1. Prehľad projektu
1.1 Pozadie klienta
Klient prevádzkuje priemyselnú inteligentnú ochrannú prilbu, ktorú predáva do stavebníctva, baníctva, ropného a plynárenského priemyslu a ťažkého priemyslu. Vlastnil certifikácie pasívnych OOP a mal solídnu sieť predajcov na troch kontinentoch. Problém bol v tom, že konkurenti dodávali pripojené prilby a táto spoločnosť nemala čím reagovať. Úlohou bolo vziať certifikovanú škrupinu ochrannej prilby a premeniť ju na živé zariadenie internetu vecí bez straty noriem EN 397 a ANSI Z89.1.
Prečítajte si tiež: Prípadová štúdia inteligentného tabletu pre rané vzdelávanie
1.2 Ciele projektu
Od prvého dňa sme sa zamerali na šesť cieľov.
- GPS sledovanie v reálnom čase
- Automatická detekcia pádu s upozornením
- Snímanie teploty prostredia s voliteľnou detekciou plynu
- Minimálna dvanásťhodinová výdrž batérie
- Vodotesné tesnenie IP65 alebo IP67
- Hardvérový dizajn škálovateľný od prototypu až po hromadnú výrobu bez úplného opätovného roztočenia.
Každé inžinierske rozhodnutie v následných fázach zodpovedalo týmto šiestim požiadavkám.
2. Výzvy v odvetví vývoja inteligentných prilieb
2.1 Náročné priemyselné prostredie
Staveniská prevádzkujú ťažké stroje, ktoré neustále vibrujú. Banské tunely kombinujú vysokú vlhkosť s jemným prachom. Pobrežné plošiny pridávajú soľnú hmlu a otrasy z padajúcich zariadení. Vytvorenie senzorového systému, ktorý funguje v laboratóriu, je jeden problém. Udržiavanie jeho kalibrácie po páde z dvojmetrovej výšky na betón, ktorý prenáša signál cez konektory zanesené prachom, je úplne iný problém.
2.2 Umiestnenie v interiéri a exteriéri
GPS stráca signál vo vnútri budov s oceľovou konštrukciou, podzemných chodieb a hustých skladových podláh. Pracovník vchádzajúci do tunela zmizne z mapy sledovania v momente, keď sa satelitný zámok pokazí. Projekt si vyžadoval hybridný prístup.
V exteriéri poskytuje GPS presnosť päť až desať metrov, čo stačí na zabezpečenie prehľadu na úrovni lokality. V interiéri preberá úlohu triangulácia signálu BLE. Tam, kde je dôležitá poloha s presnosťou pod meter, napríklad v zónach s vylúčením strojov, medzeru vypĺňajú kotvy UWB. Prepínanie medzi režimami prebieha automaticky na základe sily satelitného signálu bez nutnosti zásahu pracovníka.
2.3 Spoľahlivosť upozornení v reálnom čase
Ak niekto spadne, bezpečnostné upozornenie, ktoré dorazí za štyridsať sekúnd, je príliš pomalé na to, aby pomohlo.
Tu je jednoduché rozdelenie:
1. Pripojenie (LTE Cat-1)
Väčšina zariadení používa LTE Cat-1 pre dáta. Je to najlepšia voľba, pretože:
- Používa to isté 4G signál váš telefón používa.
- Rýchlo posiela správy.
- V porovnaní so štandardným vysokorýchlostným internetom spotrebuje veľmi málo batérie.
2. Záložný signál
Ak sa pracovník nachádza v odľahlej oblasti bez signálu mobilného telefónu, zariadenie používa Lora.
- Dokáže odoslať signál „SOS“ a vašu polohu (GPS) niekoľko kilometrov.
- Je veľmi pomalý, ale funguje aj bez 4G.
3. Lokálna pamäť
Vždy, keď sa vyskytne upozornenie, zariadenie uloží aj kópiu informácií vo vnútri vnútorná pamäť.
- Ak sa signál počas odosielania preruší, dáta sa nestratia.
