一种智能安全帽
技术领域
本发明涉及一种安全帽，尤其涉及一种智能安全帽。
背景技术
随着互联网和物联网的发展，各行各业都在进行着智能化的改造，安全帽行业也是如此，针对不同的应用场景都做出了不同的改造，如基于ZigBee技术的矿井智能头盔、基于ARM11和DSP协作视频流处理技术的3G视频安全帽等。
上述智能头盔和安全帽能够实现远程通信，对于基于ZigBee技术的矿井智能头盔，其存有以下不足之处：1. ZigBee信号很容易受干扰，使得通信质量差；2. ZigBee属于一种近距离的通信技术，如果在大范围的施工工地或区域，想采用此技术的安全头盔，着需要架设很多的数据采集网关，来解决距离近的问题；3. 自身没有国际协议标准，在开发过程和系统建设过程中，需要自己去设计和定义一套庞大的通信协议，来解决防碰撞、数据加解密等一些列的问题。而基于ARM11和DSP协作视频流处理技术的3G视频安全帽则存有以下不足之处，1. 3G/4G和视频的组合需要很大的功耗，如果一块小体积的普通电池，很难维持长时间的工作，如果电池大了，则会增加重量，超过安全帽的重量标准给佩戴者带来很大的负担；2. 3G/4G需要支付额外的数据流量费，尤其是在加入视频传输后，则需要很大的流量来支撑，则最后会产生很高昂的费用；3.3G/4G需要运营商架设的基站覆盖，在偏远的施工现场和特殊环境，信号往往会很差，此时视频信号将无法传输。
发明内容
本发明主要解决了上述问题，提供了一种不易受干扰、功耗低、通信距离远、具有身体状况检测的智能安全帽。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是, 一种智能安全帽，包括电池模块、MCU、检测模块、定位模块、LoRaWAN通信模块和语音输出模块，所述电池模块为整个智能安全帽供电，MCU分别与检测模块、定位模块、通信模块和语音输出模块相连。
LoRaWAN通信模块能够提供远距离、低功耗、抗干扰性强的无线通信功能，定位模块提供GPS定位功能，便于相关管理人员管理现场佩戴了该智能安全帽的施工人员，检测模块能够获取佩戴者的心率和疲劳度信息，起预防危险和及时发现事故的作用，语音输出模块用于提示和通知施工人员。
作为上述方案的一种优选方案，所述定位模块包括芯片U8、电阻R41、R42、R43、R44、R45，电容C41、C42、C43、C44、C45，电感L4和天线E1，所述芯片U8第二管脚通过电阻R41与MCU第十二管脚相连，芯片U8第三管脚通过电阻R42与MCU第十三管相连，芯片U8第六管脚分别接电压VCC_RF和电容C42第一端，电容C42第一端接地GND，芯片U8第七、第八管脚相连，第七、第八管脚相连处分别与电压VCC_RF和电容C45第一端相连，电容C45第二端接地GND，芯片U8第九管脚通过电阻R45与MCU第二十五管脚相连，芯片U8第十一管脚分别与电感L4第一端、电容C43第一端和电阻R44第一端相连，电感L4第二端分别与电容C41第一端和电阻R43第一端相连，电阻R43第二端接芯片U8第十四管脚，电容C41第二端接地GND，电容C43第二端接地GND，电阻R44第二端分别接天线E1和电容C44第一端，电容C44第二端接地GND。
