CN204155406U - 一种缺氧告警腕带 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种缺氧告警腕带，其特征在于，包括腕带本体，所述的腕带本体上固定有电路部分，所述的电路部分包括氧气传感器部分、温湿度传感器、单片机、供电部分和告警部分，所述的单片机连接温湿度传感器、供电部分、告警部分和氧气传感器部分。本实用新型可为在密闭或者通风不畅等缺氧易发空间内的作业者提供劳动保护。该腕带结构简单、使用容易、佩戴方便，通过引入温湿度修正，可令其在较大的环境温湿度范围内都提供较为精确可靠的告警。告警方式通过体感触觉进行，在嘈杂环境下也有较好的报警效果。

Description

一种缺氧告警腕带

技术领域

本实用新型涉及一种可在低氧环境下对佩戴者进行告警的腕带。

背景技术

氧气是人体进行生命活动不可缺少的物质。但是在矿道、仓库、菜窖和地下管路等密闭或通风不畅空间内，氧气浓度往往低于人体所需。当作业人员进入到缺氧环境下，会出现胸闷、头晕、乏力的症状。如果情况严重，将导致作业人员意识不清、昏迷休克。近年来我国发生了多起由于缺氧造成的伤亡事故。如果能为作业人员实时地提供缺氧告警信息，可以在较大程度上降低类似事故的发生率。

传统的氧气监测设备体积较大，不便于作业人员携带。近年来随着嵌入式技术及材料技术的进步，可穿戴式***及氧气传感器都得到了较大程度的发展。可穿戴式***是一种可穿戴于身体上，便于随身进行活动的微型电子设备。其在健康监测、行为模式管理、智能服装及移动式终端等领域得到了广泛应用。随着半导体制程工艺的改进，新一代单片机低功耗的特性十分突出。部分低功耗单片机的功耗甚至可以降低到到纳瓦数量级。而新一代氧气传感器的体积也有较大程度的减小，其输出信号幅度稳定性高且采集容易。部分厂商还推出了专门针对便携式设备的产品。相对于基于马甲、眼镜或项圈等的可穿戴设备，腕带结构简单、穿戴方便、对作业者正常工作影响小。基于腕带的可穿戴式设备还可方便地利用皮肤触感与作业者交互。结合以上技术与方法，可望在满足缺氧告警精度与可靠性的前提下，形成便于佩戴、成本低廉的解决方案。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对在密闭或者通风不畅的环境中所存在的缺氧风险，通过智能腕带为作业者提供缺氧告警，降低由于缺氧所导致伤亡事故的发生概率。该智能腕带需要具有结构简单、成本低廉、性能可靠、体积小及工作时间长的特点，而且其还需要在较大的温湿度范围内都能提供精确的告警信息。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种缺氧告警腕带，其特征在于，包括腕带本体，所述的腕带本体上固定有电路部分，所述的电路部分包括氧气传感器部分、温湿度传感器、单片机、供电部分和告警部分，所述的单片机连接温湿度传感器、供电部分、告警部分和氧气传感器部分。

