一種基于Arduino的通用智能安全帽的研究

孫振豪 許一虎

摘? 要：安全帽是針對頭部的個體防護(hù)設(shè)備，可以應(yīng)用于許多工作場合。常規(guī)的安全帽只能通過減震以及材料優(yōu)化起到對頭部的保護(hù)作用。但由于工作場合的多樣性、工種的多樣性以及工作人員的疏忽，常規(guī)的安全帽做不到對工人萬全的保護(hù)，因此工傷事故屢屢發(fā)生。鑒于此，設(shè)計了一種多用途，多場合適用的智能安全帽，能對工作場合的多種不安全行為發(fā)出預(yù)警并做出反應(yīng)，利用自帶的定位系統(tǒng)實現(xiàn)人員的動態(tài)監(jiān)管，利用藍(lán)牙設(shè)備實現(xiàn)通信功能，對于保障工人的生命安全及提高工作效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：智能安全帽;動態(tài)監(jiān)管;Arduino

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

目前，多數(shù)的工作在施工作業(yè)時勞動力密集、工種繁雜、人員流動性大、施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣、技術(shù)復(fù)雜而且通常伴有較長的施工周期和雜重的工作，容易造成事故的發(fā)生。同時，工作人員的疏忽與缺少佩戴齊全防護(hù)裝備的意識也是造成工傷的重要因素。

“AFM-1型防塵安全帽”一文中研制了面向煤礦工人的防塵安全帽，設(shè)計配置了凈化供風(fēng)系統(tǒng)，使安全帽能夠做到精華過濾空氣，但該設(shè)計只考慮到煤礦作業(yè)時的粉塵危害，在實際應(yīng)用時具有局限性;“安全帽遠(yuǎn)距離藍(lán)牙雙工通信的應(yīng)用”一文中研制的可進(jìn)行遠(yuǎn)距離藍(lán)牙雙工通信的安全帽為安全帽提供了藍(lán)牙設(shè)備，使安全帽具備了通信功能，但復(fù)雜的工作環(huán)境讓通信的穩(wěn)定性成了一個難題;“一種新型電力智能安全帽”一文中附加了通信、定位、人臉識別以及視頻采集功能的安全帽雖然功能繁多，但其數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)仍有缺陷，成本較高，也缺少向施工人員提供多樣的安全保障的功能，同樣不具備普遍適用性。該文針對復(fù)雜的施工作業(yè)場合拓展優(yōu)化了傳統(tǒng)的施工安全帽，除了常規(guī)的頭部防護(hù)及減震功能外，基于物聯(lián)網(wǎng) + 硬件手段，使安全帽成為多維的感知端，裝配了分組通信、施工定位、人員異常工作狀態(tài)報警等功能模塊，通過后臺管理服務(wù)器形成監(jiān)控、安全雙維度的全程動態(tài)體系，以產(chǎn)品較低的附加成本為工人提供更全面的協(xié)助與保障。安全帽系統(tǒng)組成如圖1所示。

通用施工智能安全帽的系統(tǒng)由常規(guī)的安全帽、SoC數(shù)據(jù)處理終端、后臺服務(wù)器以及外部硬件裝置組成。通用施工智能安全帽裝配了駐極體麥克風(fēng)、護(hù)目鏡、照明燈、數(shù)據(jù)傳輸線、ADXL345加速度傳感器、衛(wèi)星定位模塊、射頻發(fā)射器、光敏開關(guān)、可充電鋰電池、存儲模塊和震動傳感器，數(shù)據(jù)處理終端Arduino配置了基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT、4G模塊，安全帽上的硬件設(shè)備與SoC數(shù)據(jù)處理終端通過布線連接，能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，SoC數(shù)據(jù)處理終端與后臺服務(wù)器通過NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)連接通信。硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

2 功能設(shè)計

通用施工智能安全帽的數(shù)據(jù)處理終端選用低成本的Arduino系列的微型主板，軟件選用配套的Arduino IDE，燒錄的程序主要包括傳感器的觸發(fā)、設(shè)備啟動、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ艽a。

