一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及矿用智能头盔。
【背景技术】
[0002]20世纪末以来，随着通信技术、计算机技术和微电子技术的迅猛发展，技术先进的采煤国家利用自动化技术和信息技术，实现了煤矿安全监控和生产自动化，开发了全矿井综合自动化监控系统和平台，监控的数据从单纯的模拟量、数字量扩充至语音、图像、视频等多媒体信息，融合监测、通信、控制功能于一体，覆盖了全矿井生产的各个环节，实现了对采掘工作面和矿井通风、排水、供电、运输等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境信息的自动化监测和控制。
[0003]然而现阶段的研宄却忽略了对矿工本身健康状况的监测，当有重大事故发生时，仅仅实现通讯、定位等功能并不满足救援的需求，如果矿工处于昏迷状态无法应答，井上救援人员需要收集矿工的心率等能体现生命体征的重要数据，作为选择救援方案的参考。
[0004]目前常用的测量心率的仪器采用的是透射式测量法，往往占用测量者的手指，对于运动状态的监测来说，探头不易固定且极大影响人的日常生活，妨碍了正常的行为动作。而反射式监测方式不受探头安放部位的限制，可以将其嵌入到头带内固定在人的前额，实时获取心率信息。透射式PPG信号的质量很好，而反射方案中光能损失相对比较大，但是反射式能够做到结构简单，体积小，适合嵌入到头盔装置中，在佩戴者的额头处进行测量。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种可实时监测矿工健康的智能头盔装置，所述智能头盔装置由头盔本体、光传感器和数据处理中心三部分组成，光传感器采用反射式光电感应心率传感器，由所述反射式光电感应心率传感器测量的信号通过A/D模块传输给处理器模块，所述处理器模块对测量信号进行处理得到心率数据，心率数据可以由LCD模块显示，也可以通过数据存储模块进行存储，还可以通过蓝牙模块发送至智能手机，进一步地，也可以通过无线通讯模块发送至井上调度室。
[0006]本发明的具体方案如下:
采用反射式光路测量方法，将双光源LED和光频转换接收头两个器件放置于同一侧，光传感器实时监测人体的光电容积脉搏波(PPG)信号，使用实时测量算法从PPG信号中提取出实时心率信息，本发明主要针对以下三点对系统进行设计:光传感器的设计；低功耗、抗干扰的设计和实现；可实现通讯的系统设计。
[0007]I)本发明在满足实时动态检测的同时，所设计的传感器低负荷、小体积，不影响人体正常活动，对人体造成的不适感最低。同时，反射式光路检测到的PPG信号相比透射要更微弱，为了避免微弱生理信号埋没在噪声之中，或受到背景环境光噪声或电磁噪声干扰的污染，本发明考虑了更加简化的PPG信号采集检测电路，来获得稳定的PPG信号，而在数字信号处理方面，使用滤波处理来抑制干扰和运动，从双波长PPG信号中提取出心率。
[0008]2)本发明所述装置能长时间监测，避免更换电池或因电力不足而停止工作。低功耗的设计主要从硬件电路和软件控制两方面入手。在硬件电路方面，选择超低功耗微处理器和低功耗蓝牙模块；在软件控制方面，主要是对设备工作状态的控制，避免其一直处在全速运行的状态。
[0009]3)本发明整体机械外观小，方便作为检测节点加入到矿山物联网传感器网络。在矿山物联网布置的无线网络中，基于SIP协议，可以实现双向的语音通话，收发信息的功能。每个智能头盔装置都作为一个无线访问节点(AP节点)，自动构建网络。智能头盔装置将传感器采集到的数据通过无线通讯模块传输给无线通讯基站，中央监控室对与其连接的每个头盔本体进行编号，就可以对井下的矿工进行监控和管理。
[0010]整个系统的架构组成如图2所示:
如图2所示的系统由两部分组成:光传感器和数据处理中心。电源模块为上述两个部分提供3.3V电压。数据处理中心对光传感器的光源提供恒流输入，接收光传感器检测到的双波长PPG信号并对信号进行处理，处理器接收光传感器采集的数据，实时显示在LCD屏上，存储在Flash芯片中。通过无线通讯模块与无线基站连接，建立通讯。通过蓝牙模块，把数据传输给智能手机。
【附图说明】
[0011]图1为本发明智能头盔装置整体设计图。
[0012]图2为智能头盔架构组成图。
[0013]图3为无线通讯示意图。
[0014]图1-3中的标号分别表示如下:1、光传感器，2、数据处理中心，3、LED，4、接收头，5、硬件滤波，6、A/D转换，7、处理器，8、LED恒流驱动模块，9、液晶屏，10、蓝牙，11、数据存储，12、无线通讯模块，13、电源模块，14、无线通讯基站，15、光纤，16、环网设备，17、中央监控室。
【具体实施方式】
[0015]本发明的智能头盔装置包括头盔本体，光传感器，数据处理中心。【具体实施方式】主要针对三点:光传感器的设计；低功耗、抗干扰的设计；可实现通讯的系统设计。
[0016]光传感器的设计
1.1信号采集模块
负责信号的采集，主要完成PPG信号数字化任务，反射式双波长检测技术中，光源和光敏器件被放置在同侧，LED光源产生入射光，经过人体的多次散射，一部分光信号重新返回，光电二极管接收被人体组织反射回的光信号，并转化为电流信号。
[0017]本发明尽可能简化了 PPG信号测量电路，其只由2个运算放大器组成:直流基线放大器，交流分量放大器。两个运算放大器均使用单电源供电。信号从直流基线放大器的反相端进入，构成负反馈放大电路。使用分立元件电容电阻去除信号直流，与直流基线放大器构成交流耦合放大电路。此外，使用基准参考电压芯片为两个运算放大器的同相端提供偏置电压，来保证运算放大器信号放大的准确度。
[0018]电路光传感器含有双光源LED和光频转换接收头两个器件，LED和接收头以1.5cm间距固定于头带前侧，与固定在头带侧部的控制和采集硬件模块以短导线连接，佩戴时探头位于前额，而硬件电路模块位于头侧部。光源采用的是660nm，950nm双波长LED，仅由正负两引脚控制，当流经LED电流方向为正向或负向时，可发出红光或红外光。接收器采用的光频转换接收头，这是一种特殊的红外接收电路，它将红外接收管与放大电路集成在一起，可感知光强并将其转化为频率大小。
[0019]低功耗、抗干扰设计
2.1低功耗设计
低功耗的设计主要从硬件电路和软件控制上入手。硬件电路上，采用AMS1086⑶3.3稳压芯片提供3.3v电源系统，选择MSP430F1611超低功耗微处理器和低功耗蓝牙模块JBM-141，软件控制上主要是对设备工作状态的控制，避免其一直处在全速运行的状态。处理器和光传感器是功耗最多的两个模块，因此对这两