1. Pregled projekta
1.1 Ozadje stranke
Stranka prodaja industrijsko pametno varnostno čelado v gradbeništvu, rudarstvu, naftni in plinski industriji ter težki proizvodnji. Imela je certifikate za pasivno osebno zaščitno opremo in trdno mrežo prodajalcev na treh celinah. Težava je bila v tem, da so konkurenti dobavljali povezane čelade, to podjetje pa ni imelo s čim odgovoriti. Naloga je bila, da vzamejo certificirano ohišje zaščitne čelade in ga spremenijo v napravo interneta stvari (IoT), ne da bi pri tem izgubili ocene EN 397 in ANSI Z89.1.
Preberite tudi: Študija primera pametne tablice za zgodnje izobraževanje
1.2 Cilji projekta
Že od prvega dne smo se osredotočili na šest ciljev.
- GPS sledenje v realnem času
- Samodejno zaznavanje padcev z opozorili
- Zaznavanje temperature okolja z možnostjo zaznavanja plina
- Najmanj dvanajst ur delovanja baterije
- Vodoodporno tesnjenje IP65 ali IP67
- Zasnova strojne opreme, ki jo je mogoče razširiti od prototipa do množične proizvodnje brez popolnega ponovnega zagona.
Vsaka inženirska odločitev v nadaljevanju je bila odgovor na teh šest zahtev.
2. Izzivi industrije pri razvoju pametnih čelad
2.1 Zahtevna industrijska okolja
Gradbišča uporabljajo težke stroje, ki ustvarjajo nenehne vibracije. Rudniški predori združujejo visoko vlažnost z drobnim prahom. Platforme na morju povzročajo slano pršilo in udarce zaradi padca opreme. Izdelava senzorskega sistema, ki deluje v laboratoriju, je ena težava. Ohranjanje kalibracije po padcu z dveh metrov na beton, ki prenaša signale prek s prahom zamašenih priključkov, pa je povsem druga težava.
2.2 Postavitev v zaprtih prostorih in na prostem
GPS izgubi signal v jeklenih stavbah, podzemnih prehodih in gostih tleh skladišč. Delavec, ki vstopa v predor, izgine s sledilnega zemljevida v trenutku, ko se satelitska ključavnica pokvari. Projekt je potreboval hibridni pristop.
Na prostem GPS zagotavlja natančnost od pet do deset metrov, kar je dovolj za ozaveščenost na ravni lokacije. V zaprtih prostorih prevzame triangulacija BLE. Kjer je pomembno pozicioniranje pod metrom, na primer na območjih izključitve strojev, vrzel zapolnijo sidra UWB. Preklapljanje med načini se izvede samodejno glede na moč satelitskega signala, brez potrebe po posredovanju delavca.
2.3 Zanesljivost opozoril v realnem času
Če oseba pade, je varnostno opozorilo, ki prispe v štiridesetih sekundah, prepočasno, da bi pomagalo.
Tukaj je preprosta razčlenitev:
1. Povezava (LTE kategorije 1)
Večina naprav uporablja LTE kategorije 1 za podatke. Je najboljša izbira, ker:
- Uporablja isto 4G signal uporablja vaš telefon.
- Hitro pošilja sporočila.
- V primerjavi s standardnim hitrim internetom porabi zelo malo baterije.
2. Rezervni signal
Če je delavec na oddaljenem območju brez signala mobilnega telefona, naprava uporablja LoRa.
- Lahko pošlje »SOS« in vašo lokacijo (GPS) prek več kilometrov.
- Je zelo počasen, vendar deluje tudi, če ni 4G.
3. Lokalni pomnilnik
Vsakič, ko se sproži opozorilo, naprava shrani tudi kopijo informacij v notranji pomnilnik.
- Če se signal med pošiljanjem prekine, se podatki ne izgubijo.
- Naprava počaka, da se delavec vrne na območje signala.
2.4 Upravljanje porabe
Celica s kapaciteto 4,000 mAh, nameščena na sprednji strani čelade, premakne težišče naprej in v nekaj urah povzroči utrujenost vratu. Proizvodna baterija ima kapaciteto 3,200 mAh in je nameščena na zadnji strani čelade, da uravnoteži sprednji elektronski modul. Anketiranje GPS-a se med gibanjem izvaja v enosekundnih intervalih in se skrajša na petnajst sekund, ko merilnik pospeška ne zazna gibanja. Modem LTE med okni oddajanja miruje. Te prilagoditve skupaj so podaljšale čas delovanja na terenu na petnajst ur, s čimer so dvanajsturni cilj izboljšali za koristno rezervo.
