具有自檢及定位的智能安全帽系統的設計

尹宇肖 肖澳琪 武鑫宇 徐澤遠 牛懊輝(山西大學，山西 太原030013）

1 研究背景

由于現代工業不斷向智能化發展，促使高能化商品進入人們的視線，但基于工業使用的安全帽的研究及生產應用還未普及。傳統的安全帽只是用于保護頭部，并且也存在質量問題，完全滿足不了佩戴者的安全需求。據調查，工業生產對安全系數要求迅速提高，使智能安全帽及由其衍生的生產管理系統有著廣泛的應用前景。

由于“北斗＋”服務以產業化方向快速發展。該服務具有精準定位和授時且性能穩定可靠的特點。在北斗衛星定位技術的基礎之上，設計和開發智能安全帽系統，為的是改善工人的管理性能。

1.1 產品設計

該產品以“自檢＋監管”為設計理念，通過北斗定位技術，器構成是由發送終端、接收機監控終端兩大部分。

與基礎文化課相比，中等職業學校的專業課教學更接近于未來的實際情況。如果能通過情景模擬的方式進行教學，將教學內容從“現實生活”中剔除，就更符合專業教學要求。因此，現階段，教師改變導游專業人才培養的傳統教學理念，圍繞實際需要編訂教學內容開展教學，以實踐需要來整合知識，實現時間與理論的統一。

安全帽上電后即進入工作狀態，發送硬件終端完成對位置信息的采集和處理，并在NRF24L01無線模塊的寄存器中緩存，最終以無線的方式將數據傳輸到接收機監控終端。若施工人員有意外事故，可及時發送求救信號，將位置信息發送到接收機。管理員在接收機監控終端可查看施工人員地理位置并及時采取營救措施。系統總體結構設計如圖1所示：

圖1 系統總體設計圖

1.2 發送終端設計

可以控制系統供電，用于連接運維檢修人員帽子上佩戴的干電池，給系統供電。本項目應用電壓轉換模塊，輸出5V 或3.3V，給主控芯片供電。

圖2 發送終端

2 主控芯片設計

吸附法是一種使用范圍廣泛的方法，一般采用金屬螯合劑作為吸附材料，金屬螯合劑中含有氨基、羧基、羥基等官能團可與金屬離子進行絡合反應形成螯合物。用于中藥材中的吸附材料主要有大孔樹脂、γ‐巰丙基鍵合硅膠、殼聚糖、聚乙烯發泡棉等。

該芯片通過SPI 與外部MCU 通信，最大的SPI 速度可以達到10Mhz，這里NRF24L01模塊使用的是SPI1，開機時系統先檢測NRF24L01 模塊是否存在，在檢測到NRF24L01模塊之后，立馬進入發送模式，然后主控芯片接收北斗模塊的信息，對其進行解碼，然后選取經緯度等信息發送至無線模塊發送存儲器，我選用通道1 發送，并設置通道0 自動應答，確保數據可靠傳輸，最終于無線的方式發送給接收機終端。發送硬件終端數據傳輸流程圖和接收機數據接收軟件流程圖分別如圖3 和圖4所示。

2.1 NRF24L01無線模塊

甘蔗損失測定是收集測定區內落地、蔗稍、割茬蔗莖等損失蔗莖質量與包括損失蔗經的全部蔗莖質量進行對比。試驗結果如表1所示，因收獲的甘蔗切段較短，在20～23cm之間，損失碎蔗率為5.09%，瀑蔗率為6.59%，總損失率為11.68%。

圖3 方位信息發送流程圖

圖4 位置數據接收流程圖

2.2 電源模塊

發送終端以STM32 主控板、無線模塊、供電模塊以及北斗模塊集成在安全帽中。首先通過信號采集，然后經CPU進行數據運算處理，最終發給NRF24L01模塊。發送終端如圖2所示。

2.3 ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊

ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊使用NMEA-0183 協議發送GPS/北斗定位數據，并可以人為進行配置。BDS方位信息解算程序設計如圖5 所示，首先檢查BDS 數據幀的完整性，若完整，則接收BDS數據幀，然后統計數據幀內逗號個數，同時判別數據類型。由于數據幀以逗號對各段數據進行劃分，所以不同的逗號個數代表數據的差異性。根據各自數據的特點，對數據實施分離和緩存。

主控芯片是通過STM32F407微處理器進行控制外設，其特點有計算處理數據的速率快，功能多樣化，還可進行擴展接口。

圖5 BDS位置信息解碼

3 接收機監控終端設計

在這里分時復用SPI2接口，是因為NRF24L01 模塊和我們的STM32開發板上的FLASH 同用一個SPI 接口。實物連接如圖6所示：

圖6 NRF24L01模塊連接圖

4 產品性能檢查

根據要求將各自功能模塊集成后，接收信息如圖7所示，我們在室外環境下，對安全帽和接收終端測試進行了測試。首先，佩戴者頭戴安全帽，測試佩戴成功后是否有提示音。

2.3.1 注意紅色文獻的甄別和取舍。個別在地方革命歷史上有突出影響與成就，值得后世進行專題研究的地方人士，可根據其與地方紅色政權的關聯度，將其全部著作、手稿、日記、書信,以及他人對其生平、著作進行專題研究的成果，都作為紅色文獻處理。

在接收端的測試過程中，進行了大量的重復性試驗。經測試，接收端可以實時的顯示施工人員的具體方位。顯示結果如圖7所示。此外，通過安全帽上設置的一個求救功能按鍵，發送過來的求救信號，使得接收機TFT顯示屏顯示“help”紅色標志，并且蜂鳴器發出響聲。

圖7 接收端TFT屏幕界面

5 結語

經測試結果表明，發送硬件終端工作穩定，接收機監控終端能實時反映定位信息，達到預期效果。我們的產品將在一線生產安全領域發揮切實可行的預研基礎和工程實踐的重要意義。