1. Przegląd projektu
1.1 Informacje o kliencie
Klient prowadzi działalność w branży przemysłowych, inteligentnych kasków ochronnych, oferując je firmom z branży budowlanej, górniczej, naftowo-gazowej oraz przemysłu ciężkiego. Posiadał certyfikaty pasywnego sprzętu ochrony indywidualnej (PPE) i rozbudowaną sieć dealerską na trzech kontynentach. Problem polegał na tym, że konkurencja oferowała kaski z łącznością, a firma nie miała żadnych argumentów. Zlecenie polegało na przekształceniu certyfikowanej skorupy kasku w działające urządzenie IoT, bez utraty zgodności z normami EN 397 i ANSI Z89.1.
Przeczytaj także: Studium przypadku inteligentnego tabletu do wczesnej edukacji
1.2 Cele projektu
Od pierwszego dnia skupialiśmy się na sześciu celach.
- Śledzenie GPS w czasie rzeczywistym
- Automatyczne wykrywanie upadków z alarmowaniem
- Pomiar temperatury otoczenia z opcjonalnym wykrywaniem gazu
- Minimalny dwunastogodzinny czas pracy baterii
- Uszczelnienie odporne na warunki atmosferyczne IP65 lub IP67
- Projekt sprzętu, który można skalować od prototypu do produkcji masowej, bez konieczności całkowitego przeprojektowania.
Każda decyzja inżynieryjna podejmowana w dalszej części procesu odpowiadała tym sześciu wymaganiom.
2. Wyzwania branżowe w rozwoju inteligentnych kasków
2.1 Trudne warunki przemysłowe
Na placach budowy pracuje ciężki sprzęt, który generuje ciągłe wibracje. Tunele górnicze łączą wysoką wilgotność z drobnym pyłem. Platformy morskie generują rozpryski soli i wstrząsy spowodowane upadkiem sprzętu. Zbudowanie systemu czujników, który działa w laboratorium, to jeden z problemów. Zupełnie innym problemem jest utrzymanie go w odpowiedniej kalibracji po upadku z dwumetrowej wysokości na beton, przesyłającego dane przez zapylające się złącza.
2.2 Pozycjonowanie wewnątrz i na zewnątrz
GPS gubi sygnał wewnątrz budynków o stalowej konstrukcji, przejść podziemnych i gęstych magazynów. Pracownik wchodzący do tunelu znika z mapy śledzenia w momencie zerwania blokady satelitarnej. Projekt wymagał podejścia hybrydowego.
Na zewnątrz GPS zapewnia dokładność od pięciu do dziesięciu metrów, wystarczającą do zapewnienia rozeznania na poziomie obiektu. Wewnątrz budynków dominuje triangulacja radiolatarni BLE. Tam, gdzie istotne jest pozycjonowanie z dokładnością mniejszą niż metr, na przykład w strefach wykluczenia maszyn, lukę wypełniają kotwice UWB. Przełączanie między trybami odbywa się automatycznie w oparciu o siłę sygnału satelitarnego, bez konieczności ingerencji pracownika.
2.3 Niezawodność alertów w czasie rzeczywistym
Jeśli ktoś upadnie, ostrzeżenie o zagrożeniu bezpieczeństwa, które dociera do niego w ciągu czterdziestu sekund, jest zdecydowanie zbyt wolne, aby udzielić pomocy.
Oto proste wyjaśnienie:
1. Połączenie (LTE Cat-1)
Większość urządzeń korzysta LTE kat.-1 dla danych. To najlepszy wybór, ponieważ:
- Używa tego samego Sygnał 4G z którego korzysta Twój telefon.
- Szybko wysyła wiadomości.
- W porównaniu do standardowego szybkiego Internetu, zużywa bardzo mało baterii.
2. Sygnał zapasowy
Jeżeli pracownik znajduje się w odległym miejscu, w którym nie ma zasięgu sieci komórkowej, urządzenie korzysta z Lora.
- Może wysłać sygnał „SOS” i Twoją lokalizację (GPS) kilka kilometrów.
- Jest bardzo wolny, ale działa nawet gdy nie ma zasięgu 4G.
3. Pamięć lokalna
Za każdym razem, gdy pojawi się alert, urządzenie zapisuje również kopię informacji w nim zawartych. pamięć wewnętrzna.
