風電場巡檢智能安全帽系統設計

石自輝

（國電龍源電氣有限公司）

1 引言

本文設計的智能安全帽是一種綜合化智能設備，融合北斗/GPS定位、視頻會議、LoRa通信及4G移動網絡技術為一體，其智慧化安全管理平臺應充分展示硬件的這些功能。

2 系統設計

該系統由智能安全帽、衛星、基站、服務器和客戶端組成。智能安全帽是一個硬件設備，需要依靠通信網絡和定位基站才能實現智慧化管理功能[1]。依據現有的技術條件，首先確定網絡拓撲模型（見圖1）。

本網絡拓撲組成有：智能安全帽、北斗/GPS衛星、基站、交換機、互聯網、服務器和顯示終端。智能安全帽內置GPS/北斗定位芯片、LoRa芯片、4G通信模塊、WiFi芯片和攝像頭，實現對終端的定位、視頻數據采集及數據的上傳。基站由LoRa、WiFi基站和移動基站組成，是智能安全帽與服務器之間通信的服務網絡設備。接收智能安全帽的上行信息，并通過光纖網絡傳輸給服務器。服務器有定位服務器和視頻服務器，運行在集控中心，負責對接收到的定位信息進行處理計算、分發接收到的安全帽視頻數據以及給客戶端提供Web訪問服務。顯示終端通過瀏覽器訪問服務器里的數據，實現對人員和車輛的監控，進而實現遠程視頻對話。

圖1 系統網絡模型

3 智能安全帽設計

3.1 功能設計

硬件具備的幾個核心功能有：①具有普通安全帽的安全防護功能；②實現北斗/GPS精確定位；③插上SIM卡即可撥打、接聽電話；④設備與遠程客戶端均可主動發起遠程視頻請求，進行視頻對話，但設備端暫時無視頻顯示屏；⑤按下多功能按鍵，可執行相應的錄像或拍照功能，并將視頻或照片存儲在本地SD卡中；⑥輔助操作人員在低可見度環境下進行作業；⑦實時監測電場強度，提前發出警告，保障操作人員生命安全。

智能安全帽殼體符合GB 2811—2007《安全帽》國家標準，具有一般安全帽的安全防護功能，通過在普通安全帽的基礎上增加外設實現。

3.2 電子部分設計

該設計以主控芯片為核心，包括北斗/GPS電路、攝像頭、麥克風/喇叭、電場監測、按鍵電路、輔助LED燈、WiFi電路、移動網絡電路和LoRa電路等組成部分。

北斗/GPS電路負責定位，并將定位信息輸出給主控芯片。攝像頭將圖像輸出至主控芯片。麥克風/喇叭用于語音通話，由主控芯片進行控制。按鍵電路、輔助LED燈與主控芯片的GPIO腳相連，用于本地交互。電源管理電路為整個電子電路提供所需的電源，并負責充電管理。WiFi電路、移動網絡電路和LoRa電路為信息傳輸網絡電路，負責信息的上行鏈路。SD存儲為斷網條件下的本地定位信息和視頻信息存儲電路。

4 智能管理軟件設計

4.1 功能設計

智能安全帽管理軟件包括以下幾個主要功能：

1）實時位置監控

通過Web界面可以實時查看已設定工作區域或在地圖上任意劃定區域內人員的位置、數量和分布情況[2]。

2）查詢、顯示歷史軌跡

監控平臺上可查詢選定人員在選定時間段內的歷史軌跡，并在地圖上顯示，且歷史軌跡可下載。

3）電子圍欄

有禁止人員闖入時，相關的報警設備將發出提示。

4）報警服務

主站或區域管理員可以對現場工作人員發出“撤離”“危險”報警音頻信息。定位卡片出現低電壓、斷電、振動和求救時，將報警信息上傳至服務器。

5）電子點名

可按工作區域統計單位、部門、班次、姓名、工作崗位、上班時間和下班時間等詳細的考勤報表，報表可導出。

6）遠程視頻會議

視頻服務器支持10人以上同時視頻。

7）語音電話

通過撥打電話或網絡聊天兩種方式實現語音通話功能。

8）監控視頻聯動

當人員進入禁止區域或特定監控區域時，在監控畫面上自動打開相應的攝像頭進行遠程視頻監控。

9）人員信息管理

包括身份證號、姓名、性別、照片、年齡、聯系地址、聯系電話、郵箱、單位、工種以及職務等一些基本檔案信息。

10）設備信息管理

包括定位卡片編號、型號、設備名稱、設備號碼和出廠時間等一些基本檔案信息。

11）項目管理

對項目的名稱、負責人以及是否完工等信息進行新增、修改和刪除。此外，還有打印證件和遠程升級等功能。

4.2 開發平臺與數據庫

Web服務器開發平臺采用Java Spring Boot平臺，使用Java語言開發，采用MySQL數據庫。Web服務器設計支持不少于200臺客戶端并發訪問。

4.3 軟件架構設計

軟件架構采用前后端分離的模式進行設計，前后端分離使用RESTful風格結構通訊，前端通過WebSocket實時展示設備的位置和其他數據。使用Maven做系統版本管理，前端使用Vue組件化開發，使用Redis緩存存儲技術。

應用服務器軟件均采用B/S結構，該模式最大的優勢是一次部署，多用戶使用，是目前較流行的一種設計架構。

5 系統工作流程設計

由于風電場的特殊性，采用LoRa基站，解決由于4G和WiFi基站覆蓋不足造成的數據上行鏈路問題。

主控芯片實時檢測各種信號的覆蓋情況，不同的業務需要采用不同的通信模式。一般情況下，視頻通信信道使用順序依次為WiFi、4G網絡，定位數據上傳信道只使用LoRa。

6 系統分析

一般的智能安全帽采用WiFi、移動網絡（4G/3G/2G）進行數據上行傳輸。但這些上行傳輸技術在廣泛的風電場應用中有著天然的缺陷，不是優選的上行傳輸技術。

不同的應用場景需要不同的技術。移動網絡應用于有基站的室外場景，但由于許多風電場的移動信息覆蓋不好，不能實現全面覆蓋。WiFi適用于范圍較小的應用場合，WiFi網絡覆蓋整個風電場所需成本較高，不適用于風電場定位信息的上傳。而LoRa技術，由于其鏈路預算較高，接收靈敏度達到-142dBm，空曠空間傳輸可達15km，少量投入即可覆蓋整個風電場，因此，其作為定位信息上傳信道，是較為理想的技術方法。本設計在有可靠的WiFi和4G網絡時，可進行視頻通話，在無可靠網絡時，可本地存儲視頻信息。

7 結語

風電場地廣人稀，大部分地址沒有移動網絡覆蓋，如何有效上傳巡檢人員實時位置信息的問題一直沒有得到很好地解決。本文提出的使用LoRa技術上傳的方案，一次投入成本較小，終端功耗較低，終端傳輸距離較遠，是一種較好的解決方案。