防睡安全預警系統的設計與應用

朱雪峰

(西安交通大學機械工程系,西安 710049)

防睡安全預警系統的設計與應用

朱雪峰

(西安交通大學機械工程系,西安 710049)

針對操作人員在疲勞不自覺睡覺時易造成產品質量低下或生產安全隱患的問題，設計了一套防睡安全預警系統。給出了系統的工作原理、結構和系統在手機上的實現方式與功能。應用結果表明：系統在手機端運行穩定，防睡安全預警及時準確。

防睡安全預警系統 工作原理 結構 手機 動感開關

工業生產過程中，所有的操作和設備在設計之初都是有安全保障的，可以生產合格產品的[1]。而在出現的其他產品質量或安全隱患問題中，除部分設備材料自身或工況惡劣的原因外[2]，操作人員不按規程操作或因夜間連續作業疲勞造成的注意力不集中、思維遲緩、體力不支，導致的誤操作、調節滯后及操作走神等原因占有較大比例。

在人機工程學中，操作者是人-機-環境系統中的一個環節，與外界直接發生聯系的主要是運動系統、神經系統和感覺系統。人體疲勞的表現是多種多樣的，按照發生部位的不同分為體疲勞、腦疲勞和混合疲勞。人體疲勞必然影響和干擾這些系統的效率，主要體現在對動作穩定性和神經反應機能的影響，從而降低人的行為效率，出現神經反應機能的降低，導致工作能力減弱、工作效率降低及差錯率增加等現象的發生[3]。

隨著以人為本的觀念深入人心，越來越多的產品設計者將人的因素作為重點環節進行研究，追求產品實用性的同時，立足于最終產品能被大眾所接受。為此，筆者設計了一套防睡安全預警系統，并將系統安裝在操作人員的手機上，在操作人員疲勞時及時發出安全預警信息，以最大限度地減小工作差錯率、提高工作效率。

1 防睡安全預警系統的工作原理與結構①

1.1 工作原理

正常情況下，操作人員在一定時間范圍內是處于動態的，如果在規定的時間內處于靜止狀態即可視為有睡覺傾向，防睡安全預警系統立即振動報警。

1.2系統結構

防睡安全預警系統由動態感應開關(以下簡稱動感開關)、延時接通模塊、報警提示組件、信息發射接收組件和數據庫組成。防睡安全預警手機攜帶人員只要在規定的時間內連續不動，即視為睡覺，報警提示組件將會報警，并將此信息發射到數據庫中記錄。

1.2.1動感開關

防睡安全預警系統的主要控件為動感開關，動感開關的主、俯視圖如圖1所示。

a. 主視圖

b. 俯視圖

動感開關是由工程塑料或其他絕緣體制成的一個扁圓空腔。動感開關的上下面均為向里凹進的曲面，上下面內均粘貼有與曲面大小一致的金屬片，且僅與立面接觸邊緣有一個極小的縫隙。立面是由均勻凸凹曲面組成的多曲面，曲面凸凹個數與圓周曲面曲率有關，圓周曲率越大曲面凸凹個數越多。內凹立面的弧頂點只要略高于內凹立面的兩端點連接直線位置即可。外凸立面的曲面均粘貼有與外凸立面大小一致的金屬片，金屬片僅在與上下面的接觸邊緣處有一個極小的縫隙。扁圓空腔內有一個可以自由滾動的金屬球。上下面金屬片由導線6連接后導出。外凸立面金屬片由導線4全部連接后導出。當金屬球處于外凸立面上的任一金屬片時，將會使該金屬片與上下面金屬片同時接觸，將導線4、6接通。只要動感開關處于靜態，金屬球就會受重力作用將導線4、6接通。

動感開關也可以在由工程塑料或其他絕緣體制成的一個扁圓空腔內置入光控開關構成，代替金屬片。

1.2.2系統硬件組成

防睡安全預警系統的硬件組成如圖2所示。當動感開關處于靜態時，圖1中的導線4、6接通，此時延時接通開關開始工作，延時時間可設定5、10min等。當達到延時時間后，延時開關自動接通，振動電機和報警喇叭開始報警。圖2中的發射極6將報警信息發射到紅外接收管，然后通過紅外串行通信方式傳遞給上位機。