- Jeżeli podczas wysyłania sygnał zostanie przerwany, dane nie zostaną utracone.
- Urządzenie czeka, aż pracownik powróci do obszaru sygnału.
2.4 Zarządzanie energią
Akumulator o pojemności 4,000 mAh zamontowany z przodu kasku przesuwa środek ciężkości do przodu i powoduje zmęczenie karku w ciągu kilku godzin. Akumulator seryjny ma pojemność 3,200 mAh i jest umieszczony w tylnej części skorupy, aby zrównoważyć przedni moduł elektroniczny. Odczyt GPS odbywa się w odstępach jednosekundowych podczas ruchu i spada do piętnastu sekund, gdy akcelerometr nie wykryje ruchu. Modem LTE przechodzi w stan uśpienia między oknami nadawczymi. Te zmiany łącznie wydłużyły czas pracy w terenie do piętnastu godzin, przekraczając cel dwunastogodzinny z użytecznym zapasem.
3. Projekt architektury systemu
3.1 Podstawowa platforma przetwarzania
Mózgiem tego urządzenia jest niewielki układ scalony, który doskonale radzi sobie z obliczeniami matematycznymi. Wykorzystuje on prosty program do zarządzania różnymi zadaniami, takimi jak wykrywanie upadków i wysyłanie wiadomości. Konstruktorzy wybrali mały układ scalony, ponieważ zużywa on bardzo mało energii, uruchamia się natychmiast i jest łatwiejszy w obsłudze. Urządzenie posiada również drugi, niewielki układ pomocniczy, który pozostaje w stanie czuwania przez cały czas, monitorując ruch. Pozwala to na całkowite wyłączenie głównego układu scalonego i oszczędzanie baterii, dopóki układ pomocniczy nie wykryje upadku i go nie „obudzi”.
3.2 Integracja czujników
Inercyjny moduł pomiarowy to sześcioosiowe urządzenie MEMS z trzyosiowym akcelerometrem i trzyosiowym żyroskopem na jednym układzie scalonym. Podczas detekcji aktywności akcelerometr pobiera dane z częstotliwością 400 Hz, aby zasilić system detekcji upadku. Moduł GPS ma kompaktową konstrukcję o wymiarach 18 mm i zintegrowaną antenę, co pozwala na zimny start w czasie poniżej trzydziestu sekund na otwartej przestrzeni.
Jednoprzewodowy czujnik temperatury monitoruje warunki termiczne otoczenia i akumulatora. Dwa opcjonalne porty czujnika gazu obsługują elektrochemiczne moduły CO i H₂S za pośrednictwem standardowego złącza, dzięki czemu ta sama płytka PCB sprawdza się zarówno w standardowych konstrukcjach, jak i w środowiskach o wysokim ryzyku występowania gazów.
3.3 Architektura komunikacji
Cztery protokoły tworzą stos łączności. LTE Cat-1 obsługuje podstawową transmisję danych i alertów. Bluetooth 5.0 zarządza parowaniem z towarzyszącą aplikacją mobilną, a także obsługuje funkcję pozycjonowania wewnątrz budynków poprzez skanowanie punktów kontrolnych BLE. LoRa zapewnia łączność awaryjną w przypadku awarii sieci komórkowej. Sprzętowy przycisk SOS, niezależnie od stanu oprogramowania sprzętowego, uruchamia alert nawet w przypadku awarii głównej aplikacji.
3.4 Integracja chmury i zaplecza
Dane docierają do chmury za pośrednictwem brokera MQTT, wybranego ze względu na niskie obciążenie na ograniczonych łączach komórkowych. Panel internetowy pokazuje aktualne pozycje pracowników na nakładce planu obiektu, oznaczone kolorami według stanu aktywności. Zdarzenia związane z upadkiem, naruszenia geofence i aktywacje SOS tworzą rejestry zdarzeń z sygnaturą czasową. Dostawa oprogramowania układowego OTA umożliwia przesyłanie aktualizacji do całej floty bez konieczności fizycznego wycofywania kasków.
