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設備，可以應用于許多工作場合。常規的安全帽只能通過減震以及材料優化起到對頭部的保護作用。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，常規的安全帽做不到對工人萬全的保護，因此工傷事故屢屢發生。鑒于此，設計了一種多用途，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出預警并做出反應，利用自帶的定位系統實現人員的動態監管，利用藍牙設備實現通信功能，對于保障工人的生命安全及提高工作效率具有重要意義。

關鍵詞：智能安全帽;動態監管;Arduino

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

目前，多數的工作在施工作業時勞動力密集、工種繁雜、人員流動性大、施工現場環境惡劣、技術復雜而且通常伴有較長的施工周期和雜重的工作，容易造成事故的發生。同時，工作人員的疏忽與缺少佩戴齊全防護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，設計配置了凈化供風系統，使安全帽能夠做到精華過濾空氣，但該設計只考慮到煤礦作業時的粉塵危害，在實際應用時具有局限性;“安全帽遠距離藍牙雙工通信的應用”一文中研制的可進行遠距離藍牙雙工通信的安全帽為安全帽提供了藍牙設備，使安全帽具備了通信功能，但復雜的工作環境讓通信的穩定性成了一個難題;“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，但其數據傳輸技術仍有缺陷，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。該文針對復雜的施工作業場合拓展優化了傳統的施工安全帽，除了常規的頭部防護及減震功能外，基于物聯網 + 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、人員異常工作狀態報警等功能模塊，通過后臺管理服務器形成監控、安全雙維度的全程動態體系，以產品較低的附加成本為工人提供更全面的協助與保障。安全帽系統組成如圖1所示。

通用施工智能安全帽的系統由常規的安全帽、SoC數據處理終端、后臺服務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、護目鏡、照明燈、數據傳輸線、ADXL345加速度傳感器、衛星定位模塊、射頻發射器、光敏開關、可充電鋰電池、存儲模塊和震動傳感器，數據處理終端Arduino配置了基于蜂窩網絡的NB-IoT、4G模塊，安全帽上的硬件設備與SoC數據處理終端通過布線連接，能保證數據傳輸的穩定性，SoC數據處理終端與后臺服務器通過NB-IoT技術實現連接通信。硬件設計框圖如圖2所示。

2 功能設計

通用施工智能安全帽的數據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、設備啟動、數據的傳輸等功能代碼。

數據處理終端作為安全帽傳感器以及后臺服務器的中轉，編寫了數據轉發程序。麥克風將接收的聲音信號進行模數轉換，進而觸發面部防護;軟件將GPS定位數據實時編譯并發送到后臺服務器;同時，軟件中也基于ADXL345加速度傳感器編寫了監測異常運動狀態的報警模塊;后臺服務器的配備了實現基本語音通信、人員監控管理、設備監控的模塊，實現對現場工作人員的人員動態監控與調配以及人員異常工作狀態報警。

安全帽主要分為保護模塊、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 保護模塊

安全帽采用外置駐極體麥克風MAX4466作為感知端口，信號單通道輸入，數字音頻編碼標準由標準化組ITU-T制定，項目選用應用最多的是ADPCM、G.711A、G.711U編碼方式，這3種方式混用，兼具方便計算機處理、低空間消耗、聲音高質量等優點。

該設備能檢測工作現場大型設備的工作聲音。在自動工作模式下，當接收到的聲源信號持續一定時間時，將觸發安全帽自帶的護目鏡/面罩;手動模式下，如果接收到滿足觸發條件的聲源信號且護目鏡/面罩沒有就位，內置的震動傳感器會向使用者發出震動警報，直到面部保護設備就位，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備佩戴不規范導致的事故發生率。保護模塊的功能如圖3所示。

2.2 定位模塊

安全帽采用內置AT6558多模衛星導航接收機SoC單芯片，其支持多種衛星導航系統，可以同時接收6個衛星導航系統的GNSS信號，在功耗、尺寸、精度、靈敏度等性能方面均屬頂級水平。

定位信號的發送利用具有低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優勢的NB-IoT 技術進行數據傳輸，由于NB-IoT技術使用License頻段，采取帶內、保護帶或獨立載波3種部署方式，可與4G網絡共存，更可靠地實現設備互聯。

該模塊的使用將獲取準確的人員位置信息，并通過運營商信道傳輸定位數據至工地后臺服務器，并以標準數據的形式存在數據庫中。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）設備信息管理：設備信息欄可以顯示當前管理平臺下的所有設備信息包括設備編號、設備名稱、工作區域、通信線路、設備備注信息等。

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

（3）人數統計：可以用來統計在一個特定工作區域內的施工人數有多少，方便進行工作分配及規劃，規范工作人員的工作行為，同時能做到監控人員出勤，提高企業人員管理效率。