圖2 防睡安全預警系統的硬件組成

紅外通信用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒介，發送端采用脈沖調制方式，將二進制信號調制成某一頻率的脈沖序列，并驅動紅外發射管以光脈沖形式發送；接收端將接收到的光脈沖信號轉換成電信號，再經過放大、濾波等處理后送給解調電路進行解調，還原為二進制數字信號。簡言之，紅外通信的實質就是對二進制信號進行調制解調，以便利用紅外信道進行傳輸，紅外通信接口就是針對紅外信道的調制解調器[4]。

紅外接收管是一種光敏二極管，工作時紅外接收管需施加反向偏壓才能正常工作并獲得較高的靈敏度。紅外發光二極管的發射功率較小，紅外接收二極管收到的信號較弱，所以接收端要增加高增益放大電路。目前，常用的接收端是紅外線一體化接收頭，它集成了紅外接收、放大、濾波及比較器輸出等模塊，性能穩定、可靠、電路簡單[5]。該紅外通信接口信號波形穩定、抗干擾效果好，傳輸最大距離可達5m以上。

雖然單片機并不具備紅外通信接口，但可以利用單片機的串行接口與外部的紅外發射接收電路組成一個應用于單片機系統的紅外串行通信接口。單片機的紅外串行通信接口與上位機數據庫相連，數據庫自動記錄信息。當動感開關在設定的延時時間內有一次處于動態，動感開關內的金屬球將運動到立面無金屬片的內凹立面處，動感開關自行斷開，此時，延時接通電路重新計時。只要動感開關在規定的時間內處于接通與不接通的動態，延時接通電路就重復重新計時，報警與發射電路均不會接通。

防睡安全預警系統的聲控開關與圖2中的發射極7組成另一組控制電路，保證防睡安全預警系統專人專用。即根據每個人說話振動的頻率不同，可將使用人員特定語言的聲音預先設置在聲控開關聲音記錄芯片，使用者在規定的時間間隔內說出事先設定的語言，聲控開關將自動接通，發射極7將信息自動發射到接收極，而其他聲音的振動頻率聲控開關不會自動接通。接收極與計算機數據庫相連，數據庫自動記錄信息。聲音預先設定功能只有管理員有權設定。兩個發射極分別由兩個編碼集成電路組成，以區別正常使用信息與防睡預警信息。

1.2.3其他部分

防睡安全預警系統的相關組件除動感開關外，延時接通模塊、報警提示組件、聲控開關模塊、信息發射接收組件及數據庫等均有成熟產品，只要型號與功能相匹配，即可將整體全部功能集成到一個模塊中。

2 防睡安全預警系統在手機上的實現

2.1動感開關在手機上的安裝方式

目前，手機以強大的硬件支撐和無線網絡的連接作為基礎，相當于一部掌上電腦[6]。Android系統是一個開放的標準的手機平臺操作系統，Android系統上的應用程序可以實現無界訪問。Android設備上的所有移動程序都可以通過一個完整的開放接口系統來訪問設備上的核心功能模塊。同時，Android支持藍牙、WiFi和4G，支持多種音頻、視頻格式和靜態圖形檔案格式，支持組件間的復用和更換。在框架內具備多種基礎組件，在開發程序時，可直接調用這些組件。因此，防睡倒計時、短信(定時)發出等功能可直接使用Android軟件開發工具包中的接口實現，也可通過GPRS在掌上電腦上實現，通過后臺管理系統Web Service實現移動數據庫和后臺數據庫的數據同步。

若將動感開關設置在手機USB或電源口上(圖3)，需將動感開關外凸立面金屬片粘貼在內凹立面上，這樣動感開關處于動態時就會接通，處于靜態時就會斷開。與之相反，軟件要在動感開關處于斷開狀態時開始計時，接通時不計時，只要動感開關不斷處于接通與不接通狀態，報警喇叭與發射極均不會發出報警信息。這樣可以預防使用者人為地將動感開關抽出。將動感開關設置在手機的USB或電源口上，使用方便，在不使用時只需將動感開關拔出即可。

