行对登高作业人员报警或者对监护人员进行提醒，具体包括NIDEC微型贴片马达BRE-3728，该马达非常低功耗，非常适合智能穿戴振动使用，微处理器模块STM32通过通用IO接口驱动三级管即可对该马达的控制。

通信及定位模块主要包括通信定位电路和蓝牙电路。其中，通信定位电路由SIMCOM推出的GSM+GPS+GPRS组合模块SIM808。微处理器模块STM32通过串口与SIM808模块进行通信，通过发送AT指令实现电话功能，短信功能和GPS定位功能的实现；；蓝牙电路采用一款高性能的主从一体蓝牙串口模块HC05，可用于各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP智能终端配对，并且模块兼容5V或3.3V单片机系统，微处理器模块STM32通过串口和HC05模块进行通信，通过发送AT指令对模块进行配置，最终实现监测设备和智能终端进行通信，实现两个系统之间的数据往来，达到通过智能终端远程控制监测设备目的。通过也避免了目前的智能头盔采用无线传输存在信号弱无法传输的问题。

监测设备还包括磁场强度检测模块；磁场强度检测模块与微处理器模块连接，用于测量该监测设备所处位置的磁场强度和对应佩戴人员头顶的磁场强度，并将检测的磁场强度传输至微处理器模块；微处理器模块将处理后的磁场强度通过通信及定位模块传输至智能终端，并根据智能终端的报警信号控制报警模块是否发出报警。磁场强度检测模块包括磁场测量芯片TMR2503，该芯片有一个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计，包含四个非屏蔽高灵敏度TMR传感器元件，可感应垂直于芯片表面的磁场。当外加磁场沿垂直于芯片表面方向变化时，惠斯通全桥提供差分电压输出。在-55℃～+150℃范围内，TMR2503的敏感度和失调电压可保持在一个稳定的水平。根据TMR2503传感器输出随外加磁场强度变化(外加磁场±2000Oe和+/-200Oe激励电源1V)的典型曲线。

为保证整个磁场强度检测模块的敏感度，TMR2503芯片一般工作其线性区(-200GS～200GS)，从其曲线通过原点，其关系可用一元一次方程表示，如下式所示：

U＝KB； (6)

式中，K为芯片线性区的比例系数；U为芯片惠斯通全桥输出差分电压；B为芯片测量到的磁感应强度。

为保证磁场强度检测的精度，磁场强度检测模块的检测信号还通过信号调理电路进行信号调理后再输入微处理器模块进行AD转换处理。信号调理电路如图4所示，该调理电路中，输入电压(Vsum)经过电阻R20和R21、R22分压后经过差分跟随运放电路，然后经过RC低通滤波器进行滤波输入至采样电路采样，经过处理后得到相应的采样数字信号。该电路后面接了一个电压跟随器，用作缓冲级或隔离级，提高输入阻抗，降低输出阻抗。

监测设备还包括心率血氧检测模块、血压检测模块、体温检测模块；心率血氧检测模块、血压检测模块、体温检测模块分别与微处理器模块连接，用于检测对应佩戴人员的心率血氧、血压、体温数据，并将检测数据传输至微处理器模块；微处理器模块将检测数据通过通信及定位模块传输至智能终端。

心率血氧检测模块采用高度集成脉冲计模块MAX30102，使用光电容积脉搏波反射法测量人的心脏跳动。该模块集成接收机和发射机芯片，还有I2C接口、输出引脚和内置红灯和红外灯；接收部分中内置光敏二极管和低噪声前置放大器以及模数转换器。微处理器STM32通过I2C总线方式和心率血氧模块进行通信，实现对模块寄存器的配置，发送地址命令给传感器获得被测用户PPG信号原始数据。该模块体积小，数据输出快，采样率可编程控制，可用于可穿戴设备。

血压检测模块采用高度集成脉冲计模块SON7015，使用光电容积脉搏波反射法测量人的心脏跳动，抗干扰。该模块内部集成接收机和发射机芯片，还有I2C模块、输出引脚和内置绿色LED灯。采集PPG数据经过SON2450放大，STM32利用AD采集放大后的信号，在STM32内部设计数字滤波对原始数据进行处理利用特征识别的方法实现血压的连续测量，最后把血压值显示在显示输出模块上。

体温检测模块采用非接触式多点红外测量模块MLX90615，红外传感器将测量物体现场范围内的红外幅射转化成数字信号，STM32通过SMBus总线方式控制MLX90615模块获得原始数据在微处理器中进行数据解析，然后显示在显示输出模块上。

监测设备还包括运动检测模块、显示输出模块、外部存储模块、电源模块；运动检测模块、显示输出模块、外部存储模块、电源模块分别与微处理器模块连接。

运动检测模块采用MPU6050内部整合了三轴陀螺仪和三轴加速度传感器，运动检测模块工作模式是STM32通过I2C总线方式控制MPU6050传感器模块。MPU6050获得人体三个方向的加速度数据和角速度数据，原始数据经过计步算法、跌倒算法和登高算法处理后，监测设备实现计步器、跌倒检测和登高检测的功能。MPU6050具有低功耗、高分辨率等优点，拥有一个FIFO的存储区块和16位的数字输出装置，可以设置数据分辨率和采样率。运动检测模块可以检测登高作业人员的动作，判断其是否有跌落等风险，进而实现安全监控。