3. Zasnova sistemske arhitekture
3.1 Osnovna procesna platforma
Možgani te naprave so majhen čip, ki je zelo dober pri računanju. Uporablja preprost program za upravljanje različnih opravil, kot sta preverjanje padcev in pošiljanje sporočil. Razvijalci so za napravo izbrali majhne možgane, ker porabijo zelo malo energije, se zaženejo takoj in so enostavnejši za uporabo. Obstaja tudi drugi, majhen pomožni čip, ki ves čas ostane buden in opazuje gibanje. To omogoča glavnim možganom, da se popolnoma izklopijo in varčujejo z baterijo, dokler pomožni čip ne zazna padca in jih "zbudi".
3.2 Integracija senzorjev
Inercialna merilna enota je šestosna MEMS naprava s triosnim merilnikom pospeška in triosnim žiroskopom na enem čipu. Med zaznavanjem aktivnosti merilnik pospeška vzorči s frekvenco 400 Hz in napaja cevovod za zaznavanje padca. GPS modul je kompakten 18 mm z integrirano anteno, ki doseže hladen zagon v manj kot tridesetih sekundah na odprtem nebu.
Enožični temperaturni senzor spremlja temperaturne pogoje okolice in baterije. Dva dodatna vhoda za plinski senzor sprejemata elektrokemične module CO in H2S prek standardiziranega priključka, tako da ista osnovna plošča deluje tako za standardno konstrukcijo kot za okolja z visokim tveganjem plinov.
3.3 Komunikacijska arhitektura
Štirje protokoli pokrivajo sklop povezljivosti. LTE Cat-1 upravlja prenos primarnih podatkov in opozoril. Bluetooth 5.0 upravlja seznanjanje s spremljevalno mobilno aplikacijo in poganja tudi funkcijo določanja položaja v zaprtih prostorih s skeniranjem sidrišč BLE. LoRa pokriva komunikacijo v sili, kjer mobilna povezava odpove. Strojno ožičen gumb SOS, neodvisen od stanja vdelane programske opreme, sproži opozorilo, tudi če se glavna aplikacija sesuje.
3.4 Integracija oblaka in zalednega sistema
Podatki dosežejo oblak prek posrednika MQTT, izbranega zaradi nizkih stroškov na omejenih mobilnih povezavah. Spletna nadzorna plošča prikazuje položaje delavcev v živo na prekrivni plošči z načrtom lokacije, barvno kodirane glede na stanje dejavnosti. Padci, kršitve geoograj in aktivacije SOS ustvarijo časovno označene zapise incidentov. Dostava vdelane programske opreme OTA širi posodobitve po celotni floti brez fizičnega odpoklica čelad.
4. Inženiring tiskanih vezij in strojne opreme
4.1 Kompaktna večplastna zasnova tiskanega vezja
Glavna plošča tiskanega vezja je šestplastna z dimenzijami 58 mm x 42 mm. Ozemljitvena ravnina RF se nahaja neposredno pod zgornjo signalno plastjo, zaradi česar so sledi antene kratke in impedančno nadzorovane. Modem LTE in modul GPS zasedata nasprotna vogla plošče, ločena z bakreno pregrado, ki preprečuje desenzibilizacijo sprejemnika iz oddajnika LTE. Zaščitne pločevinke EMI so spajkane na obeh RF delih. Napeljava notranje plasti uporablja 45-stopinjske ovinke namesto pravih kotov za zmanjšanje visokofrekvenčnih odbojev.
4.2 Sistem za upravljanje porabe energije
Integrirano vezje za upravljanje porabe energije pokriva štiri naloge: polnjenje baterije do 1 A, porazdelitev moči po 1.8 V, 3.3 V in 5 V tirnicah, poročanje o stanju napolnjenosti baterije prek I2C ter zaščito pred prenapetostjo, prekomernim tokom in globokim praznjenjem. Polnjenje sprejema vhodne podatke tako iz USB-C kot iz pogo-pin kontakta na priklopni postaji. Namensko integrirano vezje za merilnik napolnjenosti spremlja preostalo kapaciteto z manj kot tremi odstotki napake glede na temperaturo. Vdelana programska oprema to številko prebere vsakih trideset sekund in jo sporoči skupaj s podatki o položaju.
