1. Огляд проекту
1.1 Історія клієнта
Клієнт продає промисловий розумний захисний шолом для будівельної, гірничодобувної, нафтогазової та важкої промисловості. Вони мали сертифікати пасивних ЗІЗ та міцну дилерську мережу на трьох континентах. Проблема полягала в тому, що конкуренти постачали підключені до мережі шоломи, а ця компанія не мала чим їм відповісти. Завдання полягало в тому, щоб взяти сертифікований корпус каски та перетворити його на активний пристрій Інтернету речей, не втрачаючи при цьому рейтингів EN 397 та ANSI Z89.1.
Читайте також: Розумний планшет для раннього навчання, тематичне дослідження
1.2 Цілі проекту
Ми зосередилися на шести результатах з першого дня.
- Відстеження GPS в режимі реального часу
- Автоматичне виявлення падіння з оповіщенням
- Датчик температури навколишнього середовища з додатковим виявленням газу
- Мінімальний час роботи від акумулятора дванадцять годин
- Захист від атмосферних впливів IP65 або IP67
- Апаратний дизайн, масштабований від прототипу до масового виробництва без повного перепроектування.
Кожне інженерне рішення на наступному етапі відповідало цим шести вимогам.
2. Проблеми галузі у розробці розумних шоломів
2.1 Суворі промислові умови
На будівельних майданчиках використовується важке обладнання, яке постійно генерує вібрацію. Гірничодобувні тунелі поєднують високу вологість із дрібним пилом. Морські платформи додають сольового бризку та ударів від падіння обладнання. Створення сенсорної системи, яка працює в лабораторії, – це одна проблема. Зовсім інша – підтримувати її калібрування після падіння на бетон з двометрової висоти, передаючи сигнал через засмічені пилом роз'єми.
2.2 Розташування в приміщенні та на вулиці
GPS-сигнал втрачає сигнал усередині сталевих каркасних будівель, підземних переходів та щільних складських перекриттів. Робітник, який заходить у тунель, зникає з карти відстеження в момент, коли ламається супутниковий шлюз. Проєкт потребував гібридного підходу.
На відкритому повітрі GPS забезпечує точність від п'яти до десяти метрів, чого достатньо для обстеження на рівні об'єкта. У приміщенні використовується тріангуляція маяків BLE. Там, де важливо субметрове позиціонування, наприклад, у заборонених зонах для техніки, прогалину заповнюють надширокосмугові анкери. Перемикання між режимами відбувається автоматично на основі сили супутникового сигналу, без необхідності участі працівника.
2.3 Надійність сповіщень у режимі реального часу
Якщо людина впаде, сповіщення про безпеку, яке надходить лише через сорок секунд, є занадто повільним, щоб допомогти.
Ось проста розбивка:
1. З'єднання (LTE Cat-1)
Більшість пристроїв використовують LTE Cat-1 для даних. Це найкращий вибір, тому що:
- Він використовує той самий Сигнал 4G використовує ваш телефон.
- Він швидко надсилає повідомлення.
- Він використовує дуже мало заряду батареї порівняно зі стандартним високошвидкісним інтернетом.
2. Резервний сигнал
Якщо працівник знаходиться у віддаленому районі без сигналу мобільного телефону, пристрій використовує Lora.
- Він може надсилати сигнал «SOS» та ваше місцезнаходження (GPS) кілька кілометрів.
- Він дуже повільний, але працює навіть за відсутності 4G.
3. Локальна пам'ять
Щоразу, коли надходить сповіщення, пристрій також зберігає копію інформації всередині внутрішня пам'ять.
- Якщо сигнал переривається під час надсилання, дані не втрачаються.
- Пристрій чекає, поки працівник повернеться в зону сигналу.
2.4 Управління живленням
Акумулятор ємністю 4,000 мАг, встановлений спереду шолома, зміщує центр ваги вперед і викликає втому шиї протягом кількох годин. Виробничий акумулятор має ємність 3,200 мАг і розташований у задній частині шолома для балансування переднього електронного модуля. Опитування GPS виконується з інтервалом у одну секунду під час руху та скорочується до п'ятнадцяти секунд, коли акселерометр не виявляє руху. Модем LTE переходить у режим сну між вікнами передачі. Ці налаштування разом збільшили час роботи в польових умовах до п'ятнадцяти годин, що значно перевищило ціль у дванадцять годин.
