新型勞工工作活動模式即時監測系統之研發-應用雙向無線通訊技術

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陳暐祁(Wei-Chi Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

環境工程研究所

論文名稱

新型勞工工作活動模式即時監測系統之研發-應用雙向無線通訊技術
(The Development of a Wireless-based Time-activity Pattern Monitoring System for Exposure Assessment)

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摘要(中)

本研究結合雙向無線通訊技術、氣體感測技術、電子控制技術、網路傳輸技術、資料庫管理技術，並利用自行設計的雙向無線通訊協定（Listen-Talk-Quiet protocol, 簡稱LTQ），開發了一套新型勞工工作活動模式即時監測系統（The Wireless-based Worker Exposure Assessment System, 簡稱WES），其功能包括可即時偵測勞工工作時的工作位置、停留時間與暴露濃度，同時當系統發現勞工暴露量超過警戒值時，亦可發佈個人化暴露警報。
本系統利用無線通訊不易受物體直接阻隔的特性，改善了舊有紅外線勞工定位系統非常容易因為通訊視線（line of sight）受遮蔽而影響定位性能的問題；同時本系統的定位範圍為小功率的半徑3.5公尺與大功率的半徑6公尺區域，亦改善了紅外線定位系統因為定位範圍小而在中、大尺度工作區域佈點困難的問題。
透過無線模擬軟體的測試結果顯示，在LTQ協定運作下，單一區域定點子系統在5秒內約可提供36個勞工配戴子系統進行至少1次的通訊，實測的結果亦顯示1秒內單一區域定點子系統約可提供10台勞工配戴子系統至少進行1次的通訊。WES系統基本性能測試結果顯示，系統的定位正確率可高達96%~99%。在時間-活動模式性能的測試中，系統所記錄的時間-活動模式資料與人工觀察標準方法間的相關性（r2）高達0.95~0.99，顯示本系統應可取代人工直接觀察的方式，以進行勞工工作活動模式的調查與監測。以上結果驗證了本研究開發的系統已具有實用價值。

摘要(英)

A wireless worker exposure assessment system (called WES) was developed for worker’s time-activity studies in indoor workplaces. By using a special designed wireless data transmission protocol - Listen-Talk-Quiet Protocol, or LTQ, the WES is able to assign up to 16384 distinct identification numbers to different workers and can detect more than 36 workers concurrently located in one communication area in less than 5 seconds. Meanwhile, monitoring data, such as worker’s identifications, locations, and exposure concentrations, are continuously transmitted to the server for storage and calculations. When worker’s exposure exceeds predefined alert limit, the server will send out a warning message to the specific worker and trigger a personal alarm. The WES can cover 38.5m2 area(3.5m in radius) while setting in low power mode, and cover 113m2 area(6m in radius) while in high power mode. Both provide sufficient coverage for studying exposure patterns in most workplaces.
Software simulations indicated that the LTQ protocol has sufficient capacity to provide communication channels for 36 works in 5 seconds. In addition, laboratory tests showed that more than 10 works were able to talk to the host communication station (WES_Ht) every second. The reproducibility tests indicated that the WES achieved 99% accuracy in determining the positions of workers. The laboratory tests showed that the durations of a particular worker staying in a specific area measured by the WES method were highly correlated with that obtained by the direct observation method (r2=0.95~0.99). The results demonstrated that the WES is capable to be a great tool for worker’s time-activity pattern survey.

關鍵字(中)

★ 室內定位技術
★ 暴露評估
★ 時間-活動模式
★ 無線

關鍵字(英)

★ Time-activity pattern
★ Indoor positioning system
★ Wireless
★ Exposure assessment