4.3 Elektronski modul, odporen proti udarcem
Tiskano vezje je nameščeno na štirih distančnikih M2 z neoprenskimi podložkami med ploščo in okvirjem, ki absorbirajo največji pospešek pri padcu z dveh metrov. Zaliveni konektorji na vseh zunanjih kabelskih snopih blokirajo vlago na mestih, kjer kabli izstopajo iz ohišja modula. Ohišje samo je iz 2.5 mm debeline ABS s prevleko iz TPE na stičišču lupine, kar tvori tesnilo, ki je potrebno za IP67 v skladu s testiranjem IEC 60529.
5. Strojno in industrijsko oblikovanje
5.1 Strukturna integracija čelade
Elektronski modul se med izdelavo orodja nahaja v votlini, vgrajeni v zadnji rob lupine, in ni naknadno vrezan v obstoječo lupino.
Zaradi te razlike je strukturna geometrija ostala nedotaknjena za testiranje dušenja udarcev po standardu EN 397. Lupina je prestala večkratne teste padcev s celotno nameščeno elektronsko obremenitvijo, kar je potrdilo, da dodana masa ni zmanjšala zaščite. Delavci lahko baterijo zamenjajo na terenu, vendar je za odstranitev glavnega modula potrebno orodje, ki prepreči nenamerno razstavljanje na gradbišču.
5.2 Ergonomija in udobje
Skupna teža sestavljene čelade z baterijo je 520 gramov, kar je znotraj območja, sprejemljivega za osemurno neprekinjeno nošenje. Šesttočkovni notranji varnostni pas z zaskočko je bil preoblikovan s 15 mm odmikom naprej, kar je ravnotežje čelade premaknilo nazaj, da bi se izravnala obremenitev sprednje elektronike. Prezračevalni kanali v lupini ostanejo čisti. Testiranje pri sobni temperaturi 38 °C je potrdilo, da elektronski modul ne ustvarja točke koncentracije toplote na lasišču delavca.
5.3 Modularna zasnova
Baterijski sklop se izvleče skozi stransko odprtino in se zaklene z mehanizmom za četrtinski obrat. Zamenjava traja manj kot trideset sekund brez orodja. Na dnevnih in nočnih delovnih mestih imajo ljudje pri sebi dodatne baterije za polnjenje. Delavci na primer zamenjajo prazno baterijo s polno, tako da čelada nikoli ne preneha delovati. Prav tako lahko izdelate čelado za zaznavanje plina, ni vam treba kupiti povsem novega notranjega vezja. Preprosto izključite stari del in priključite nov senzorski modul s preprostim priključkom, kar je veliko lažje in ceneje.
6. Funkcije programske opreme in umetne inteligence
6.1 Algoritem za zaznavanje padcev
Pristop, ki temelji samo na pragu, povzroči preveč lažnih sprožilcev zaradi delavcev, ki se sklonijo, plezajo po lestvah ali spustijo čelado na površino. Algoritem namesto tega deluje v treh fazah. Prva faza opazuje značilnost prostega padca: vztrajne odčitke nizke g na vseh treh oseh, kar označuje breztežnostno fazo pravega padca.
Druga faza zazna dogodek z velikim vplivom, ki presega nastavljiv prag. Tretja faza počaka osem sekund, da delavec nadaljuje z normalnim gibanjem. Če tega ne stori, se dogodek razvrsti kot padec in sproži se opozorilo. V primerjavi z zasnovo z enim pragom je ta trifazni pristop v terenskih preizkusih zmanjšal število motečih opozoril za približno sedemdeset odstotkov.
6.2 Geo-ograjovanje in varnostne cone
Vodje uporabljajo računalniški zemljevid za risanje varnostnih okenc okoli nevarnih območij, kot so mesta z eksplozijami ali visokonapetostno elektriko. Če delavec vstopi na eno od teh območij, naprava takoj pošlje opozorilo. Naprava je dovolj pametna, da sama ve, kje so ta območja. To pomeni, da se bo alarm sprožil, če je internetni signal šibek, da bo delavec varen.
6.3 Komunikacija v sili
S pritiskom na gumb SOS se ustvari prednostni paket z GPS koordinatami, ID-jem naprave in časovnim žigom. Paket se hkrati prenese prek vseh razpoložljivih nosilcev, najprej prek LTE in kot rezervni način prek LoRa. Platforma označi dogodke SOS z najvišjo prioriteto in lahko pošlje SMS obvestila vnaprej konfiguriranim stikom v sili. Izbirni dvosmerni glasovni modul uporablja povezavo LTE, tako da lahko nadzornik na lokaciji govori neposredno z nezmožnim delavcem brez ločene radijske postaje.