圖3 動感開關USB或電源接口俯視圖

2.2語音識別功能

語音識別在技術上就是讓被識別的聲音與系統保存的聲音樣本進行比較，得出最相近的樣本，以此作為目標發出的聲音[7]。利用此功能，可以在手機中設置聲控管理功能，實現防睡安全預警系統的專人專用功能。

語音識別過程如圖4所示。根據每個人說話聲音的頻率不同，將使用人員特定的聲音預先設置在手機中作為聲音樣本，當使用人員在規定時間內說出同樣的語言后，聲控軟件將它與預先設置在手機中的聲音樣本進行對比，結果一致后，電路自動接通并將預先設置好的短信發送至管理手機或系統數據庫中。由于其他人員的聲音與預先設置在手機中的聲音樣本不一致，因此電路均不會接通。

圖4 語音識別過程

2.3防睡手機配套服務

首先建立一個專業網站，為防睡手機提供配套服務。可在該網站上免費下載手機軟件，但軟件無發出信息與防替代功能。

手機多對一(一個管理點手機)的單機軟件與管理(管理點手機)軟件可以設計成試用軟件，供用戶定期下載。

大客戶軟件可以設計成大型數據庫。大客戶也可由眾多小客戶群組成，每個小客戶都有獨立的操作與管理界面。采用GPRS通用無線分組業務，利用數據采集傳輸儀的無線收發模塊接入商用移動網絡，進行數據傳輸[8]，實現PDA和后臺管理系統Web Service的移動數據庫和后臺數據庫的數據同步。數據庫也可提供包括人員定位系統在內的多項管理支持功能。

GPRS移動用戶可以隨時訪問自己的虛擬專用網絡，而不是每次都需要撥號上網，從而為用戶提供更加簡單的無線上網服務。同時，GPRS是以運營商傳輸的數據量而不是連接時間為基準來計費的，使得每位用戶的服務成本更加低廉。

通過附加其他的增值業務，提供特色的安保服務，使短信的成本更低、管理范圍更大，附加的手機定位功能使管理更精確、實時、容易。

3 結束語

筆者設計的防睡安全預警系統具有體積小、結構簡單、制作容易和成本低的優點。安裝有防睡安全預警系統的手機的實際運行情況表明：手機運行穩定，防睡安全預警及時、準確，管理范圍寬，一次投入與運營成本低。因此，該防睡系統可廣泛應用于個人防睡安全預警與石油、化工及電力等連續化作業中的防睡安全預警管理中，為企業的連續、安全、穩定、高效且低成本生產提供強有力的安全保障。

[1] 陳艷,安慕華,張闖.橇裝設備儀表自控系統設計原則[J].化工自動化及儀表,2013,40(12):1561～1564.

[2] 周曉康,宋賢鈞,周立民,等.石化設備實時故障分析和運行預警體系的構建[J].化工機械,2011,38(2):210～213.

[3] 石鑫龍,周振中,付貴永.基于人機工程學的人體疲勞多表征分析[J].青島理工大學學報,2013,34(5):102～106.

[4] 陳藝宏,趙鵬,吳建成.紅外數據通信接口設計[J].信息系統工程,2010,(11):77～78.

[5] 黃彬,冀恩祥,費繼友.基于紅外串行通信小型低功耗LED顯示系統的設計[J].化工自動化及儀表,2010,37(4):57～60.

[6] 董超.基于Android的手機定位服務系統設計[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2013.

[7] 牟歡.基于智能手機的呼救系統的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2014.

[8] 王曉山,宋濤.環保監測系統在石油煉化企業中的應用[J].化工自動化及儀表,2014,41(8):980～982.

DesignandApplicationofSleepWarningSystem

ZHU Xue-feng

(SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China)

A sleep warning system was designed for tired operators; and the system’s working principle, structure and realization in cell phones were raised. Application result show that this system can run stably in cell phones and warn against sleep timely and accurately.

sleep warning system, working principle, structure, cell phone, dynamic sensing switch

2015-09-14(修改稿)

TH89

B

1000-3932(2016)04-0427-04