作为上述方案的一种优选方案，所述LoRaWAN通信模块包括芯片U9、电阻R46、R47、R48、R49，电容C46、C47、C48、C49，双向二极管D5和天线座P4，所述芯片U9第五管脚与MCU第二十九管脚相连，芯片U9第十二管脚分别与电阻R49第一端和电容C49第一端相连，电阻R49第二端接电压VCC_RF，电容C49第二端接地，芯片U9第十七管脚接MCU第二十八管控，芯片U9第二十九管脚接MCU第二十七管脚，芯片U9第三十三管脚分别与电容C48第一端和电阻R48第一端相连，电容C48第二端接地，电阻R48第二端分别接电容C47第一端、双向二极管D5第一端和电阻R47第一端，电容C47第二端和双向二极管D5第二端均接地GND，电阻R47第二端接天线座P4，芯片U9第四十三、四十四管脚相连，第四十三、四十四管脚相连处分别与电压VCC_RF和电容C46第一端，电容C46第二端接地GND，芯片U9第四十五、五十、五十一、五十二、五十三管脚依次与MCU第二十六、三十四、三十七、二十二、二十一管脚相连，芯片U9第五十八管脚接电阻R46第一端，电阻R46第二端接地GND。
作为上述方案的一种优选方案，所述电压VCC_FR由通信及GPS供电电路提供，所述通信及GPS供电电路包括电容C29、C30、C31、C32、C33、C39、C40，电感L2、场效应管Q4、电阻R39、R40和线性稳压器U6，所述线性稳压器U6第一管脚分别与电池输出端、电容C32第一端和电容C33第一端向连，电容C32第二端和C33第二端均接地GND，线性稳压器U6第一管脚接地GND，线性稳压器U6第三管脚分别与电容C29第一端、C30第一端、C31第一端和电感L2第一端相连，电容C29第二端、电容C30第二端和电容C31第二端均接地，电感L2第二端与场效应管Q4源极相连，场效应管Q4栅极分别与电阻R39第一端和电阻R40第一端相连，电阻R39第二端与MCU第三十三管脚相连，电阻R40第二端接地，场效应管Q4漏极输出电压VCC_RF，场效应管Q4漏极还分别与电容C40第一端和电容C39第一端相连，电容C40第二端和电容C39第二端均接地GND。
作为上述方案的一种优选方案，所述电池模块包括电池充电电路、电池和电池输出电路，所述电池输出电路包括电容C34、C35、C36、C37、C38，电感L3和线性稳压器U7，所述线性稳压器U7第一管脚分别与电池输出端、电容C36第一端和电容C37第一端向连，电容C36第二端和C37第二端均接地GND，线性稳压器U7第一管脚接地GND，线性稳压器U7第三管脚分别与电容C34第一端、C35第一端、C38第一端和电感L3第一端相连，电容C34第二端、电容C35第二端和电容C38第二端均接地，电感L3第二端输出电压VCC-3V。
作为上述方案的一种优选方案，所述语音输出模块包括电阻R20、R21、R28、R35，电容C26，芯片U5、场效应管Q2和扬声器座P2，所述芯片U5第一管脚接电阻R28第一端，电阻R28第二端接MCU第二十六管脚，芯片U5第三管脚接MCU第三十九管脚，芯片U5第四管脚接电阻R35第一端，电阻R35第二端接扬声器座P2，芯片U5第五管脚接扬声器座P2，芯片U5第六管脚分别接电容C26第一端和场效应管Q2漏极，电容C26第二端分别接地GND和芯片U5第七管脚，场效应管Q2源极接电压VCC-3V，超效应管Q2栅极分别接电阻R29第一端和电阻R21第一端，电阻R20第二端接地GND，电阻R21第二端接MCU第三十八管脚。
作为上述方案的一种优选方案，所述检测模块采用包括心率与疲劳度检测芯片HCEEG-FMO1，该芯片通过串口与MCU通信。
作为上述方案的一种优选方案，所述MCU采用型号为STM32L071CBT6的单片机。
本发明的优点是：设有定位模块，管理者能够直观得了解现场有多少工人，有效的了解人员动向；设有检测模块，管理者能够了解到现场各个员工的身体状况，能够防止因身体状况不佳造成的事故，以及能够及时发现处于危险状况下的员工；采用LoRaWAN通信模块，无线通信距离远、功耗低、抗干扰性强。
附图说明
图1为本发明的一种原理框图。
图2为本发明中定位模块的一种电路原理图。