4. Inżynieria PCB i sprzętu
4.1 Kompaktowa konstrukcja wielowarstwowej płytki PCB
Główna płytka PCB ma konstrukcję sześciowarstwową o wymiarach 58 mm na 42 mm. Płaszczyzna uziemienia RF znajduje się bezpośrednio pod górną warstwą sygnałową, co zapewnia krótkie ścieżki antenowe i kontrolę impedancji. Modem LTE i moduł GPS zajmują przeciwległe narożniki płytki, oddzielone miedzianą barierą, która blokuje odczulanie odbiornika przez nadajnik LTE. Osłony EMI są przylutowane do obu sekcji RF. Warstwa wewnętrzna jest prowadzona pod kątem 45 stopni, a nie pod kątem prostym, aby zredukować odbicia wysokich częstotliwości.
4.2 System zarządzania energią
Układ zarządzania energią obejmuje cztery zadania: ładowanie akumulatora prądem do 1 A, dystrybucję mocy na szynach 1.8 V, 3.3 V i 5 V, raportowanie stanu naładowania akumulatora przez I2C oraz ochronę przed przepięciem, przetężeniem i głębokim rozładowaniem. Ładowanie odbywa się zarówno z portu USB-C, jak i złącza pogo-pin w stacji dokującej. Dedykowany układ wskaźnika poziomu naładowania śledzi pozostały poziom naładowania z błędem temperatury poniżej trzech procent. Oprogramowanie układowe odczytuje tę wartość co trzydzieści sekund i raportuje ją wraz z danymi o położeniu.
4.3 Moduł elektroniczny odporny na uderzenia
Płytka PCB montowana jest na czterech dystansach M2 z podkładkami neoprenowymi pomiędzy płytką a ramą, absorbując szczytowe przyspieszenie przy upadku z wysokości dwóch metrów. Zalane złącza na wszystkich zewnętrznych wiązkach przewodów blokują wilgoć w miejscach, gdzie kable wychodzą z obudowy modułu. Sama obudowa jest wykonana z tworzywa ABS o grubości ścianki 2.5 mm i posiada nakładkę z tworzywa TPE na styku z obudową, co zapewnia szczelność wymaganą dla IP67 zgodnie z normą IEC 60529.
5. Projektowanie mechaniczne i przemysłowe
5.1 Integracja strukturalna hełmu
Moduł elektroniczny umieszczany jest w zagłębieniu zbudowanym w tylnej części obudowy podczas obróbki, a nie wcinanym w istniejącą obudowę później.
To rozróżnienie pozwoliło zachować geometrię konstrukcji w stanie nienaruszonym podczas testów tłumienia uderzeń zgodnie z normą EN 397. Powłoka przeszła wielokrotne testy upadku z pełnym ładunkiem elektronicznym, potwierdzając, że dodatkowa masa nie wpłynęła na zmniejszenie ochrony. Pracownicy mogą wymienić akumulator w terenie, ale demontaż modułu głównego wymaga użycia narzędzia, co zapobiega przypadkowemu demontażowi na miejscu.
5.2 Ergonomia i wygoda
Całkowita waga zmontowanego hełmu z akumulatorem wynosi 520 gramów, co mieści się w zakresie dopuszczalnym dla ośmiogodzinnego ciągłego noszenia. Sześciopunktowe wewnętrzne pasy zapadkowe zostały przeprojektowane z 15-milimetrowym przesunięciem do przodu, co przesuwa środek ciężkości hełmu do tyłu, aby przeciwdziałać obciążeniu elektroniki z przodu. Kanały wentylacyjne w skorupie pozostają drożne. Testy w temperaturze otoczenia 38°C potwierdziły, że moduł elektroniczny nie generuje punktów koncentracji ciepła na skórze głowy pracownika.
5.3 Konstrukcja modułowa
Akumulator wysuwa się przez boczny otwór i blokuje mechanizmem wymagającym ćwierć obrotu. Wymiana zajmuje mniej niż trzydzieści sekund bez użycia narzędzi. W miejscach pracy w dzień i w nocy pracownicy trzymają przy sobie dodatkowe akumulatory. Pracownicy na przykład wymieniają rozładowany akumulator na pełny, dzięki czemu hełm działa bez zarzutu. Można również stworzyć hełm wykrywający gazy, nie trzeba kupować zupełnie nowej płytki drukowanej. Wystarczy odłączyć starą część i podłączyć nowy moduł czujnika za pomocą prostego złącza, co jest znacznie łatwiejsze i tańsze.