显示输出模块为薄膜晶体管液晶显示器TFTLCD，选用16位数据线接口与控制器连接，增加了数据显示、图片刷新的速度。微处理器模块STM32通过灵活的静态存储控制接口FSMC来控制TFTLCD模块，实现对TFTLCD内部寄存器的配置的目地。

外部存储模块主要包括SDRAM存储和SD存储。SDRAM存储采用ISSI公司的一颗16位宽512(512x16，即1MB)容量的CMOS静态内存芯片IS62WV51216，微处理器STM32通过FSMC接口控制IS62WV51216芯片，实现对芯片寄存器的读写控制和配置的目的，可以大节省微处理的内部RAM，同样有利于系统更加流畅稳定的运行，增加监测设备系统的运行空间，提高了监测设备系统整体稳定性。对于SD卡应用，微处理STM32通过SDIO接口驱动SD卡，对SD卡内部寄存器的读写操作，4位模式，最高通信速度可达到48MHz，最高每秒可以传输24MB，主要用来存储测量信息的历史记录，存放监测设备系统所需的文件、字库等。

电源模块采用可充电电池，作为监测设备供电，且设计为USB充电模式，具有易充电、易携带和高续航等特点。该模块采用了XC6221作为稳压电路，该稳压电路具有高精度、低噪音、高速度和兼容低ESR电容等特点，采用CMOS生产工艺的低压差线性稳压器LDO(LowDropout Regulator)。内部集成了误差放大电路、相位补偿电路以及参考电压源电路，能对整个系统起到很好的过压保护作用。

监测设备为一个智能手环，佩戴在对应人员的手腕上。

一种具有作业安全实时监测的系统，应用于的一种具有作业安全实时监测的方法，包括佩戴在监护人员手腕上的监测设备、佩戴在监护人员手腕上的监测设备、智能终端；佩戴在监护人员手腕上的监测设备、佩戴在监护人员手腕上的监测设备分别与智能终端进行数据交互。

系统的工作原理为：

佩戴在监护人员手腕上的监测设备和佩戴在监护人员手腕上的监测设备通过智能终端进行绑定；监护人员的监测设备可与多个登高作业人员的监测设备绑定，通过智能终端查看多个登高作业员的监测数据。监测数据包括对应登高作业员的生理特征数据(心率血氧、血压、体温等)、高度差监测数据、磁感应强度监测数据，智能终端为智能手机、平板或电脑中的一种。

佩戴在登高作业人员手腕上的监测设备通过心率血氧检测模块、血压检测模块、体温检测模块检测对应登高作业人员的心率血氧、血压、体温等生理特征数据，并通过通信及定位模块上传至智能终端，监护人员通过智能终端查看登高作业人员的生理特征数据，并评估其是否能够进行登高作业，如此实现登高作业人员在进行登高作业前的身体风险预判。在登高作业人员进行登高作业的过程中或后，同样可以通过智能终端实时监测登高作业人员的生理特征数据，若是某一项生理特征数据不在正常范围内，监护人员可以及时采取应对措施。

佩戴在监护人员手腕上的监测设备通过登高检测模块检测该监测设备所在的高度h

佩戴在登高作业人员手腕上的监测设备通过登高检测模块检测该监测设备所在的高度h

智能终端根据公式(3)得到登高作业人员的监测设备所在高度与监护人员的监测设备所在高度的高度差h，判断高度差h是否在设定阈值范围内，若是不在设定的阈值范围内，则发送控制信号至佩戴在登高作业人员手腕上的监测设备进行振动告警，以及则发送控制信号至佩戴在监护人员手腕上的监测设备进行振动提醒，监护人员查看智能终端可看到是哪个登高作业人员的高度差监测数据异常，进而实现全程监控。

佩戴在监护人员手腕上的监测设备通过磁场强度检测模块检测该监测设备所在位置的磁场强度B

佩戴在登高作业人员手腕上的监测设备通过磁场强度检测模块检测该监测设备所在位置的磁场强度B

智能终端根据公式(4)-(5)得到磁场强度与距离输电导线的距离关系，如此根据登高作业人员与输电导线的安全距离设置对应的安全磁感应强度，进而智能终端将佩戴在登高作业人员手腕上的监测设备的磁场强度检测模块实时检测的磁场强度与设置的安全磁感应强度进行比较，进而判断对应的登高作业人员是否处于安全距离范围内，若是等到作业人员与带电输电导线的距离小于安全距离，则智能终端发送报警信号至佩戴在登高作业人员手腕上的监测设备进行振动告警，以及则发送控制信号至佩戴在监护人员手腕上的监测设备进行振动提醒，监护人员查看智能终端可看到是哪个登高作业人员的磁场强度监测数据异常，进而实现全程监控。如此形成有效监督，监测设备具备登高作业和触电风险分析，并对电力行业人员开展电网员工生理特征参数和作业环境(高度差、磁场强度)监测的数字化建设，有助于保障企业员工的身体健康，大大提升员工在企业的获得感。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。