图3为本发明中LoRaWAN通信模块的一种电路原理图。
图4为本发明中通信及GPS供电电路的一种电路原理图。
图5为本发明中电池充电电路的一种电路原理图。
图6为本发明中电池输出电路的一种电路原理图。
图7为本发明中语音输出模块的一种电路原理图。
图8为本发明中检测模块的一种电路原理图。
图9为本发明中MCU的一种电路原理图。
1-电池模块 2-MCU 3-检测模块 4-定位模块 5-LoRaWAN通信模块 6-语音输出模块。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例：
本实施例一种智能安全帽，如图1所示，包括电池模块1、MCU2、检测模块3、定位模块4、LoRaWAN通信模块5和语音输出模块6，电池模块为整个智能安全帽供电，MCU分别与检测模块、定位模块、通信模块和语音输出模块相连。
如图2所示，定位模块包括芯片U8、电阻R41、R42、R43、R44、R45，电容C41、C42、C43、C44、C45，电感L4和天线E1，芯片U8第二管脚通过电阻R41与MCU第十二管脚相连，芯片U8第三管脚通过电阻R42与MCU第十三管相连，芯片U8第六管脚分别接电压VCC_RF和电容C42第一端，电容C42第一端接地GND，芯片U8第七、第八管脚相连，第七、第八管脚相连处分别与电压VCC_RF和电容C45第一端相连，电容C45第二端接地GND，芯片U8第九管脚通过电阻R45与MCU第二十五管脚相连，芯片U8第十一管脚分别与电感L4第一端、电容C43第一端和电阻R44第一端相连，电感L4第二端分别与电容C41第一端和电阻R43第一端相连，电阻R43第二端接芯片U8第十四管脚，电容C41第二端接地GND，电容C43第二端接地GND，电阻R44第二端分别接天线E1和电容C44第一端，电容C44第二端接地GND。
如图3所示，LoRaWAN通信模块包括芯片U9、电阻R46、R47、R48、R49，电容C46、C47、C48、C49，双向二极管D5和天线座P4，所述芯片U9第五管脚与MCU第二十九管脚相连，芯片U9第十二管脚分别与电阻R49第一端和电容C49第一端相连，电阻R49第二端接电压VCC_RF，电容C49第二端接地，芯片U9第十七管脚接MCU第二十八管控，芯片U9第二十九管脚接MCU第二十七管脚，芯片U9第三十三管脚分别与电容C48第一端和电阻R48第一端相连，电容C48第二端接地，电阻R48第二端分别接电容C47第一端、双向二极管D5第一端和电阻R47第一端，电容C47第二端和双向二极管D5第二端均接地GND，电阻R47第二端接天线座P4，芯片U9第四十三、四十四管脚相连，第四十三、四十四管脚相连处分别与电压VCC_RF和电容C46第一端，电容C46第二端接地GND，芯片U9第四十五、五十、五十一、五十二、五十三管脚依次与MCU第二十六、三十四、三十七、二十二、二十一管脚相连，芯片U9第五十八管脚接电阻R46第一端，电阻R46第二端接地GND。芯片U9采用2L717M90芯片。
如图4所示，电压VCC_FR由通信及GPS供电电路提供，所述通信及GPS供电电路包括电容C29、C30、C31、C32、C33、C39、C40，电感L2、场效应管Q4、电阻R39、R40和线性稳压器U6，所述线性稳压器U6第一管脚分别与电池输出端、电容C32第一端和电容C33第一端向连，电容C32第二端和C33第二端均接地GND，线性稳压器U6第一管脚接地GND，线性稳压器U6第三管脚分别与电容C29第一端、C30第一端、C31第一端和电感L2第一端相连，电容C29第二端、电容C30第二端和电容C31第二端均接地，电感L2第二端与场效应管Q4源极相连，场效应管Q4栅极分别与电阻R39第一端和电阻R40第一端相连，电阻R39第二端与MCU第三十三管脚相连，电阻R40第二端接地，场效应管Q4漏极输出电压VCC_RF，场效应管Q4漏极还分别与电容C40第一端和电容C39第一端相连，电容C40第二端和电容C39第二端均接地GND。