7. Varnost in skladnost
7.1 Varnostni standardi za čelado
Ta varnostna čelada izpolnjuje najvišje uradne varnostne predpise za Ameriko, Evropo in Kanado. Najpomembnejše je, da je bila čelada preizkušena in odobrena z vso elektroniko, ki je že bila v njej. To je zahtevalo tesno sodelovanje s preskusnim laboratorijem med načrtovanjem orodja. Vsaka sprememba geometrije lupine po začetni odobritvi certifikata sproži ponovni preizkus, zato je bila pravilna zasnova votline pri prvi reviziji orodja neizogibna.
7.2 Elektronska skladnost
Radijski sklop ima dovoljenje FCC za Severno Ameriko in oznako CE v skladu z direktivo o radijski opremi za Evropo. Skladnost z RoHS je bila potrjena pri nabavi komponent z zahtevo po dokumentaciji od vsakega dobavitelja pred oddajo naročil. Baterijski sklop ima certifikat UN38.3 za zračni prevoz, ki ga je stranka potrebovala za mednarodno distribucijo. Izjava REACH zajema celoten seznam materialov.
7.3 Standardi okoljskega testiranja
Tesnjenje IP67 je bilo preverjeno s tridesetminutno potopitvijo v vodo na globino enega metra brez vdora. Pri testiranju vibracij je bila sestavljena čelada dve uri na osi na stresalniku s profilom IEC 60068-2-6. Toplotni cikli so v dvajsetih ciklih zajemali od minus dvajset do plus sedemdeset stopinj Celzija. Testiranje sevanja EMC je potrdilo, da naprava ne moti radijske komunikacije na gradbiščih ali brezžičnih senzorskih omrežij, ki so že nameščena na gradbiščih.
8. Testiranje in validacija
8.1 Funkcionalno testiranje
Pri testiranju natančnosti GPS-a je bil uporabljen referenčni sprejemnik GNSS za primerjavo odčitkov na tridesetih točkah na odprtem polju. GPS na čeladi se je v povprečju ujemal z referenco znotraj 4.2 metra. Pri kalibraciji merilnika pospeška je bila uporabljena statična šablona s šestimi položaji za preverjanje poravnave osi in popravka odmika. Pri testiranju pretočnosti LTE je bil izmerjen čas nalaganja za celoten paket senzorjev pri ravneh signala do minus 110 dBm, kar je potrdilo prenos na robu celice, kjer se nahaja veliko gradbišč.
8.2 Preizkušanje vzdržljivosti
Tiskano vezje je preživelo večkratne padce z višine 1.5 metra na jekleno ploščo, kar je bilo potrjeno z vizualnim pregledom z desetkratno povečavo in popolnim funkcionalnim preizkusom po vsakem dogodku. Brez odpovedi spajkanih spojev, brez ločitve konektorjev. 500-urni neprekinjeni vibracijski preizkus na profilu avtomobilskega stresalnika ni pokazal nobene migracije komponent. Šestdeset dni izpostavljenosti zunanjim vremenskim vplivom na desetih sestavljenih enotah se je končalo z uspešno preverbo delovanja vseh enot.
8.3 Testiranje baterije in delovanja
Petnajst enot je izvajalo protokol za simulacijo na terenu: LTE povezava, GPS anketiranje v enosekundnih intervalih, aktivno oglaševanje BLE, beleženje podatkov senzorjev vsakih pet sekund. Povprečni čas delovanja v celotni floti je bil 15.3 ure. Tri enote so presegle šestnajst ur. Nobena ni padla pod štirinajst. Po 500 ciklih polnega polnjenja in praznjenja so vse baterije ohranile nad 80 odstotkov kapacitete, kar je skladno z osemnajstmesečnim do dvoletnim intervalom zamenjave na terenu pri vsakodnevni uporabi.
9. Proizvodnja in množična proizvodnja
9.1 Optimizacija DFM
Pregled zasnove za proizvodnjo pri minimalnem naročilu 500 enot je opredelil tri točke za zmanjšanje stroškov. Pri RF-zaščitnih ohišjih so namesto po meri ukrivljene pločevine uporabili žigosane dele, s čimer so se stroški enote zmanjšali za 22 odstotkov. Alternativni GPS-modul z enakimi električnimi specifikacijami je bil kvalificiran pri drugem dobavitelju, s čimer se je odpravilo tveganje enega samega vira. Racionalizacija testnih točk je zmanjšala kompleksnost IKT-priprav in skrajšala čas testiranja na enoto s 4.5 minute na 2.8 minute.