3. Проектування архітектури системи
3.1 Основна платформа обробки
Мозок цього пристрою — це невеликий чіп, який дуже добре справляється з математичними розрахунками. Він використовує просту програму для керування різними завданнями, такими як перевірка падінь та надсилання повідомлень. Розробники обрали маленький мозок для пристрою, оскільки він споживає дуже мало енергії, миттєво запускається та простіший у використанні. Також є другий, крихітний допоміжний чіп, який постійно не ввімкнений, щоб стежити за рухом. Це дозволяє основному мозку повністю вимикатися та економити заряд батареї, доки допоміжний чіп не побачить падіння та не «розбудить» його.
3.2 Інтеграція датчиків
Інерційний вимірювальний блок являє собою шестиосьовий MEMS-пристрій з тривісним акселерометром та тривісним гіроскопом на одному кристалі. Під час виявлення активності акселерометр здійснює вибірку з частотою 400 Гц для передачі даних на конвеєр виявлення падіння. GPS-модуль має компактні розміри 18 мм та вбудовану антену, що забезпечує холодний старт менш ніж за тридцять секунд під відкритим небом.
Однопровідний датчик температури контролює температурні умови навколишнього середовища та акумулятора. Два додаткові порти газових датчиків приймають електрохімічні модулі CO та H2S через стандартизований роз'єм, тому одна базова плата працює як для стандартної конструкції, так і для середовищ з високим рівнем газонебезпечності.
3.3 Архітектура зв'язку
Чотири протоколи об'єднують стек з'єднань. LTE Cat-1 обробляє основні дані та передачу сповіщень. Bluetooth 5.0 керує сполученням із супутнім мобільним додатком, а також керує функцією позиціонування в приміщенні шляхом сканування маячків BLE. LoRa забезпечує екстрений зв'язок у випадках збою стільникового зв'язку. Апаратна кнопка SOS, незалежно від стану прошивки, спрацьовує, навіть якщо основний додаток виходить з ладу.
3.4 Інтеграція хмари та серверної частини
Дані надходять до хмари через брокера MQTT, обраного для низьких накладних витрат на обмежені стільникові з’єднання. Веб-панель відображає положення працівників у реальному часі на плані об’єкта з кольоровим кодуванням залежно від стану активності. Падіння, порушення геозон та активації SOS створюють записи про інциденти з міткою часу. Доставка прошивки OTA поширює оновлення для всього парку техніки без фізичного відкликання шоломів.
4. Інженерія друкованих плат та апаратного забезпечення
4.1 Компактна багатошарова конструкція друкованої плати
Основна друкована плата має шестишарову конструкцію розміром 58 мм на 42 мм. Площина заземлення радіочастотної смуги розташована безпосередньо під верхнім сигнальним шаром, що забезпечує короткі антенні доріжки та контрольований імпеданс. Модем LTE та GPS-модуль займають протилежні кути плати, розділені мідним бар'єром, який блокує зниження чутливості приймача від передавача LTE. Корпуси для екранування електромагнітних перешкод припаяні поверх обох радіочастотних секцій. Трасування внутрішнього шару використовує вигини під кутом 45 градусів, а не прямі кути, для зменшення високочастотних відбиттів.
4.2 Система управління живленням
Мікросхема керування живленням виконує чотири завдання: заряджання акумулятора струмом до 1 А, розподіл живлення по лініях 1.8 В, 3.3 В та 5 В, звітування про стан заряду акумулятора через I2C, а також захист від перенапруги, перевантаження по струму та глибокого розряду. Заряджання приймає вхідні дані як від USB-C, так і від контакту pogo-pin на док-станції. Спеціальна мікросхема індикатора рівня заряду відстежує залишок заряду з похибкою менше трьох відсотків залежно від температури. Прошивка зчитує цей показник кожні тридцять секунд і повідомляє його разом із даними про місцезнаходження.
4.3 Ударостійкий електронний модуль
Друкована плата монтується на чотирьох опорах M2 з неопреновими шайбами між платою та рамою, поглинаючи піковий сплеск прискорення від падіння з двометрової висоти. Герметичні роз'єми на всіх зовнішніх джгутах проводів блокують вологу в місцях виходу кабелів з корпусу модуля. Сам корпус виготовлений з 2.5-мм ABS-пластику з покриттям з TPE на межі оболонки, що утворює герметичність, необхідну для захисту IP67 згідно з випробуваннями IEC 60529.