电池模块包括电池充电电路、电池和电池输出电路，电池充电电路如图5所示，采用快充芯片BQ24085设计，采用芯片手册中的推电路，电池充电电路输入电压在4.35-6.5v之间，输出电压4.2v，R9阻值为1.1kΩ，充电电流为400mA，充电时LED1指示灯亮红色，充满时LED1指示灯亮绿色，R5选值68kΩ，充电保护时间约为7小时。电池输出电路如图6所示，包括电容C34、C35、C36、C37、C38，电感L3和线性稳压器U7，所述线性稳压器U7第一管脚分别与电池输出端、电容C36第一端和电容C37第一端向连，电容C36第二端和C37第二端均接地GND，线性稳压器U7第一管脚接地GND，线性稳压器U7第三管脚分别与电容C34第一端、C35第一端、C38第一端和电感L3第一端相连，电容C34第二端、电容C35第二端和电容C38第二端均接地，电感L3第二端输出电压VCC-3V。线性稳压器U7采用HT7830的LDO芯片，将输出电压稳定在3.0V。
如图7所示，语音输出模块包括电阻R20、R21、R28、R35，电容C26，芯片U5、场效应管Q2和扬声器座P2，所述芯片U5第一管脚接电阻R28第一端，电阻R28第二端接MCU第二十六管脚，芯片U5第三管脚接MCU第三十九管脚，芯片U5第四管脚接电阻R35第一端，电阻R35第二端接扬声器座P2，芯片U5第五管脚接扬声器座P2，芯片U5第六管脚分别接电容C26第一端和场效应管Q2漏极，电容C26第二端分别接地GND和芯片U5第七管脚，场效应管Q2源极接电压VCC-3V，超效应管Q2栅极分别接电阻R29第一端和电阻R21第一端，电阻R20第二端接地GND，电阻R21第二端接MCU第三十八管脚。芯片U5采用NV040C-S8语音存储和功放芯片，里面能够存储20条用于提示和通知的语音，可以在各个操作和状况变化的情况下播放。
如图8所示，所述检测模块采用现有的心率与疲劳度检测芯片HCEEG-FMO1，该芯片可直接用于检测心率和脑电波，通过脑电波获取人的疲劳度，该芯片通过串口与MCU通信。HCEEG-FMO1芯片的串口与MCU的第二十、三十、三十一管脚相连。
MCU采用型号为STM32L071CBT6的单片机，单片机的周围电路如图9所示。
本实施中的智能安全帽利用LoRaWA进行无线通信，其抗干扰性墙、功耗低且具有一套完善的国际通用标准协议，无需要自己去设计和定义一套庞大的通信协议，来解决防碰撞、数据加解密等一些列的问题。该智能安全帽利用心率和疲惫度检测芯片检测现场施工人员的心率和疲劳度，在正常状态下， 人的心率时较为稳定的，当人受到惊吓或发现危险临近时，心率会迅速上升，基于这点，通过检测现场施工人员心率来及时了解现场施工人员是否处于较为危险的环境下。在施工人员进行高空作业时，可以通过施工人员的心率了解该施工人员是否适合高空作业，适合进行高空作业的工作人员其心率时较为稳定的，而不适合高空作业的施工人员，在高空环境下，其心率会大幅上升，管理人员掌握这些信息后就可以在下次高空作业任务分配时避开这些施工人员，保护不适应高空作业的施工人员的人身安全。疲劳度检测能够检测施工人员的精神状态，配合语音输出模块，在施工人员较为疲劳时提醒施工人员，避免出现安全事故。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