优选地，所述的腕带本体为弹力织物。

优选地，所述的氧气传感器部分包括氧气传感器和放大器，放大器连接氧气传感器和单片机。

更优选地，所述的放大器为LT6001、LT6003或AD8602型放大器。

优选地，所述的温湿度传感器为SHT11数字式温湿度传感器。

优选地，所述的单片机为PIC16F690单片机。

优选地，所述的告警部分包括1027型手机振动马达和LED。

本实用新型的缺氧告警智能腕带的单片机是***的核心处理部分。单片机依照固定的时间间隔周期性地对氧气传感器部分的输出与温湿度传感器的输出进行采样，并将得到的氧气浓度值依照环境温湿度数据进行修正，得到氧气浓度的真实值。本实用新型的氧气传感器部分包括氧气传感器与放大器。由于基于氧气电池结构(法拉第定律)的氧气传感器体积小、性能稳定，可作为智能腕带所配氧气传感器的首选。氧气电池的输出幅度较小，为了提高采样精度需后接放大器。可根据单片机所支持的AD输入模式及腕带尺寸限制，选择用高精度放大器(如LT6001、LT6003、AD8602等)构建单端或者差分输出。本实用新型的温湿度传感器用于为氧气传感器的输出提供校准，推荐使用SHT11等集成度高、精度高、体积小的数字式温湿度传感器件。本实用新型的供电部分包括电池、线性稳压器及输入分压电阻。电池可选用BL-5C等3.7V输出的手机电池。线性稳压器需满足低压降条件，需选择压降小于电池正常输出电压与单片机工作电压压差值80％的型号。电池输出电压通过电阻比例分压送入单片机。单片机将该电压与预设的电池低压参考阈值进行比较，如果电压的分压值小于该参考阈值则触发电池更换提醒。在比较时可以选用数字逻辑或者模拟比较器的方式实现。考虑到作业环境中可能存在较大的环境噪声，所以缺氧告警腕带采用体感告警方式。当单片机发现环境氧气含量低于告警阈值后，则通过触发一个布置在腕带靠近皮肤一侧的扁平振动马达通进行告警。在此基础上配合一个LED，作为辅助告警状态判别。以上低功耗单片机、氧气传感器部分、温湿度传感器、供电部分都布置在一块PCB上，元件尽可能采用小型化的表贴封装。该PCB通过缝制方式固定在由弹力织物构成的腕带本体上。扁平振动马达安装在腕带本体靠近皮肤的内侧。本实用新型通过低功耗单片机及小型化的氧气传感器为核心构建智能腕带，在作业者面临缺氧环境时提供有效可靠的实时告警。腕带上还纳入微型化的温湿度传感器用以对氧气传感器数据进行校准，提高告警精度。希望通过该缺氧告警智能腕带为在缺氧多发环境下工作的作业者提供安全保护措施，减少缺氧造成的安全事故发生。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出了一种可用于缺氧告警的智能腕带，可为在密闭或者通风不畅等缺氧易发空间内的作业者提供劳动保护。该腕带结构简单、使用容易、佩戴方便，通过引入温湿度修正，可令其在较大的环境温湿度范围内都提供较为精确可靠的告警。告警方式通过体感触觉进行，在嘈杂环境下也有较好的报警效果。

附图说明

图1为缺氧告警腕带***结构图；

图2为PIC16F690单片机原理图；

图3为PIC16F690下载器接口部分；

图4为供电部分原理图；

图5为氧气传感器部分原理图；

图6为温湿度传感器部分原理图；

图7为告警部分原理图；

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图9所示，为缺氧告警腕带结构示意图，所述的缺氧告警腕带，包括腕带本体1，所述的腕带本体1上固定有电路部分2，如图2所示，所述的电路部分2包括氧气传感器部分、温湿度传感器、单片机、供电部分和告警部分，所述的单片机连接温湿度传感器、供电部分、告警部分和氧气传感器部分。所述的氧气传感器部分包括氧气传感器和放大器，放大器连接氧气传感器和单片机。

所述的单片机选用微芯公司(MicroChip)的PIC16F690单片机，该单片机为采用纳瓦技术的20引脚8位CMOS闪存单片机。其具有成本低廉、功耗较低、功能丰富且稳定性高的特点。氧气传感器选择城市技术公司(CITY Technology)的4OXV氧气传感器，其输出信号接100欧姆负载，并被AD8602放大器放大。温湿度传感器选用Sensirion公司的SHT11数字式温湿度传感器。低压差线性稳压器使用HT7333压差线性稳压器，其输出为3.3V。告警部分选用1027型手机振动马达。

PIC16F690单片机的原理图如图2所示。实施例中PIC16F690单片机采用的是7.50mm宽条SOIC-20封装，其电源输入管脚上接一个0805封装的0.1μF去耦电容。由于本实施例对时序并不十分严格，所以实施例中采用PIC16F690内部振荡器作为主时钟。PIC16F690单片机内部振荡器频率选择位IRCF<2:0>配置为111，生成8MHz内部时钟，由其同步内部时序。PIC16F690单片机通过PICKIT下载程序，下载器接口部分如图3所示。由于腕带对PCB的几何尺寸要求严格且程序的复杂度较低，所以实施例中取消了下载器接口部分的复位按键。腕带复位采用断电重启复位方式。

供电部分选用BL-5C电池，其与腕带电路板之间使用焊接插针连接。供电部分采用HT7333低压差线性稳压器(T0-92封装)，其输出压差仅有90mV。HT7333低压差线性稳压器的输出电压为固定3.3V。这样可以较好地保证在BL-5C的正常工作范围内PIC16F690都能获得稳定的3.3V供电。HT7333低压差线性稳压器的输入输出都采用AVX10μF钽电容进行滤波，其封装为1206。BL-5C电池的输出电压通过1∶1电阻分压输入到PIC16F690的AN7管脚中。供电部分对应的原理图如图4所示。

氧气传感器部分的原理图如图5所示。40XV输出的为电流信号，需要外接一低阻值电阻转化为电压信号。此处选择100欧姆1％精密电阻作为40XV输出的负载。由于经过上述过程产生的电压信号较为微弱，还需要对其进行放大。在本实施例中使用AD公司生产的AD8602放大器(SOIC-8封装)对其进行放大，放大倍数设定为1∶101。电阻取值如图5所示，所采用的电阻都为0805封装的1％精密电阻。AD8602放大器的供电输入端接一个0805封装的0.1μF电容，输出端与PIC16F690单片机的AN5端口连接。