論文目次

第一章前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2 研究目的 3
1.3 研究流程 3
第二章文獻回顧 6
2.1 暴露評估方法 6
2.2 時間-活動模式與相關偵測技術 7
2.2.1 問卷調查式 8
2.2.2 直接觀察法 8
2.2.3 電子紀錄式 8
2.2.4 影像監測技術 10
2.2.5 紅外線感測技術 10
2.3 無線通訊技術 11
2.4 無線通訊協定 12
2.5 室內定位技術 13
第三章 WES系統原理與架構 18
3.1 系統原理 18
3.1.1 勞工工作位置與停留時間判定方式 18
3.1.2 勞工個人暴露濃度偵測方式 21
3.1.3 即時資料傳遞方式 21
3.1.4 暴露警報發佈方式 22
3.2 系統架構 22
3.2.1 系統硬體架構 22
3.2.2 系統軟體架構 25
第四章 WES系統開發 28
4.1 系統硬體開發 28
4.1.1 硬體使用材料 28
4.1.1.1 中央處理器單元 30
4.1.1.2 無線通訊單元 31
4.1.1.3 網路傳輸單元 33
4.1.1.4 氣體濃度感測單元 33
4.1.1.5 數位類比轉換單元 34
4.1.1.6 警報器單元 35
4.1.1.7 電力供應單元 36
4.1.2 硬體整合與製作 36
4.2 系統運作協定設計 38
4.2.1 無線通訊協定設計 38
4.2.1.1 多對多雙向無線通訊協定－Polling Protocol 39
4.2.1.2 多對多雙向無線通訊協定－Listen-Talk-Quiet Protocol 46
4.2.2 勞工定位原理設計 54
4.3 系統軟體開發 58
4.3.1 微電腦處理器控制程式設計編寫 58
4.3.2 伺服器程式設計編寫 59
4.4 系統整合 65
第五章 WES系統測試結果與討論 68
5.1 硬體測試 68
5.1.1 一對一雙向無線通訊效率測試 68
5.1.2 無線通訊干擾測試 70
5.2 無線通訊模擬測試 72
5.3 系統基本性能測試 74
5.3.1 多對一無線通訊效率測試 74
5.3.2 區域子系統通訊範圍測試 76
5.3.3 定位正確率測試 81
5.3.4 耗電量與電力供應測試 83
5.3.4.1 系統硬體耗電量測試 83
5.3.4.2 電力供應時間測試 85
5.3.5 暴露警報測試 88
5.4 時間-活動模式記錄性能測試 89
5.4.1 測試現場配置與測試方法 89
5.4.2 測試結果與討論 93
第六章結論與建議 104
6.1 結論 104
6.2 建議 105
參考文獻 107
附錄一 WES_Detector（WES_Dt）之開發與使用簡介 111
附錄二無線通訊模擬結果說明 113
圖目錄
圖1-1 研究流程圖 5
圖2-1 無線通訊協定示意圖 13
圖3-1 系統原理示意圖 20
圖3-2 系統硬體架構圖 24
圖3-3 系統軟體架構圖 27
圖4-1 AT89C55WD外觀圖 30
圖4-2 nRF2401外觀圖 32
圖4-3 SitePlayer外觀圖 33
圖4-4 TGS 822外觀圖 34
圖4-5 TGS 822氣體感測器檢出線路圖 34
圖4-6 ADC0804LCN外觀圖 35
圖4-7 Kx-1205外觀圖 35
圖4-8 電力供應單元外觀圖 36
圖4-9 WES_Ht外觀圖 37
圖4-10 WES_Wr外觀圖 38
圖4-11 TEWAS系統－雙向紅外線定位技術原理示意圖 42
圖4-12 Polling Protocol運作時序圖 43
圖4-13 Polling Protocol原理示意圖 44
圖4-14 Polling Protocol資料格式圖 45
圖4-15 Listen-Talk-Quiet Protocol運作時序圖 50
圖4-16 Listen-Talk-Quiet Protocol原理示意圖－資料通訊程序 51
圖4-17 Listen-Talk-Quiet Protocol原理示意圖－警報發佈程序 52
圖4-18 Listen-Talk-Quiet Protocol資料格式圖 53
圖4-19 勞工定位判讀時序圖 56
圖4-20 定位判讀修正示意圖 57
圖4-21 監測資料透過網路傳遞時的資料格式 61
圖4-22 伺服器程式－歡迎畫面 62
圖4-23 伺服器程式－勞工登錄程式 63
圖4-24 伺服器程式－區域登錄程式 63
圖4-25 伺服器程式－即時暴露資訊監測程式（圖形介面） 64
圖4-26 伺服器程式－即時暴露資訊監測程式（資料介面） 64
圖4-27 伺服器程式－暴露監測資料查詢程式 65
圖4-28 勞工配戴圖 66
圖4-29 區域架設之WES_Ht外觀圖 67
圖5-1 一對一雙向無線通訊測試示意圖 69
圖5-2 無線通訊干擾測試示意圖 71
圖5-3 無線通訊模擬結果 74
圖5-4 多對一無線通訊效率測試示意圖 75
圖5-5 多對一無線通訊效率測試結果 76
圖5-6 WES_Ht與WES_Wr無線電波分布圖 78
圖5-7 無線通訊範圍測試佈設圖 79
圖5-8 定位正確率測試現場佈置圖 82
圖5-9 自走車外觀圖 83
圖5-10 耗電量測試架構圖 84
圖5-11 電力供應時間測試結果 87
圖5-12 暴露警報測試示意圖 88
圖5-13 測試現場WES_Ht架設方式 90
圖5-14 模擬勞工於測試現場的實況 90
圖5-15 時間-活動模式性能測試模擬工作區域示意圖 92
圖5-16 第一階段－人工觀察記錄值與系統記錄值比較圖 100
圖5-17 第二階段－人工觀察記錄值與系統記錄值比較圖 100
圖5-18 第三階段－人工觀察記錄值與系統記錄值比較圖 101
圖5-19 第一階段－人工觀察記錄值與系統記錄值之差值分布 101
圖5-20 第二階段－人工觀察記錄值與系統記錄值之差值分布 102
圖5-21 第三階段－人工觀察記錄值與系統記錄值之差值分布 102
表目錄
表2-1 室內定位系統與相關文獻之彙整 15
表2-2 無線定位方法與其資料形態 17
表4-1 WES_Ht 硬體單元一覽表 29
表4-2 WES_Wr 硬體單元一覽表 29
表4-3 中央微處理器單元AT89C55WD規格表 31
表4-4 無線通訊單元 nRF2401規格表 32
表4-5 WES系統與TEWAS系統之比較表 67
表5-1 無線通訊範圍測試結果－小功率 80
表5-2 無線通訊範圍測試結果－大功率 80
表5-3 定位正確率測試結果 83
表5-4 WES_Ht耗電量測試結果 85
表5-5 WES_Wr耗電量測試結果 85
表5-6 人工觀察記錄表 91
表5-7 第一階段－各區域人工觀察記錄值與系統記錄值之回歸分析表 97
表5-8 第二階段－各區域人工觀察記錄值與系統記錄值之回歸分析表 98
表5-9 第三階段－各區域人工觀察記錄值與系統記錄值之回歸分析表 99
表5-10 各階段測試人工觀察記錄值與系統記錄值之pair-T test結果 103

參考文獻

英文部份
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指導教授

王鵬堯(Peng-Yau Wang)

審核日期

2004-7-13

推文