基于作業(yè)安全監(jiān)管的智能安全帽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸啟榮，宋智鵬，邱柏良，梁利華

（1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州；2.浙江大學(xué) 工程師學(xué)院，浙江 杭州；3.浙江高信技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州；4.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州）

近幾年，因作業(yè)不規(guī)范或安全漠視的僥幸心理，或因工作過程中身體健康出現(xiàn)異常狀況不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和救助，導(dǎo)致施工過程的安全事故頻發(fā)。安全帽是施工作業(yè)過程的最基本防護(hù)裝備，傳統(tǒng)安全帽因不具備智能化數(shù)據(jù)交互，導(dǎo)致無法在線監(jiān)管，只能依賴于人為主觀安全意識(shí)，也無法監(jiān)測(cè)身體健康異常狀況。

可穿戴技術(shù)通過傳感器、無線通信、多媒體等技術(shù)嵌入人體穿戴的衣物或設(shè)備，支持與人的密切交互[1]。Preeti 等設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的建筑智能安全帽，通過添加工作模式（開/關(guān)）系統(tǒng)、GPS 系統(tǒng)、任務(wù)完成按鈕，將普通安全帽修改為智能安全帽，提供工人的實(shí)際位置，并在緊急情況下將確切位置發(fā)送到施工現(xiàn)場(chǎng)的指揮辦公室[2]。

國(guó)內(nèi)建筑業(yè)也通過應(yīng)用BIM 技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等逐漸實(shí)現(xiàn)信息化，智慧工地已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)工程建設(shè)項(xiàng)目的熱門[3-4]。王樂等研究了施工工地智能安全帽，利用了無線射頻技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，解決了工地監(jiān)管人員對(duì)工作人員的監(jiān)管問題，利用溫濕度等模塊實(shí)時(shí)采集工人所處的工作環(huán)境信息[5]。

然而，現(xiàn)有市面上用于施工作業(yè)的智能安全帽，主要用于定位監(jiān)管、安全宣貫和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測(cè)等，不具備對(duì)佩戴者進(jìn)行健康狀況監(jiān)測(cè)和安全帽正確佩戴監(jiān)測(cè)等功能。為此，本文設(shè)計(jì)了一款佩戴狀態(tài)檢測(cè)和生理健康參數(shù)監(jiān)測(cè)的施工作業(yè)安全監(jiān)管的智能安全帽系統(tǒng)。

1 智能安全帽的整體架構(gòu)

針對(duì)施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，基于施工作業(yè)安全監(jiān)管的智能安全帽由控制盒、前額監(jiān)測(cè)模塊及帽帶監(jiān)測(cè)模塊3 部分組成。前額監(jiān)測(cè)模塊基于光電傳感器和光生物傳感器采集血氧、體溫和心率等生理健康參數(shù)，并通過邊緣計(jì)算分析及設(shè)置的閾值進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警；帽帶監(jiān)測(cè)模塊基于高精度激光測(cè)距傳感器，并結(jié)合前額監(jiān)測(cè)模塊的光電傳感器，對(duì)正常工作過程的脫帽、未正確佩戴帽帶等違規(guī)作業(yè)行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警；控制盒安裝在安全帽后側(cè)外部，其內(nèi)包含定位模塊、電源系統(tǒng)、通訊模塊和邊緣計(jì)算模塊等。智能安全帽基于通訊模塊與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和記錄、設(shè)備管理、報(bào)警管理等功能，整體框架見圖1。

圖1 智能安全帽的整體架構(gòu)

2 智能安全帽硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

智能安全帽硬件設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)方法。智能安全帽系統(tǒng)硬件分為主控模塊、通訊模塊、生理參數(shù)檢測(cè)模塊、GPS 模塊、聲光報(bào)警模塊（LED 燈、蜂鳴器）。

2.1 前額監(jiān)測(cè)的采集功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

心率、血氧等生理健康參數(shù)的采集選用SFH 7050 光電傳感器和一個(gè)超小型模擬前端AFE 4404，電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。SFH 7050 光電傳感器基于反射式PPG 信號(hào)，用于監(jiān)測(cè)安全帽正確佩戴，具有體積小、低功耗、高樣本采集率和高速數(shù)據(jù)輸出的優(yōu)勢(shì)，符合設(shè)計(jì)要求。AFE4404 支持三個(gè)開關(guān)發(fā)光二極管和一個(gè)光電二極管，實(shí)現(xiàn)心率和血氧飽和度的監(jiān)測(cè)。AFE4404 還配有帶6 位電流控制的全集成LED 驅(qū)動(dòng)器，具有寬動(dòng)態(tài)范圍的發(fā)送和接收電路，有助于感測(cè)超小信號(hào)電平，且成本較低，符合設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)需求。