6. Funkcje oprogramowania i sztucznej inteligencji
6.1 Algorytm wykrywania upadku
Podejście oparte wyłącznie na progach generuje zbyt wiele fałszywych alarmów, takich jak kucanie pracowników, wspinanie się po drabinach czy upuszczanie kasku na powierzchnię. Zamiast tego algorytm uruchamia trzy fazy. Faza pierwsza monitoruje sygnaturę swobodnego spadania: utrzymujące się odczyty niskiego g we wszystkich trzech osiach, które oznaczają fazę nieważkości rzeczywistego upadku.
Faza druga wykrywa zdarzenie o dużej sile rażenia przekraczające konfigurowalny próg. Faza trzecia czeka osiem sekund, aż pracownik wznowi normalny ruch. Jeśli tego nie zrobi, zdarzenie jest klasyfikowane jako upadek i uruchamiany jest alarm. W porównaniu z konstrukcją z jednym progiem, to trójfazowe podejście zmniejszyło liczbę uciążliwych alarmów o około siedemdziesiąt procent w testach terenowych.
6.2 Geofencing i strefy bezpieczeństwa
Menedżerowie używają mapy komputerowej do oznaczania stref bezpieczeństwa, takich jak miejsca wybuchów lub miejsca pod wysokim napięciem. Jeśli pracownik wejdzie w jedną z tych stref, urządzenie natychmiast wysyła ostrzeżenie. Urządzenie jest na tyle inteligentne, że samo rozpoznaje położenie tych stref. Oznacza to, że nawet jeśli sygnał internetowy jest słaby, alarm i tak się włączy, aby zapewnić bezpieczeństwo pracownika.
6.3 Komunikacja awaryjna
Naciśnięcie przycisku SOS generuje priorytetowy pakiet z współrzędnymi GPS, identyfikatorem urządzenia i znacznikiem czasu. Pakiet jest przesyłany jednocześnie przez wszystkie dostępne nośniki, najpierw LTE, a w trybie awaryjnym LoRa. Platforma sygnalizuje zdarzenia SOS z najwyższym priorytetem i może wysyłać powiadomienia SMS do wstępnie skonfigurowanych kontaktów alarmowych. Opcjonalny dwukierunkowy moduł głosowy wykorzystuje połączenie LTE, dzięki czemu kierownik budowy może rozmawiać bezpośrednio z niezdolnym do pracy pracownikiem bez konieczności korzystania z oddzielnego radia.
7. Bezpieczeństwo i zgodność
7.1 Normy bezpieczeństwa kasków
Ten kask ochronny spełnia najwyższe oficjalne normy bezpieczeństwa obowiązujące w Ameryce, Europie i Kanadzie. Najważniejsze jest to, że kask został przetestowany i zatwierdzony z całą elektroniką już w środku. Wymagało to ścisłej współpracy z laboratorium testowym podczas projektowania narzędzi. Każda zmiana geometrii skorupy po zatwierdzeniu wstępnej certyfikacji wymagała ponownego, pełnego testu, więc uzyskanie poprawnego projektu wnęki już podczas pierwszej rewizji narzędzi było nie do zaakceptowania.
7.2 Zgodność elektroniczna
Zespół radiowy posiada autoryzację FCC dla Ameryki Północnej oraz oznaczenie CE zgodnie z dyrektywą w sprawie urządzeń radiowych dla Europy. Zgodność z dyrektywą RoHS została potwierdzona w procesie pozyskiwania komponentów poprzez wymaganie dokumentacji od każdego dostawcy przed złożeniem zamówienia. Akumulator posiada certyfikat UN38.3 dla transportu lotniczego, którego klient potrzebował do dystrybucji międzynarodowej. Deklaracja REACH obejmuje pełną listę materiałów.