5. Механічне та промислове проектування
5.1 Структурна інтеграція шолома
Електронний модуль розміщується в порожнині, вбудованій у задню брівку корпусу під час оснащення, а не вирізаній у існуючому корпусі пізніше.
Ця відмінність зберегла структурну геометрію незмінною для випробувань на ослаблення ударів за стандартом EN 397. Оболонка пройшла багаторазові випробування на падіння з повним встановленим електронним корисним навантаженням, підтвердивши, що додаткова маса не зменшила захист. Працівники можуть замінити акумулятор у польових умовах, але для зняття основного модуля потрібен інструмент, який запобігає випадковому розбиранню на місці.
5.2 Ергономіка та комфорт
Загальна вага у зібраному вигляді з акумулятором становить 520 грамів, що в межах допустимого діапазону для восьмигодинного безперервного носіння. Шеститочковий внутрішній ремінець безпеки з храповим механізмом був перероблений зі зміщенням вперед на 15 мм, що зміщує баланс шолома назад для протидії навантаженню від передньої електроніки. Вентиляційні канали в корпусі залишаються вільними. Випробування за температури навколишнього середовища 38°C підтвердили, що електронний модуль не створює точки концентрації тепла на шкірі голови працівника.
5.3 Модульний дизайн
Акумуляторний блок висувається через бічний отвір і фіксується за допомогою механізму чверть оберту. Заміна займає менше тридцяти секунд без інструментів. На робочих місцях вдень і вночі люди тримають із собою запасні акумулятори для заряджання. Наприклад, робітники замінюють розряджений акумулятор на повний, щоб шолом ніколи не переставав працювати. Крім того, ви можете зробити шолом для виявлення газу, вам не потрібно купувати цілу нову внутрішню плату. Ви просто від'єднуєте стару деталь і підключаєте новий сенсорний модуль за допомогою простого роз'єму, що набагато простіше та дешевше.
6. Програмне забезпечення та функції штучного інтелекту
6.1 Алгоритм виявлення падіння
Підхід, що базується лише на порозі, призводить до занадто великої кількості хибних спрацьовувань від працівників, які присідають, піднімаються по драбинах або кидають шолом на поверхню. Натомість алгоритм працює у три фази. Перша фаза відстежує ознаки вільного падіння: стійкі показники низької гравітації по всіх трьох осях, що позначає фазу невагомості справжнього падіння.
Фаза два виявляє подію з високим рівнем впливу, яка перевищує налаштований поріг. Фаза три очікує вісім секунд, поки працівник відновить нормальний рух. Якщо цього не відбувається, подія класифікується як падіння, і спрацьовує сповіщення. Порівняно з конструкцією з одним порогом, цей трифазний підхід зменшує кількість небажаних сповіщень приблизно на сімдесят відсотків у польових випробуваннях.
6.2 Геозонування та зони безпеки
Менеджери використовують комп’ютерну карту, щоб намалювати безпечні зони навколо небезпечних зон, таких як місця з вибухами або високовольтною електрикою. Якщо працівник заходить в одну з цих зон, пристрій негайно надсилає попередження. Пристрій достатньо розумний, щоб самостійно знати, де знаходяться ці зони. Це означає, що навіть якщо інтернет-сигнал слабкий, сигналізація все одно спрацює для безпеки працівника.
6.3 Екстрений зв'язок
Натискання кнопки SOS генерує пріоритетний пакет із GPS-координатами, ідентифікатором пристрою та міткою часу. Пакет передається одночасно по всіх доступних каналах, спочатку LTE, а LoRa – як резервний варіант. Платформа позначає події SOS на найвищому рівні пріоритету та може надсилати SMS-сповіщення попередньо налаштованим контактам для екстрених випадків. Додатковий модуль двостороннього голосового зв’язку використовує з’єднання LTE, тому керівник об’єкта може безпосередньо спілкуватися з недієздатним працівником без окремої радіостанції.