圖2 前額監(jiān)測(cè)模塊的SFH7050 和AFE4404 電路

2.2 帽帶監(jiān)測(cè)的采集功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

帽帶監(jiān)測(cè)選用VL53L0X 高精度激光測(cè)距傳感器，用于下巴位置帽帶的佩戴檢測(cè)，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 下巴帽帶監(jiān)測(cè)的VL53L0X 電路

不同于傳統(tǒng)的紅外接近檢測(cè)傳感器，VL53L0X 高精度激光測(cè)距傳感器內(nèi)部激光器發(fā)射為非可見光，解決了紅外接近檢測(cè)傳感器發(fā)射紅光分散注意力的問題，增強(qiáng)了抗干擾性能。

2.3 主控及通訊功能

智能安全帽主控芯片選用國(guó)民技術(shù)N32G452REL7。該芯片采用32 bit ARM Cortex-M4F內(nèi)核，最高工作主頻達(dá)144 MHz，支持浮點(diǎn)運(yùn)算和DSP 指令，具備512 KB Flash、144 KB SRAM，集成多路U (S)ART、I2C、SPI、QSPI、USB、CAN、1x SDIO 通信接口，內(nèi)置密碼算法硬件加速引擎，滿足智能安全帽的應(yīng)用需求及后續(xù)的拓展應(yīng)用。

為滿足智能安全帽的短消息、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求，選用高性能、低功耗、寬輸入電壓的BC28-CNV 為智能安全帽的通訊模塊。BC28-CNV 通過NB-IoT 無線電通信協(xié)議，采用LCC 貼片封裝，具有尺寸小、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

2.4 定位功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

智能安全帽定位模塊選用ATGM332D-5N，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包含32 個(gè)跟蹤通道，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)，具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，完全適用于柔性可穿戴設(shè)備。

2.5 聲光報(bào)警功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

選用無源蜂鳴器和LED 指示燈來顯示充電狀態(tài)和佩戴狀況。當(dāng)安全帽電量低于設(shè)定閾值時(shí)，每隔5 min（可通過遠(yuǎn)程云平臺(tái)修改設(shè)定）蜂鳴器會(huì)進(jìn)行平緩警示，紅色指示燈緩慢閃爍；開始充電時(shí)，藍(lán)色指示燈常亮，充滿電之后，藍(lán)色指示燈會(huì)熄滅。

智能安全帽正常佩戴的工作狀態(tài)下，綠色指示燈每隔10 s 閃爍一次，蜂鳴器會(huì)提示1 s 表示正確佩戴；處于未正常佩戴狀態(tài)下則綠色指示燈每隔5 s 閃爍一次，每隔30 s 蜂鳴器會(huì)急促警示10 s，實(shí)現(xiàn)安全帽異常佩戴的報(bào)警（注：相關(guān)間隔時(shí)間均可通過遠(yuǎn)程云平臺(tái)修改設(shè)定）。當(dāng)出現(xiàn)紅綠燈交替閃爍時(shí)，則說明當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不佳，設(shè)備未成功聯(lián)網(wǎng)；聯(lián)網(wǎng)成功時(shí)，綠色指示燈重新恢復(fù)閃爍。

3 安全監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

圖4 是基于外掛智能采集系統(tǒng)的工程作業(yè)安全監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)。安全監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)采集各傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)作業(yè)人員的定位信息、生理參數(shù)、佩戴情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過通訊模塊和安全監(jiān)管平臺(tái)的云服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)關(guān)通訊；云服務(wù)器通過部署安全監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)的Java 服務(wù)將安全帽傳輸上來的數(shù)據(jù)按協(xié)議文檔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的解析和計(jì)算，將結(jié)果信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。最后，由Web 前端搭建的界面和小程序，通過HTTP 協(xié)議和Java 后端服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，將數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)權(quán)限的控制對(duì)擁有不同權(quán)限的操作人員進(jìn)行共享和可視化顯示。

圖4 安全監(jiān)管系統(tǒng)整體方案

最重要的是通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)閾值、報(bào)警信息等設(shè)置功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，從而獲取到作業(yè)人員行動(dòng)軌跡、生理健康狀況和是否正確佩戴安全帽，加強(qiáng)了對(duì)施工人員的安全監(jiān)管，保障了工程作業(yè)的生產(chǎn)安全。

智能安全帽與服務(wù)器之間以MQTT 協(xié)議方式傳輸數(shù)據(jù)，支持雙向通信，能夠提供一對(duì)多的消息分發(fā)機(jī)制，可以用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。設(shè)備登錄在服務(wù)器平臺(tái)后，要先注冊(cè)用戶，添加設(shè)備編號(hào)，即可在服務(wù)器上查詢到該設(shè)備的電量、位置等信息。

