基于北斗的智能安全帽系統設計

余子龍，沈 亮，李佳鵬，黃富楊，謝京達，謝 慧，吳有龍

（金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

北斗衛星導航定位系統是我國自主研發并且獨立運行的衛星導航系統，與目前的全球定位系統GPS、GLONASS和Galileo相比，北斗衛星導航定位系統的性能符合設計要求，信號強度和定位精度優于其他衛星導航定位系統。北斗衛星導航系統可以提供高精度定位、精準授時和導航服務，但是隨著北斗衛星導航系統的快速發展，可以和移動通信技術、互聯網技術相融合，衍生了“北斗+”服務[1-3]?；诒倍芳夹g的產品被廣泛的應用到生活和工業等領域，智能安全帽就是技術革新以及生產需求不斷提高的智能化產物[4-7]。

目前，工業制造正朝著智能化、創新化的方向發展。近年來，市場上出現了眾多的智能可穿戴設備，比如Google公司研發的智能眼鏡，但是對智能安全帽的研發、投入市場還遠遠沒有深度開展[8]。普通的安全帽僅僅是一個防護的穿戴產品，可以保護人的頭部，以免被重物砸擊頭部，但是它達不到目前高新科技下的工業生產環境的要求。工業生產追求的是生產安全、高效以及低成本，這也促進了對智能安全帽的廣泛應用[9]。智能安全帽系統的設計以北斗定位技術為基礎，結合傳感器模塊，對數據進行采集，對人員位置進行定位，由嵌入式硬件終端、網頁界面監控或手機APP組成。

1 系統設計

基于北斗的智能安全帽系統設計包括硬件設計和軟件設計，系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構

硬件部分：以STM32F103微處理器為核心的野火STM32開發板，主要功能是采集數據，并將數據發送至無線傳輸模塊，并由路由轉發給服務器；

軟件部分：服務器搭建是基于阿里云物聯網平臺，開發人員可以獲取證書信息并燒錄到設備中，用于設備連接物聯網平臺，服務器端對收到的數據進行解析，并且可以將解析后的數據分發給訂閱該主題的各個用戶。管理員可以在后臺服務器顯示工作人員周圍的溫濕度數據、工作地點和生命體征。與此同時后臺的服務器在監測到人員生命體征出現危險或周圍環境溫度過高等情況，可以將數據經原來的路徑返回，將要執行的指令消息發送給單片機，實現對設備端的智能控制。

2 功能闡述

管理人員可以通過訪問智能安全帽的頁面，在網頁上可以實時顯示工作人員的周圍溫濕度信息以及工作人員的心率信息，如圖2所示；同時在地圖上顯示工作人員的位置信息如圖3所示。當周圍環境溫度大于45 ℃以上和人員心率不穩定時發出報警信息。這時工作人員可以及時處理，以免發生安全問題。

圖2 工作人員周圍溫度信息

圖3 工作人員位置信息

3 相關技術

3.1 單片機技術

單片機是單片微型計算機的簡稱，是一種將中央處理器（CPU）、隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM、I/O接口電路等器件集成在一起的電路芯片，由這些元器件共同構成了一個最小計算機系統，使其具備邏輯運算能力，位處理能力，可以實現對外部設備的控制。該智能安全帽系統設計采用的是ARM公司生產的STM32F10x系列的芯片，通過芯片對外部設備進行控制，與外設I/O設備進行數據通信，進行實現對外設數據的運算再轉發。STM32F103VET6開發板實物如圖4所示。

圖4 STM32F103VET6開發板實物圖

3.2 物聯網通信技術

物聯網通信技術一般是指物聯網技術和通信技術的結合。通常物聯網體系架構會被分為感知層、傳輸層和應用層，主要實現數據從一臺終端傳送到另一臺終端。目前在物聯網領域運用較多的無線通信技術主要有兩類：短距離無線通信技術和長距離無線通信技術。該智能安全帽系統設計在數據的傳輸環節采用的是4G模塊，實現數據的云端上傳和數據的下發。

3.3 衛星定位技術

衛星定位技術是一種通過衛星來確定物體精確位置的技術，該智能安全帽系統設計采用北斗定位系統輔以GPS定位系統提高精度。北斗/GPS雙模定位模塊引入中科微電子公司ATGM332D-5N-31模塊，通過串行口將定位信息傳送到單片機系統和計算機。低功耗、高靈敏度讓其能用于本設計上，實現定位功能。該模塊具有三維位置定位（經緯度、高度）、測速和授時的功能，位置定位精度在2.5 m以內。定位模塊和開發板連線實物圖如圖5所示。

圖5 定位模塊和開發板連線實物圖

3.4 MQTT協議

MQTT協議是一種通信協議，客戶端使用它連接服務端，并且MQTT提供有序的、可靠的、雙向字節流傳輸。阿里云、機智云、OneNET等物聯網組件都支持MQTT協議。MQTT協議的主要特點有：

（1）MQTT協議是一種輕量級的通信協議，實現MQTT協議的開銷比較小，無需太多的額外數據文本。

（2）MQTT協議是基于TCP/IP協議的，當建立TCP連接后，云下設備和云平臺按照MQTT協議規定的數據格式來通信。

（3）MQTT協議是基于客戶端-服務端模式，云下設備作為客戶端，云平臺作為服務端。

（4）基于消息發布-消息訂閱模式，在此模式下，解耦了消息發布者和訂閱消息者之間的關系，意味著發布者和訂閱者之間并不需要直接建立聯系。

MQTT協議發布-訂閱模式如圖6所示。

圖6 MQTT協議發布-訂閱模式

3.5 服務器平臺

阿里云物聯網平臺下可建立屬于自己的物聯網產品云端服務。首先創建產品與設備，開發人員可以獲得設備的證書信息（ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）。該證書信息將燒錄到設備上，用于設備連接物聯網平臺時，進行身份認證。下一步為產品定義物模型，可以從屬性、服務和事件三個維度定義產品功能，根據定義的功能構建出產品的數據模型，用于云端與設備端進行指定數據通信。設備建好后可以建立連接來激活設備。在完成設備的建立后就可以建立物模型，物模型就是指將物理空間中的實體數字化，并在云端構建該實體的數據模型。在物聯網平臺中，定義物模型即定義產品功能，完成功能定義后，系統將自動生成該產品的物模型，如圖7所示。

圖7 物模型功能定義

4 結 語

本文設計了一種基于北斗的智能安全帽系統，并對該系統的功能闡述、結構分析、軟硬件等技術進行了介紹，通過本文的智能安全帽設計，能夠大大提高正在作業的工人們，隨時監測工人的安全信息，如果發生意外第一時間發現并及時搶救，為他們的安全提供保障。智能安全帽產品可以應用到建筑工地，礦井工人，高空電工等等眾多行業。