數(shù)據(jù)處理終端作為安全帽傳感器以及后臺服務(wù)器的中轉(zhuǎn)，編寫了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序。麥克風(fēng)將接收的聲音信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而觸發(fā)面部防護(hù);軟件將GPS定位數(shù)據(jù)實時編譯并發(fā)送到后臺服務(wù)器;同時，軟件中也基于ADXL345加速度傳感器編寫了監(jiān)測異常運動狀態(tài)的報警模塊;后臺服務(wù)器的配備了實現(xiàn)基本語音通信、人員監(jiān)控管理、設(shè)備監(jiān)控的模塊，實現(xiàn)對現(xiàn)場工作人員的人員動態(tài)監(jiān)控與調(diào)配以及人員異常工作狀態(tài)報警。

安全帽主要分為保護(hù)模塊、定位模塊、通信模塊、摔倒檢測模塊和照明模塊5個功能模塊。

2.1 保護(hù)模塊

安全帽采用外置駐極體麥克風(fēng)MAX4466作為感知端口，信號單通道輸入，數(shù)字音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)由標(biāo)準(zhǔn)化組ITU-T制定，項目選用應(yīng)用最多的是ADPCM、G.711A、G.711U編碼方式，這3種方式混用，兼具方便計算機(jī)處理、低空間消耗、聲音高質(zhì)量等優(yōu)點。

該設(shè)備能檢測工作現(xiàn)場大型設(shè)備的工作聲音。在自動工作模式下，當(dāng)接收到的聲源信號持續(xù)一定時間時，將觸發(fā)安全帽自帶的護(hù)目鏡/面罩;手動模式下，如果接收到滿足觸發(fā)條件的聲源信號且護(hù)目鏡/面罩沒有就位，內(nèi)置的震動傳感器會向使用者發(fā)出震動警報，直到面部保護(hù)設(shè)備就位，警報停止。

該模塊的靈活使用為工作者減少工作時不安全因素的威脅，將會有效降低由于工作人員安全意識不足以及安全設(shè)備佩戴不規(guī)范導(dǎo)致的事故發(fā)生率。保護(hù)模塊的功能如圖3所示。

2.2 定位模塊

安全帽采用內(nèi)置AT6558多模衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)SoC單芯片，其支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以同時接收6個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號，在功耗、尺寸、精度、靈敏度等性能方面均屬頂級水平。

定位信號的發(fā)送利用具有低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優(yōu)勢的NB-IoT 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于NB-IoT技術(shù)使用License頻段，采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨立載波3種部署方式，可與4G網(wǎng)絡(luò)共存，更可靠地實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)。

該模塊的使用將獲取準(zhǔn)確的人員位置信息，并通過運營商信道傳輸定位數(shù)據(jù)至工地后臺服務(wù)器，并以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的形式存在數(shù)據(jù)庫中。定位模塊的功能如圖4所示。

模塊的靈活使用將會有以下效果：

（1）設(shè)備信息管理：設(shè)備信息欄可以顯示當(dāng)前管理平臺下的所有設(shè)備信息包括設(shè)備編號、設(shè)備名稱、工作區(qū)域、通信線路、設(shè)備備注信息等。

（2）設(shè)備監(jiān)控：定位信息可在后臺服務(wù)器及其連接的移動終端上進(jìn)行顯示，可追蹤設(shè)備位置、提示設(shè)備電量狀態(tài)、同步獲取設(shè)備移動方位和移動軌跡等。

（3）人數(shù)統(tǒng)計：可以用來統(tǒng)計在一個特定工作區(qū)域內(nèi)的施工人數(shù)有多少，方便進(jìn)行工作分配及規(guī)劃，規(guī)范工作人員的工作行為，同時能做到監(jiān)控人員出勤，提高企業(yè)人員管理效率。