7. Безпека та відповідність
7.1 Стандарти безпеки шоломів
Цей захисний шолом відповідає найвищим офіційним правилам безпеки для Америки, Європи та Канади. Найважливіше те, що шолом був випробуваний та схвалений з усією електронікою, яка вже була всередині. Це вимагало тісної координації з випробувальною лабораторією під час розробки інструментів. Будь-яка зміна геометрії корпусу після початкового затвердження сертифікації призводить до повного повторного випробування, тому правильне проектування порожнини під час першої редакції інструментів було невід'ємною частиною.
7.2 Електронна відповідність
Радіовузловий блок має авторизацію FCC для Північної Америки та маркування CE згідно з Директивою про радіообладнання для Європи. Відповідність RoHS була підтверджена під час постачання компонентів шляхом вимоги документації від кожного постачальника перед розміщенням замовлень на купівлю. Акумуляторний блок має сертифікат UN38.3 для авіаперевезень, який був потрібен клієнту для міжнародної дистрибуції. Декларація REACH охоплює повну перелік матеріалів.
7.3 Стандарти екологічних випробувань
Герметичність IP67 була перевірена шляхом занурення у воду на глибину одного метра протягом тридцяти хвилин без проникнення всередину. Випробування на вібрацію проводили на вібраційному столі, що відповідає стандарту IEC 60068-2-6, протягом двох годин на кожну вісь. Термоциклічні випробування охоплювали діапазон від мінус двадцяти до плюс сімдесяти градусів Цельсія протягом двадцяти циклів. Випробування на електромагнітне випромінювання підтвердили, що пристрій не порушує радіозв'язок на будівельних майданчиках або бездротові сенсорні мережі, які вже розгорнуті на будівельних майданчиках.
8. Тестування та валідація
8.1 Функціональне тестування
Під час тестування точності GPS використовувався еталонний приймач GNSS для порівняння показань з тридцяти точок на відкритому полі. GPS-навігатор шолома збігався з еталоном у середньому з точністю до 4.2 метра. Для калібрування акселерометра використовувався статичний стенд з шістьма позиціями для перевірки вирівнювання осей та корекції зміщення. Тестування пропускної здатності LTE вимірювало час завантаження повного пакета датчиків при рівнях сигналу до мінус 110 дБм, що підтверджує передачу на межі комірки, де розташовано багато будівельних майданчиків.
8.2 Випробування на довговічність
Друкована плата витримала багаторазові падіння з висоти 1.5 метра на сталеву пластину, що було підтверджено візуальним оглядом із десятикратним збільшенням та повним функціональним тестом після кожного падіння. Жодних пошкоджень паяних з'єднань, жодного відриву роз'ємів. 500-годинний безперервний вібраційний тест на автомобільному профілі вібрації не показав жодної міграції компонентів. Шістдесят днів перебування на відкритому повітрі на десяти зібраних блоках завершилися тим, що всі блоки пройшли повну функціональну перевірку.
8.3 Тестування акумулятора та його продуктивності
П'ятнадцять пристроїв працювали в режимі симуляції польових умов: підключено до LTE, GPS-опитування з інтервалом у одну секунду, активна реклама BLE, реєстрація даних датчиків кожні п'ять секунд. Середній час роботи по всьому парку пристроїв становив 15.3 години. Три пристрої перевищили шістнадцять годин. Жоден не опустився нижче чотирнадцяти. Після 500 повних циклів заряду-розряду всі акумулятори зберігали ємність понад 80 відсотків, що відповідає інтервалу заміни в польових умовах від вісімнадцяти місяців до двох років за умови щоденного використання.
9. Виробництво та масове виробництво
9.1 Оптимізація DFM
Огляд конструкції для виробництва при мінімальному замовленні 500 одиниць виявив три точки зниження витрат. Корпуси радіочастотних екранів перейшли від виготовлення з гнутого листового металу на штамповані деталі, що зменшило вартість одиниці на 22 відсотки. Альтернативний GPS-модуль з ідентичними електричними характеристиками був кваліфікований від другого постачальника, що усунуло ризик використання одного джерела. Раціоналізація точок випробувань зменшила складність приладів ІКТ та скоротила час випробування на одиницю з 4.5 хвилини до 2.8 хвилини.