温湿度传感器所对应的原理图如图6所示。SHT11数字式温湿度传感器的串行时钟输入口与PIC16F690单片机的11号管脚连接。PIC16F690单片机的13号管脚被用作与SHT11数字式温湿度传感器之间传输双向串行数据。SHT11数字式温湿度传感器测量分辨率为默认值(温度14bit，湿度12bit)。SHT11数字式温湿度传感器与PIC16F690单片机之间的双向串行数据线使用0805封装、10K阻值的1％精密电阻上拉。在SHT11数字式温湿度传感器的供电端用0.1μF的0805封装电容进行去耦。

腕带的告警部分由1027型手机振动马达与LED组成，对应的原理图如图7所示。PIC16F690单片机的RC5端口连接一MMBT8050三极管(SOT-23封装)，手机振动马达连接在MMBT8050三极管的集电极上。当RC5端口为高电平时，MMBT8050三极管导通，1027型手机振动马达工作；反之则1027型手机振动马达停止。在1027型手机振动马达的两端，并联一续流二极管(VCC)。续流二极管选用罗姆半导体的UDZS TE-17型(SOD-323封装)。在VCC与1027型手机振动马达的连接端使用0.1μF的0805封装电容进行去耦。由于PIC16F690单片机具有较强的管脚电流驱动能力，所以直接在PIC16F690单片机的RC4端连接一红色LED及330欧姆的限流电阻，LED与330欧姆电阻都为0805封装。

本实用新型的PCB布线板的长度为2180mil，宽度为1100mil(1000mil＝2.54cm)。PCB反面敷铜铺地。在PCB的四角都有用于缝制的穿线孔，将其通过缝制的方式固定在腕带本体上。腕带本体由弹力织物组成，具体实现中可以参考运动护腕的选材与制作。本实施例中腕带本体选用黑色氨纶弹力织物，其平铺尺寸为10cm×15cm。将PCB板用缝制的方式固定在其中心位置上，再将织物短边缝合。缝制固定的方式实现简单，且在佩戴中对作业者腕部活动影响较小。为避免PCB及其上的元件直接暴露在作业环境中，需在其上再覆盖一层弹力织物，织物的大小依据PCB的几何尺寸灵活选取。

本实用新型的工作流程如下：

[1]***上电后，单片机首先对分压后的电池电压进行监测，如果发现电池电压过低，则通过LED及振动马达进行报警。

[2]当上电电池供电检测无异常后，则进入正常工作模式。单片机每隔固定时间间隔(时间间隔A，可设为数秒到数十秒)周期性地对氧气传感部分的输出采样，并读取由温湿度传感器测量得到的环境参数。完成每次读取后都利用环境参数修正氧气传感器的测量值，获得环境氧气含量真实值。

[3]如果发现环境氧气浓度低于阈值，则进入缺氧告警模式。单片机开始以较短间隔(时间间隔B，可设为小于1秒)对氧气传感器部分及环境温湿度进行监测，同时设定一个固定长度、用于存储氧气浓度真实值的采样数据数组。当数组内的数据第一次填满后进行平均，如果平均值仍旧低于阈值，则触发扁平振动马达及LED发出告警。

[4]发出告警后，单片机继续依照采样间隔B对氧气传感器部分及温湿度进行监测，并将计算得到的环境氧气浓度真实值继续写入数组。写入方法为将数组中最旧的一个数据清零，后面的数据依次前移。最后将最新的氧气浓度真实值放在移位空出的位置上。每一次写入操作后对数组内数据进行平均，如果数组平均值低于告警阈值则继续进行报警；如果高于阈值，则停止报警。

[5]在腕带工作于正常工作模式时，每次完成对氧气浓度的测量后，则对电池电压进行测量。如果电池未出现低电量情况，则***进入休眠状态，待经过时间间隔A后再进行新一轮的监测。

[6]如果发现电池电量低，则进入电池低电量告警模式。单片机触发扁平振动马达及LED发出告警。单片机继续以时间间隔A对环境氧气及温湿度进行采样，如果发现缺氧状况，则进入缺氧告警模式。

[7]扁平振动马达与LED的不同振动模式分别对应缺氧告警与电池低电量告警。如LED常亮结合扁平马达间歇振动对应电池低电量告警；LED闪烁结合振动马达持续振动对应缺氧告警。