- Zariadenie čaká, kým sa pracovník nevráti do oblasti signálu.
2.4 Správa napájania
Batéria s kapacitou 4 000 mAh umiestnená v prednej časti prilby posúva ťažisko dopredu a spôsobuje únavu krku v priebehu niekoľkých hodín. Sériová batéria má kapacitu 3 200 mAh a je umiestnená v zadnej časti prilby, aby vyvažovala predný elektronický modul. GPS snímanie údajov prebieha v sekundových intervaloch počas pohybu a skracuje sa na pätnásť sekúnd, keď akcelerometer nedetekuje žiadny pohyb. LTE modem prechádza medzi prenosovými oknami do režimu spánku. Tieto úpravy spolu posunuli prevádzkovú dobu na pätnásť hodín, čím sa o užitočnú rezervu vyrovnal cieľ dvanástich hodín.
3. Návrh architektúry systému
3.1 Platforma pre základné spracovanie
Mozgom tohto zariadenia je malý čip, ktorý je veľmi dobrý v matematických výpočtoch. Používa jednoduchý program na riadenie rôznych úloh, ako je kontrola pádov a odosielanie správ. Výrobcovia si pre zariadenie vybrali malý mozog, pretože spotrebuje veľmi málo energie, okamžite sa spustí a je jednoduchšie ovládateľný. K dispozícii je aj druhý, malý pomocný čip, ktorý zostáva neustále v režime spánku, aby sledoval pohyb. To umožňuje hlavnému mozgu úplne sa vypnúť a šetriť batériu, kým pomocný čip nezaznamená pád a „nezobudí“ ho.
3.2 Integrácia senzorov
Inerciálna meracia jednotka je šesťosové MEMS zariadenie s trojosovým akcelerometrom a trojosovým gyroskopom na jednom čipe. Počas detekcie aktivity akcelerometer meria vzorky s frekvenciou 400 Hz, aby napájal systém detekcie pádu. GPS modul má kompaktné rozmery 18 mm s integrovanou anténou a dosahuje studený štart za menej ako tridsať sekúnd na otvorenom priestranstve.
Jednovodičový teplotný senzor monitoruje teplotné podmienky okolia a batérie. Dva voliteľné porty pre plynové senzory akceptujú elektrochemické moduly CO a H2S prostredníctvom štandardizovaného konektora, takže tá istá základná doska plošných spojov funguje pre štandardnú konštrukciu aj pre prostredie s vysokým rizikom plynov.
3.3 Komunikačná architektúra
Štyri protokoly tvoria vrstvu konektivity. LTE Cat-1 zabezpečuje prenos primárnych dát a upozornení. Bluetooth 5.0 spravuje párovanie s mobilnou aplikáciou a tiež riadi funkciu určovania polohy v interiéri skenovaním signálov BLE. LoRa zabezpečuje núdzovú komunikáciu v prípade výpadku mobilného pripojenia. Hardvérové tlačidlo SOS, nezávislé od stavu firmvéru, spustí upozornenie aj v prípade zlyhania hlavnej aplikácie.
3.4 Integrácia cloudu a backendu
Dáta sa do cloudu dostávajú prostredníctvom brokera MQTT, ktorý je zvolený pre nízke réžijné náklady na obmedzené mobilné spojenia. Webový dashboard zobrazuje polohy pracovníkov v reálnom čase na prekrytí plánu lokality, farebne odlíšené podľa stavu aktivity. Pádové udalosti, narušenia geofence a aktivácie SOS vytvárajú záznamy o incidentoch s časovou pečiatkou. Doručovanie firmvéru OTA rozširuje aktualizácie v rámci celej flotily bez fyzického sťahovania prilieb.