9.2 Поверхневий монтаж та складання
Збірка друкованої плати виконується в печі оплавлення з шести зон, побудованій відповідно до вимог до паяння модему BGA LTE. Рентгенівський контроль охоплює кожну плату для підтвердження цілісності з'єднання BGA. Між корпусом друкованої плати та порожниною корпусу застосовується двокомпонентна силіконова прокладка, стиснення якої контролюється специфікацією крутного моменту на чотирьох невипадаючих гвинтах M3. Для остаточного прошивання використовується колиска з pogo-pin, яка програмує всі чотири області пам'яті, проводить самотестування та записує серійний номер пристрою в енергонезалежну пам'ять протягом шістдесяти секунд.
9.3 Забезпечення якості
Кожен пристрій проходить автоматизоване функціональне тестування на отримання GPS, реєстрацію LTE, рекламу BLE, відгук акселерометра, спрацьовування кнопок, точність напруги акумулятора та цілісність IP-герметичності за допомогою тесту на спад тиску. 48-годинна витримка при температурі 45°C усуває проблеми дитячої смертності перед відправкою. Два відсотки пристроїв проходять проведені радіочастотні випробування з каліброваним еталоном для виявлення дефектів збірки антени, які проходять візуальний огляд.
10. Результати проекту
10.1 Технічні досягнення
Випуск серійного обладнання забезпечив точність GPS менше п'яти метрів на відкритому повітрі та точність BLE від одного до двох метрів у приміщеннях, обладнаних маячками. Шолом дуже добре розпізнає падіння. У тестах він показав правильність у 98% випадків. Він майже ніколи помилково не надсилає фальшивий сигнал тривоги. Крім того, час роботи від акумулятора становить понад 15 годин. Тож ви можете користуватися ним цілий день.
10.2 Розгортання на ринку
Перше розгортання залучило 1,200 працівників із трьох активних будівельних майданчиків до роботи на платформі. Панель керування відстежувала поточне положення працівників та генерувала автоматичні звіти про безпеку. За перші шістдесят днів автопарк зареєстрував чотирнадцять справжніх падінь, кожна з яких призвела до своєчасної реакції керівника. Система OEM дозволяє регіональним дистриб'юторам застосовувати власний брендинг, налаштовувати конфігурації геозон для певних типів майданчиків та вибирати між стандартними варіантами датчиків виявлення газу та датчиками виявлення газу зі спільного базового пристрою.
11. Розширення майбутнього
11.1 Інтеграція відео зі штучним інтелектом
Варіант модуля камери встановлює ширококутний датчик на передній частині лоба. Висновок на пристрої з використанням стиснутої моделі CNN виявляє невідповідність ЗІЗ, наприклад, працівник знімає шолом в обов'язковій зоні, без потокової передачі необробленого відео в хмару. Обробка на периферії вирішує як обмеження пропускної здатності, так і проблеми конфіденційності працівників, не вимагаючи змін інфраструктури на місці.
11.2 Екосистема розумного будівництва
Шолом поєднується з підключеним захисним жилетом, що має власні датчики, утворюючи мережу, що охоплює кожну ділянку тіла працівника. Обидва пристрої мають єдину хмарну ідентифікацію, тому платформа може порівнювати дані про положення тіла з даними про рухи шолома для точнішої оцінки ергономічних ризиків. Аналітика автопарку виявляє місця або зміни зі статистично підвищеним рівнем інцидентів до травмування, а не після нього.
12. Чому цей підхід до розробки працює
Розробка розумного захисного шолома — це не програмний проект з якимось апаратним забезпеченням. Стандарт шолома — це перший крок, а електроніка працює в межах того, що залишається. Ця послідовність вимагає від команди, яка пройшла програми сертифікації, знає структурні обмеження в рамках EN 397 та ANSI Z89.1, і проектує геометрію друкованої плати з урахуванням доступного простору в корпусі, а не очікує, що корпус вміщуватиме стандартний розмір модуля. Результатом є пристрій, який не вимагає від керівника об'єкта вибору між захистом працівників та підключенням. Обидва сертифіковані, обидва підтримуються за допомогою OTA-оновлень і обидва масштабуються в міру зростання розгортання.
Готові розробити розумний захисний шолом або підключений промисловий носимий пристрій? Зверніться до команди інженерів Wonderful PCB щоб визначити обсяг вашого індивідуального рішення з безпеки працівників.