9.2 SMT in montaža
Sestavljanje tiskanega vezja poteka na šestconskem profilu reflow pečice, zgrajenem glede na zahteve za spajkanje modema BGA LTE. Rentgenski pregled zajema vsako ploščo, da se potrdi celovitost spoja BGA. Med ohišjem tiskanega vezja in votlino lupine je nameščeno dvokomponentno silikonsko tesnilo, stiskanje pa je nadzorovano s specifikacijo navora na štirih vijakih M3. Končno programiranje vdelane programske opreme uporablja pogo-pin zibelko, ki programira vse štiri pomnilniške regije, izvede samodejni test in v šestdesetsekundnem ciklu zapiše serijsko številko enote v nehlapni pomnilnik.
9.3 Zagotavljanje kakovosti
Vsaka enota opravi avtomatizirano funkcionalno testiranje zajemanja GPS-a, registracije LTE, oglaševanja BLE, odziva merilnika pospeška, aktiviranja gumbov, natančnosti napetosti baterije in celovitosti IP-tesnila s testom upadanja tlaka. 48-urno vžiganje pri 45 °C pred odpremo odpravi napake zaradi umrljivosti dojenčkov. Dva odstotka enot prejmejo izvedeno RF testiranje v primerjavi s kalibrirano referenco za odkrivanje napak v sestavi antene, ki prestane vizualni pregled.
10. Rezultati projekta
10.1 Tehnični dosežki
Proizvodna izdaja je na prostem zagotavljala natančnost GPS pod petimi metri, v notranjih prostorih, opremljenih z oddajniki, pa natančnost BLE od enega do dveh metrov. Čelada zelo dobro zazna, kdaj nekdo pade. V testih je bila v 98 % primerov pravilna. Skoraj nikoli pomotoma ne sproži lažnega alarma. Poleg tega je življenjska doba baterije več kot 15 ur. Tako imate dovolj energije za cel dan.
10.2 Uvedba na trg
Prva namestitev je na platformo pripeljala 1,200 delavcev s treh aktivnih gradbišč. Nadzorna plošča je spremljala položaje v živo in ustvarjala avtomatizirana varnostna poročila. V prvih šestdesetih dneh je vozni park zabeležil štirinajst resničnih padcev, pri čemer je vsak od njih privedel do pravočasnega odziva nadzornika. Okvir proizvajalca originalne opreme (OEM) omogoča regionalnim distributerjem, da uporabijo lastno blagovno znamko, prilagodijo konfiguracije geoograj za določene vrste gradbišč in izbirajo med standardnimi in plinskimi senzorji za zaznavanje plina iz skupne osnovne enote.
11. Prihodnja širitev
11.1 Integracija videa z umetno inteligenco
Različica modula kamere namesti širokokotni senzor na sprednjem čelu. Sklepanje na napravi z uporabo stisnjenega modela CNN označi neskladnost z osebno zaščitno opremo, na primer če delavec sname čelado v obveznem območju, ne da bi pretakal surov video v oblak. Obdelava na robu odpravlja tako omejitve pasovne širine kot tudi pomisleke glede zasebnosti delavcev, ne da bi zahtevala spremembe infrastrukture na lokaciji.
11.2 Ekosistem pametne gradnje
Čelada se poveže s povezanim varnostnim jopičem, ki ima lastne senzorje, in tako tvori omrežje na ravni telesa za vsakega delavca. Obe napravi si delita eno samo identiteto v oblaku, zato lahko platforma primerja podatke o drži jopiča s podatki o gibanju čelade za natančnejše ergonomsko ocenjevanje tveganja. Analitika voznega parka označi mesta ali izmene s statistično povišanimi stopnjami incidentov, preden pride do poškodbe, in ne po njej.
12. Zakaj ta razvojni pristop deluje
Oblikovanje pametne varnostne čelade ni programski projekt z nekaj strojne opreme. Standard za čelado je na prvem mestu, elektronika pa deluje znotraj tistega, kar ostane. To zaporedje zahteva ekipo, ki je izvedla programe certificiranja, pozna strukturne omejitve znotraj standardov EN 397 in ANSI Z89.1 ter oblikuje geometrijo tiskanega vezja glede na razpoložljivi prostor v ohišju, namesto da bi pričakovala, da bo ohišje ustrezalo standardnemu odtisu modulov. Rezultat je naprava, ki od vodje gradbišča ne zahteva, da izbira med zaščito delavcev in povezljivostjo. Oboje je certificirano, oboje se vzdržuje s posodobitvami OTA in obe se prilagajata rasti uvajanja.
Ste pripravljeni razviti pametno varnostno čelado ali povezano industrijsko nosljivo napravo? Obrnite se na inženirsko ekipo Wonderful PCB za opredelitev obsega vaše rešitve za varnost delavcev po meri.