4OXV氧气传感器可看作一种电流源，其输出电流的大小取决于氧气反应速度。该反应速度会受到环境温湿度的影响，另外其输出数据还需要根据具体的氧气浓度进行修正。***在初始配置时，都在20摄氏度干燥空气中校准。在***工作中，每一次采样PIC16F690单片机都会先后采集到氧气浓度数据及温湿度数据。实施例中利用温湿度值对氧气浓度进行校准。湿度变化造成的氧气浓度偏差最大。在本实施例中，利用以下公式计算不同温度(t)下氧气浓度随湿度变化的下降斜率K(t)：

K(t)＝9.25e-4×(t-20)²+0.0355×(t-20)+1.12

式中，e为数学常数，e＝2.72。

在得到不同温度下的氧气浓度随湿度的变化斜率K(t)后，利用下面公式，由氧气浓度测量值O_m得到湿度(H，以百分比表示)修正后的氧气浓度O_HR：

O_HR＝K(t)×H+O_m

当完成湿度修正后，即可在此基础上对由于温度造成的误差进行纠正。4OXV在温度大于20摄氏度时输出增加的幅度恒定，所以在可以在湿度修正值上直接乘上加权值0.98作为温度修正值。如果环境温度小于20摄氏度，这时4OXV的输出可认为是随温度减小线性减小。氧气浓度温度修正值O_TR可以由下式得到：

O_TR＝0.02375×(20-t)+O_HR

此后，将对氧气浓度的非线性变化进行修正，得到氧气浓度真实值。由于本设计针对的是缺氧告警应用，所以可以使用加权的方式来避免较复杂的对数运算。氧气浓度真实值O_T可利用下述公式计算：

O_T＝O_TR/0.9925

在实施例中PIC16F690单片机在上电检测无异常后，进入正常工作模式。每隔5秒(时间间隔A)对氧气传感器的输出采样，并读取SHT11数字式温湿度传感器的温湿度数据。如果发现环境氧气含量低于18％(缺氧判决阈值)，则进入缺氧告警模式。PIC16F690单片机以0.5秒(时间间隔B)为间隔对氧气传感器及环境温湿度数据进行监测，并将各次得到的氧气浓度数据存储到一个n＝16的一维数组中。当数组填满后，则进行平均。如果均值仍低于18％，PIC16F690单片机就将RC5管脚置高电平，开启1027型手机振动马达。并以0.5秒为周期使RC4管脚上的电平高低周期性变化，引起LED闪烁。

在触发缺氧告警后，PIC16F690单片机仍然以0.5秒(时间间隔B)监测氧气浓度与温湿度数据，并计算环境氧气浓度真实值。在向数组存储数据时，首先将数组第1个元素清零，再将后续的15个元素前移。并将每次得到的氧气浓度真实值写入数组最后一位。之后进行平均，如果氧气浓度仍低于18％，则继续告警；如高于18％，RC5置低电平、RC4置低电平，关闭告警。PIC16F690单片机清空数组，回到正常工作模式。恢复以5秒(时间间隔A)对氧气传感器的输出采样，并读取SHT11数字式温湿度传感器的温湿度数据。

在正常工作模式下，每次完成对氧气浓度的测量后，则对电池电压进行测量。如果发现AN7管脚的输入电压小于1.75V，则进入电池低电量告警模式。RC5管脚以1秒钟为周期，周期性地将置为高电平，使1027型手机振动马达周期性地振动。此时RC4管脚位置高电平，使LED常亮。PIC16F690单片机继续以5秒时间间隔(时间间隔A)对环境氧气及温湿度进行采样，如果发现缺氧状况，则进入缺氧告警模式。

Claims (7)

1.一种缺氧告警腕带，其特征在于，包括腕带本体(1)，所述的腕带本体(1)上固定有电路部分(2)，所述的电路部分(2)包括氧气传感器部分、温湿度传感器、单片机、供电部分和告警部分，所述的单片机连接温湿度传感器、供电部分、告警部分和氧气传感器部分。

2.如权利要求1所述的缺氧告警腕带，其特征在于，所述的腕带本体(1)为弹力织物。

3.如权利要求1所述的缺氧告警腕带，其特征在于，所述的氧气传感器部分包括氧气传感器和放大器，放大器连接氧气传感器和单片机。

4.如权利要求3所述的缺氧告警腕带，其特征在于，所述的放大器为LT6001、LT6003或AD8602型放大器。

5.如权利要求1所述的缺氧告警腕带，其特征在于，所述的温湿度传感器为SHT11数字式温湿度传感器。

6.如权利要求1所述的缺氧告警腕带，其特征在于，所述的单片机为PIC16F690单片机。

7.如权利要求1所述的缺氧告警腕带，其特征在于，所述的告警部分包括1027型手机振动马达和LED。