7.3 Normy badań środowiskowych
Szczelność IP67 potwierdzono poprzez zanurzenie w wodzie na głębokość jednego metra na trzydzieści minut, bez ryzyka wnikania wody. Testy wibracyjne przeprowadzono na złożonym hełmie na stole wibracyjnym, zgodnie z profilem IEC 60068-2-6, przez dwie godziny na oś. Cykle termiczne obejmowały temperatury od minus dwudziestu do plus siedemdziesięciu stopni Celsjusza w dwudziestu cyklach. Testy emisji promieniowania EMC potwierdziły, że urządzenie nie zakłóca komunikacji radiowej na placu budowy ani bezprzewodowych sieci czujników już zainstalowanych na placach budowy.
8. Testowanie i walidacja
8.1 Testowanie funkcjonalne
Do testów dokładności GPS wykorzystano referencyjny odbiornik GNSS do porównania odczytów z trzydziestu punktów na otwartym terenie. Odczyt GPS w hełmie odpowiadał odniesieniom średnio z dokładnością do 4.2 metra. Kalibracja akcelerometru odbywała się za pomocą sześciopozycyjnego, statycznego przyrządu pomiarowego w celu weryfikacji ustawienia osi i korekty przesunięcia. Testy przepustowości LTE zmierzyły czas wysyłania pełnego pakietu danych z czujnika przy poziomach sygnału do minus 110 dBm, potwierdzając transmisję na granicy sieci komórkowej, gdzie znajduje się wiele placów budowy.
8.2 Testowanie trwałości
Płytka PCB przetrwała wielokrotne upadki z wysokości 1.5 metra na stalową płytę, co zostało potwierdzone dziesięciokrotnym powiększeniem i pełnym testem funkcjonalnym po każdym zdarzeniu. Brak uszkodzeń połączeń lutowanych i rozwarstwienia złączy. 500-godzinny test wibracyjny na profilu wstrząsowym w samochodzie nie wykazał migracji komponentów. Sześćdziesiąt dni ekspozycji na warunki atmosferyczne w dziesięciu zmontowanych jednostkach zakończyło się pełną weryfikacją funkcjonalną wszystkich jednostek.
8.3 Testowanie baterii i wydajności
Piętnaście jednostek poddano symulacji w terenie: połączenie LTE, odpytywanie GPS w odstępach jednosekundowych, aktywna reklama BLE, rejestrowanie danych z czujników co pięć sekund. Średni czas pracy całej floty wyniósł 15.3 godziny. Trzy jednostki przekroczyły szesnaście godzin. Żadna nie spadła poniżej czternastu. Po 500 pełnych cyklach ładowania i rozładowania wszystkie akumulatory zachowały ponad 80% pojemności, co odpowiada okresowi wymiany w terenie wynoszącemu od osiemnastu miesięcy do dwóch lat przy codziennym użytkowaniu.
9. Produkcja i produkcja masowa
9.1 Optymalizacja DFM
Przegląd projektu pod kątem produkcji przy minimalnym zamówieniu 500 sztuk zidentyfikował trzy punkty redukcji kosztów. Osłony RF zastąpiono blachami giętymi na zamówienie elementami tłoczonymi, co pozwoliło obniżyć koszt jednostkowy o 22%. Alternatywny moduł GPS o identycznych parametrach elektrycznych został zakwalifikowany od drugiego dostawcy, eliminując ryzyko związane z pojedynczym źródłem. Racjonalizacja punktów testowych zmniejszyła złożoność osprzętu ICT i skróciła czas testu jednostkowego z 4.5 minuty do 2.8 minuty.
9.2 SMT i montaż
Montaż PCB odbywa się w sześciostrefowym piecu reflow, dostosowanym do wymagań lutowniczych modemu BGA LTE. Kontrola rentgenowska obejmuje każdą płytkę, aby potwierdzić integralność połączeń BGA. Dwuskładnikowa silikonowa uszczelka jest stosowana między obudową PCB a wnęką obudowy, a jej kompresja jest kontrolowana za pomocą momentu obrotowego na czterech śrubach M3. Ostateczne flashowanie oprogramowania układowego odbywa się za pomocą gniazda pogo-pin, które programuje wszystkie cztery obszary pamięci, uruchamia autotest i zapisuje numer seryjny urządzenia w pamięci nieulotnej w cyklu sześćdziesięciosekundowym.