4. DPS a hardvérové inžinierstvo
4.1 Kompaktný viacvrstvový dizajn dosky plošných spojov
Hlavná doska plošných spojov (PCB) má šesť vrstiev s rozmermi 58 mm x 42 mm. Uzemňovacia rovina pre rádiové siete (RF) sa nachádza priamo pod vrchnou signálovou vrstvou, čím sa zabezpečujú krátke anténne dráhy s riadenou impedanciou. Modem LTE a modul GPS sa nachádzajú v protiľahlých rohoch dosky, oddelené medenou bariérou, ktorá blokuje znecitlivenie prijímača z vysielača LTE. Na oboch RF sekciách sú spájkované tienené plechovky proti elektromagnetickému rušeniu (EMI). Vnútorná vrstva využíva 45-stupňové ohyby namiesto pravých uhlov na zníženie vysokofrekvenčných odrazov.
4.2 Systém riadenia napájania
Integrovaný obvod pre správu napájania pokrýva štyri úlohy: nabíjanie batérie prúdom až 1 A, distribúciu napájania medzi napájacími vedeniami 1.8 V, 3.3 V a 5 V, hlásenie stavu nabitia batérie cez I2C a ochranu pred prepätím, nadprúdom a hlbokým vybitím. Nabíjanie prijíma vstup z USB-C aj z kontaktu pogo-pin na dokovacej stanici. Špeciálny integrovaný obvod pre ukazovateľ stavu nabitia sleduje zostávajúcu kapacitu s chybou menej ako tri percentá v závislosti od teploty. Firmvér číta túto hodnotu každých tridsať sekúnd a hlási ju spolu s údajmi o polohe.
4.3 Elektronický modul odolný voči nárazom
Doska plošných spojov sa montuje na štyri dištančné stĺpiky M2 s neoprénovými podložkami medzi doskou a rámom, ktoré absorbujú špičkové zrýchlenie pri páde z dvojmetrovej výšky. Zaliate konektory na všetkých externých káblových zväzkoch blokujú vlhkosť v miestach, kde káble vychádzajú z puzdra modulu. Samotné puzdro je vyrobené z 2.5 mm hrubého ABS plastu s povlakom TPE na rozhraní plášťa, čím sa vytvára tesnenie požadované pre krytie IP67 podľa normy IEC 60529.
5. Strojársky a priemyselný dizajn
5.1 Štrukturálna integrácia prilby
Elektronický modul sa nachádza v dutine zabudovanej do zadného obočia škrupiny počas obrábania, nie je následne vyrezaný do existujúcej škrupiny.
Vďaka tomuto rozdielu sa zachovala štrukturálna geometria neporušená pre testovanie tlmenia nárazu podľa normy EN 397. Plášť prešiel opakovanými pádovými testami s nainštalovaným plným elektronickým zaťažením, čo potvrdilo, že pridaná hmotnosť neznížila ochranu. Pracovníci môžu vymeniť batériu v teréne, ale na vybratie hlavného modulu je potrebný nástroj, ktorý zabráni náhodnej demontáži na mieste.
5.2 Ergonómia a pohodlie
Celková hmotnosť prilby s batériou je 520 gramov, čo je v rozsahu prijateľnom pre osemhodinové nepretržité nosenie. Šesťbodový vnútorný račňový postroj bol prepracovaný s 15 mm posunutím dopredu, čím sa vyváženie prilby posúva dozadu, aby sa vyvážilo zaťaženie prednej elektroniky. Vetracie kanály v škrupine zostávajú voľné. Testovanie pri okolitej teplote 38 °C potvrdilo, že elektronický modul nevytvára žiadne body koncentrácie tepla na pokožke hlavy pracovníka.
5.3 Modulárny dizajn
Batériový blok sa vysúva cez bočný otvor a zaisťuje sa štvrťotáčkovým mechanizmom. Výmena trvá menej ako tridsať sekúnd bez použitia náradia. Na pracoviskách vo dne aj v noci si ľudia nosia so sebou náhradné batérie na nabíjanie. Pracovníci napríklad vymenia vybitú batériu za plnú, takže prilba nikdy neprestane fungovať. Môžete si tiež vyrobiť prilbu na detekciu plynu, nemusíte kupovať úplne novú vnútornú dosku plošných spojov. Stačí odpojiť starú časť a zapojiť nový senzorový modul pomocou jednoduchého konektora, čo je oveľa jednoduchšie a lacnejšie.