智能安全帽正常佩戴時(shí)，光電傳感器與佩戴人員前額緊貼，可測(cè)得人體生理參數(shù)，若下顎帽帶佩戴正常，則檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示；智能安全帽未正常佩戴，則光電傳感器與佩戴人員前額存在一定距離，不能夠進(jìn)行生理參數(shù)檢測(cè)，無數(shù)據(jù)輸出，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，提醒人員正確佩戴智能安全帽。

智能安全帽下顎帽帶的VL53L0X 傳感器，若檢測(cè)到前額已佩戴但下顎未佩戴時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出蜂鳴聲來提醒佩戴者進(jìn)行下顎帽帶的正確佩戴；若檢測(cè)到前額和下顎都已佩戴時(shí)，前額的生理參數(shù)模塊檢測(cè)人體心率、血氧等健康參數(shù)，并將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)可視化。

當(dāng)智能安全帽處于正常佩戴情況下，安全帽前額傳感器與施工佩戴人員前額緊貼，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體生理參數(shù)并上傳云平臺(tái)。圖5 和圖6 為施工作業(yè)安全監(jiān)管平臺(tái)的駕駛艙。

圖5 安全監(jiān)管駕駛艙總體界面

圖6 安全監(jiān)管平臺(tái)駕駛艙單一設(shè)備狀態(tài)界面

4 測(cè)試及結(jié)果分析

為評(píng)估設(shè)備成品生理參數(shù)和作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，將本文設(shè)備成品與其功能相關(guān)的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估外掛模塊的測(cè)量準(zhǔn)確性和功能實(shí)現(xiàn)可行性。外掛模塊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在PC 端網(wǎng)頁管理平臺(tái)上讀取。

對(duì)智能安全帽外掛模塊的生理參數(shù)功能測(cè)試共6名測(cè)試對(duì)象參與試驗(yàn)，其中，男性3 名，女性3 名，身高范圍在160～185 cm，年齡范圍在22～35 歲，體重范圍在45～80 kg，身體健康無其他心血管疾病。對(duì)心率血氧功能進(jìn)行測(cè)試：令受試者頭戴智能安全帽，右手使用指夾式醫(yī)用心率血氧測(cè)量?jī)x（medisana 德國(guó)MD300C22 型指夾式心率血氧儀），同時(shí)佩戴智能手環(huán)（小米7 智能手環(huán)）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。每位受試者測(cè)量三次，數(shù)據(jù)取平均值，由于心率血氧的醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求整數(shù)將測(cè)得平均值四舍五入處理，所得數(shù)據(jù)見表1。

表1 心率血氧測(cè)試結(jié)果

對(duì)佩戴檢測(cè)功能進(jìn)行測(cè)試。令一位受試者反復(fù)試戴智能安全帽，記錄戴帽和脫帽時(shí)間并與平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，所得數(shù)據(jù)見表2。

表2 佩戴功能檢測(cè)測(cè)試結(jié)果

對(duì)智能安全帽外掛模塊定位功能進(jìn)行測(cè)試。選擇在室外開闊地點(diǎn)進(jìn)行定位精度測(cè)試，選取地圖多個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，頭戴智能安全帽觸發(fā)定位，進(jìn)行多次測(cè)量取平均值，再由兩個(gè)經(jīng)緯度算得定位功能的位置誤差，所得數(shù)據(jù)見表3。

表3 定位功能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，智能安全帽相對(duì)于醫(yī)用測(cè)量?jī)x的心率平均絕對(duì)誤差為1.58 次/min；相對(duì)于醫(yī)用測(cè)量?jī)x的血氧平均絕對(duì)誤差為0.65%。佩戴檢測(cè)功能可正確識(shí)別人員是否佩戴安全帽，平臺(tái)數(shù)據(jù)在1 min之內(nèi)記錄并作出佩戴狀況判斷。其中，兩者的時(shí)間差主要是由于智能安全帽按照30 s 時(shí)間間隔向云平臺(tái)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算，智能安全帽的定位誤差在5 m 之內(nèi)，平均誤差為2.4 m，誤差較小，在可接受范圍。

5 結(jié)論

針對(duì)工地作業(yè)事故頻發(fā)和市場(chǎng)上智能安全帽功能匹配不全等問題，設(shè)計(jì)了一款施工作業(yè)安全監(jiān)管的智能安全帽系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在多種工況條件下低功耗的人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)和佩戴狀態(tài)檢測(cè)。在指定的環(huán)境下，對(duì)智能安全帽進(jìn)行了功能和性能測(cè)試，并與相同功能的醫(yī)用儀器和手環(huán)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的智能安全帽在心率、血氧檢測(cè)精度和功能上能滿足施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。

智能安全帽的使用，能夠提高有效監(jiān)管施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的生理參數(shù)指標(biāo)和安全帽佩戴行為，大幅度提升工程項(xiàng)目管理的質(zhì)量和效率，有效推動(dòng)建筑業(yè)的信息化轉(zhuǎn)型升級(jí)。