9.3 Zapewnienie jakości
Każdy egzemplarz przechodzi automatyczne testy funkcjonalne obejmujące akwizycję GPS, rejestrację LTE, reklamę BLE, reakcję akcelerometru, aktywację przycisków, dokładność napięcia baterii oraz integralność uszczelnienia IP poprzez test spadku ciśnienia. 48-godzinne wygrzewanie w temperaturze 45°C eliminuje wady śmiertelne u niemowląt przed wysyłką. Dwa procent egzemplarzy przechodzi testy RF w odniesieniu do skalibrowanego wzorca, aby wykryć wady montażowe anteny, które przechodzą kontrolę wizualną.
10. Wyniki projektu
10.1 Osiągnięcia techniczne
Wersja produkcyjna zapewniała dokładność GPS poniżej pięciu metrów na zewnątrz i dokładność BLE od jednego do dwóch metrów w pomieszczeniach wyposażonych w nadajniki. Kask doskonale rozpoznaje upadki. W testach jego wskazania były trafne w 98% przypadków. Prawie nigdy nie uruchamia fałszywego alarmu przez pomyłkę. Żywotność baterii wynosi ponad 15 godzin. Dzięki temu można go używać przez cały dzień.
10.2 Wdrożenie rynkowe
Podczas pierwszego wdrożenia na platformie znalazło się 1,200 pracowników z trzech aktywnych placów budowy. Panel nawigacyjny śledził aktualne pozycje i generował automatyczne raporty bezpieczeństwa. W ciągu pierwszych sześćdziesięciu dni flota zarejestrowała czternaście rzeczywistych upadków, z których każdy skutkował szybką reakcją przełożonego. Platforma OEM umożliwia regionalnym dystrybutorom stosowanie własnego brandingu, dostosowywanie konfiguracji geofence dla konkretnych typów placów budowy oraz wybór między standardowymi wariantami czujników a czujnikami gazu z poziomu wspólnej jednostki bazowej.
11. Przyszła ekspansja
11.1 Integracja wideo AI
Wariant z modułem kamery posiada szerokokątny czujnik z przodu. Wnioskowanie na urządzeniu za pomocą skompresowanego modelu CNN sygnalizuje nieprzestrzeganie zasad dotyczących środków ochrony indywidualnej, na przykład zdjęcie kasku przez pracownika w strefie obowiązkowej, bez strumieniowania surowego obrazu do chmury. Przetwarzanie brzegowe rozwiązuje zarówno ograniczenia przepustowości, jak i kwestie prywatności pracowników, bez konieczności wprowadzania zmian w infrastrukturze na miejscu.
11.2 Inteligentny ekosystem budowlany
Kask łączy się z połączoną kamizelką bezpieczeństwa z własnymi czujnikami, tworząc sieć obszarów ciała dla każdego pracownika. Oba urządzenia korzystają z jednej tożsamości w chmurze, dzięki czemu platforma może porównywać dane dotyczące postawy kamizelki z danymi dotyczącymi ruchu kasku, co pozwala na dokładniejszą ocenę ryzyka ergonomicznego. Analityka floty sygnalizuje miejsca lub zmiany o statystycznie podwyższonej liczbie incydentów przed wystąpieniem urazu, a nie po nim.
12. Dlaczego to podejście do rozwoju działa
Zaprojektowanie inteligentnego kasku ochronnego to nie projekt programistyczny z dołączonym sprzętem. Standard kasku jest priorytetem, a elektronika działa w ramach tego, co pozostało. Ta sekwencja wymaga zespołu, który przeprowadził programy certyfikacyjne, zna ograniczenia konstrukcyjne zawarte w normach EN 397 i ANSI Z89.1 oraz projektuje geometrię PCB w oparciu o dostępną przestrzeń obudowy, zamiast oczekiwać, że obudowa pomieści standardowy moduł. W rezultacie powstaje urządzenie, które nie wymaga od kierownika budowy wyboru między ochroną pracownika a łącznością. Oba są certyfikowane, oba są utrzymywane poprzez aktualizacje OTA i oba są skalowalne wraz z rozwojem wdrożenia.
Gotowy na stworzenie inteligentnego kasku ochronnego lub inteligentnego urządzenia do noszenia w przemyśle? Skontaktuj się z zespołem inżynierów Wonderful PCB aby określić zakres Twojego indywidualnego rozwiązania w zakresie bezpieczeństwa pracowników.