6. Funkcie softvéru a umelej inteligencie
6.1 Algoritmus detekcie pádu
Prístup zameraný len na prahovú hodnotu produkuje príliš veľa falošných spúšťačov od pracovníkov, ktorí sa krčia, lezia po rebríkoch alebo im prilba padá na povrch. Algoritmus namiesto toho beží v troch fázach. Prvá fáza sleduje charakteristiky voľného pádu: trvalé nízke hodnoty g na všetkých troch osiach, čo označuje beztiažovú fázu skutočného pádu.
Druhá fáza detekuje udalosť s vysokým dopadom, ktorá prekročí konfigurovateľný prah. Tretia fáza čaká osem sekúnd, kým pracovník obnoví normálny pohyb. Ak tak neurobí, udalosť sa klasifikuje ako pád a spustí sa výstraha. V porovnaní s dizajnom s jedným prahom tento trojfázový prístup znížil v terénnych skúškach počet obťažujúcich výstrah približne o sedemdesiat percent.
6.2 Geofencing a bezpečnostné zóny
Manažéri používajú počítačovú mapu na vyznačenie bezpečnostných rámcov okolo nebezpečných oblastí, ako sú miesta s možnosťou výbuchu alebo vysokého napätia. Ak pracovník vstúpi do jednej z týchto oblastí, zariadenie okamžite odošle varovanie. Zariadenie je dostatočne inteligentné na to, aby samo vedelo, kde sa tieto zóny nachádzajú. To znamená, že aj keď je internetový signál slabý, alarm sa spustí, aby bol pracovník v bezpečí.
6.3 Núdzová komunikácia
Stlačením tlačidla SOS sa vygeneruje prioritný paket so súradnicami GPS, ID zariadenia a časovou pečiatkou. Paket sa prenesie cez všetky dostupné nosiče naraz, najprv LTE a ako záložný LoRa. Platforma označí udalosti SOS na najvyššej úrovni priority a môže odosielať SMS upozornenia vopred nakonfigurovaným núdzovým kontaktom. Voliteľný obojsmerný hlasový modul využíva pripojenie LTE, takže vedúci prevádzky môže hovoriť priamo s práceneschopným pracovníkom bez samostatnej rádiovej komunikácie.
7. Bezpečnosť a súlad
7.1 Bezpečnostné normy pre prilby
Táto bezpečnostná prilba spĺňa najvyššie oficiálne bezpečnostné predpisy pre Ameriku, Európu a Kanadu. Najdôležitejšie je, že prilba bola testovaná a schválená so všetkou elektronikou, ktorá už bola vo vnútri. To si vyžadovalo úzku koordináciu s testovacím laboratóriom počas návrhu nástrojov. Akákoľvek zmena geometrie škrupiny po počiatočnom schválení certifikácie spúšťa kompletný opakovaný test, takže dosiahnutie správneho návrhu dutiny pri prvej revízii nástrojov bolo nevyhnutné.
7.2 Elektronický súlad
Rádiová zostava má autorizáciu FCC pre Severnú Ameriku a označenie CE podľa smernice o rádiových zariadeniach pre Európu. Súlad s RoHS bol potvrdený pri získavaní komponentov vyžadovaním dokumentácie od každého dodávateľa pred zadaním objednávok. Batériový blok má certifikáciu UN38.3 pre leteckú prepravu, ktorú klient potreboval pre medzinárodnú distribúciu. Vyhlásenie REACH sa vzťahuje na kompletný zoznam materiálov.
7.3 Normy environmentálneho testovania
Stupeň tesnosti IP67 bol overený ponorením do vody do hĺbky jedného metra na tridsať minút bez prieniku. Vibračné testy vykonali zostavenú prilbu na vibračnom stole s profilom IEC 60068-2-6 po dobu dvoch hodín na os. Tepelné cykly zahŕňali teplotu od mínus dvadsať do plus sedemdesiat stupňov Celzia počas dvadsiatich cyklov. Testy vyžarovaného elektromagnetického lúča potvrdili, že zariadenie nenarúša rádiovú komunikáciu na staveniskách ani bezdrôtové senzorové siete, ktoré sú už nasadené na staveniskách.
8. Testovanie a validácia
8.1 Funkčné testovanie
Testovanie presnosti GPS použilo referenčný GNSS prijímač na porovnanie údajov z tridsiatich bodov na otvorenom poli. GPS na prilbe sa zhodovalo s referenčným signálom v priemere s presnosťou 4.2 metra. Kalibrácia akcelerometra použila šesťpolohový statický prípravok na overenie zarovnania osí a korekcie odchýlky. Testovanie priepustnosti LTE meralo čas odosielania pre celý paket senzorov pri úrovniach signálu až do mínus 110 dBm, čím sa potvrdil prenos na okraji bunky, kde sa nachádza mnoho stavenísk.
8.2 Skúšanie trvanlivosti
Doska plošných spojov prežila opakované pády z výšky 1.5 metra na oceľovú dosku, čo bolo overené vizuálnou kontrolou s desaťnásobným zväčšením a kompletným funkčným testom po každej udalosti. Žiadne poruchy spájkovaných spojov, žiadne oddelenie konektorov. 500-hodinový nepretržitý vibračný test na profile automobilového vibrátora nepreukázal žiadnu migráciu súčiastok. Šesťdesiat dní vystavenia vonkajším poveternostným vplyvom na desiatich zostavených jednotkách sa skončilo kompletným funkčným overením všetkých jednotiek.
8.3 Testovanie batérie a výkonu
Pätnásť jednotiek spustilo protokol simulácie v teréne: pripojené k LTE, dotazovanie GPS v sekundových intervaloch, aktívne BLE reklamovanie, zaznamenávanie údajov zo senzorov každých päť sekúnd. Priemerná doba prevádzky v celej flotile bola 15.3 hodiny. Tri jednotky prekročili šestnásť hodín. Žiadna neklesla pod štrnásť. Po 500 cykloch úplného nabitia a vybitia si všetky batérie udržali kapacitu nad 80 percent, čo zodpovedá osemnásťmesačnému až dvojročnému intervalu výmeny v teréne pri každodennom používaní.
9. Výroba a hromadná výroba
9.1 Optimalizácia DFM
Preskúmanie návrhu pre výrobu pri minimálnej objednávke 500 kusov identifikovalo tri body na zníženie nákladov. Plechovky rádiofrekvenčných tieniacich systémov prešli z plechov ohýbaných na mieru na lisované diely, čím sa znížili náklady na jednotku o 22 percent. Alternatívny GPS modul s identickými elektrickými špecifikáciami bol schválený od druhého dodávateľa, čím sa odstránilo riziko jediného zdroja. Racionalizácia testovacích bodov znížila zložitosť prípravkov ICT a skrátila čas testovania na jednotku zo 4.5 minúty na 2.8 minúty.
9.2 SMT a montáž
Montáž dosky plošných spojov prebieha v šesťzónovej reflow peci, ktorá je postavená na požiadavkách na spájkovanie modemu BGA LTE. Každá doska je podrobená röntgenovej kontrole, aby sa potvrdila integrita spoja BGA. Medzi puzdrom dosky plošných spojov a dutinou krytu sa nachádza dvojzložkové silikónové tesnenie, pričom kompresia je riadená špecifikáciou krútiaceho momentu na štyroch upevnených skrutkách M3. Finálne aktualizovanie firmvéru využíva kolísku s pogo-pinmi, ktorá naprogramuje všetky štyri pamäťové oblasti, vykoná autotest a zapíše sériové číslo jednotky do energeticky nezávislej pamäte v šesťdesiatich sekundách.
9.3 Zabezpečenie kvality
Každá jednotka prechádza automatizovaným funkčným testovaním, ktoré zahŕňa prijímanie GPS signálov, registráciu LTE, reklamu BLE, odozvu akcelerometra, ovládanie tlačidiel, presnosť napätia batérie a integritu IP tesnenia prostredníctvom testu poklesu tlaku. 48-hodinové zahrievanie pri teplote 45 °C pred odoslaním eliminuje chyby spôsobené úmrtnosťou dojčiat. Dve percentá jednotiek prechádzajú vykonaným RF testovaním oproti kalibrovanej referencii na zachytenie chýb zostavy antény, ktoré prechádzajú vizuálnou kontrolou.
10. Výsledky projektu
10.1 Technické úspechy
Uvedenie do výroby prinieslo presnosť GPS pod päť metrov v exteriéri a presnosť BLE jeden až dva metre v interiéri vybavenom majákom. Prilba veľmi dobre rozpoznáva pády. V testoch mala v 98 % prípadov pravdu. Takmer nikdy omylom nespustí falošný alarm. Výdrž batérie je navyše viac ako 15 hodín. Takže máte dostatok energie na celý deň.
10.2 Nasadenie na trh
Prvé nasadenie priviedlo k platforme 1 200 pracovníkov z troch aktívnych stavenisk. Ovládací panel sledoval aktuálne polohy a generoval automatické bezpečnostné správy. Počas prvých šesťdesiatich dní zaznamenal vozový park štrnásť skutočných pádov, pričom každý z nich viedol k včasnej reakcii nadriadeného. Rámec OEM umožňuje regionálnym distribútorom používať vlastnú značku, upravovať konfigurácie geofence pre konkrétne typy stavenisk a vyberať si medzi štandardnými variantmi senzorov a senzormi na detekciu plynu zo zdieľanej základnej jednotky.
11. Budúce rozšírenie
11.1 Integrácia videa s umelou inteligenciou
Variant modulu kamery montuje širokouhlý snímač na predné čelo. Inferencia v zariadení pomocou komprimovaného modelu CNN signalizuje nedodržiavanie predpisov o osobných ochranných prostriedkoch (OOP), napríklad ak si pracovník v povinnej zóne zloží prilbu, bez streamovania nespracovaného videa do cloudu. Spracovanie na okraji zariadenia rieši obmedzenia šírky pásma aj obavy týkajúce sa súkromia pracovníkov bez nutnosti zmien infraštruktúry na mieste.
11.2 Ekosystém inteligentnej výstavby
Prilba sa spáruje s pripojenou bezpečnostnou vestou, ktorá má vlastné senzory, čím sa vytvára sieť v oblasti tela pre každého pracovníka. Obe zariadenia zdieľajú jednu cloudovú identitu, takže platforma dokáže porovnávať údaje o polohe vesty s údajmi o pohybe prilby pre presnejšie ergonomické hodnotenie rizík. Analýzy vozového parku označujú miesta alebo zmeny so štatisticky zvýšenou mierou incidentov pred zranením, a nie po ňom.
12. Prečo tento vývojový prístup funguje
Navrhovanie inteligentnej bezpečnostnej prilby nie je softvérový projekt s pripojeným hardvérom. Najprv je štandard pre prilbu a elektronika pracuje v rámci toho, čo zostane. Táto postupnosť si vyžaduje tím, ktorý absolvoval certifikačné programy, pozná štrukturálne limity v rámci noriem EN 397 a ANSI Z89.1 a navrhuje geometriu dosky plošných spojov okolo dostupného priestoru v plášti, namiesto toho, aby očakával, že plášť sa prispôsobí štandardnému priestoru pre moduly. Výsledkom je zariadenie, ktoré nežiada od vedúceho stavby, aby si vybral medzi ochranou pracovníkov a pripojením. Obe sú certifikované, obe sú udržiavané prostredníctvom aktualizácií OTA a obe sa dajú škálovať s rastúcim nasadením.
Ste pripravení vyvinúť inteligentnú bezpečnostnú prilbu alebo pripojené nositeľné priemyselné zariadenie? Kontaktujte technický tím spoločnosti Wonderful PCB na určenie rozsahu vášho riešenia bezpečnosti pracovníkov na mieru.
