基于ARM9的遠程協助式智能安全帽

盧培純，劉君豪，吳育瑛，王春豪，王嘉鑫

（韶關學院 信息工程學院，廣東 韶關 512023）

0 引 言

為提高工地巡查和監督管理的智能化水平，本文設計采用ARM芯片作為遠程協助式智能安全帽系統的控制芯片，Qt5.7E作為操作系統的設計思想，給出遠程協助式智能安全帽系統的軟硬件解決方案。此設計以FFmpeg視頻播放器解析技術為基礎，由Java后端、嵌入式終端、手機APP組成，結合傳感器模塊對數據進行采集和存儲，效率極高。基于ARM9的遠程協助式產品被廣泛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。

1 系統硬件設計

1.1 開發板硬件介紹

本系統選用韓國三星電子出品的基于ARM Cortex-A9架構的主頻為1.4 GHz的四核處理器，其開發板集成了包括存儲器接口、以太網接口，A/D JTAG等在內的豐富的硬件資源，另外具有CAN總線、WiFi等拓展模塊，大大簡化了外圍設備與微處理器的硬件連接結構，保障了系統的穩定性與可靠性。硬件結構如圖1所示。

圖1 硬件結構

1.2 系統驅動介紹

驅動程序是通過程序控制硬件實現某種功能的代碼。硬件與軟件之間連接的中間件是寄存器，開發者可以通過閱讀芯片的數據手冊，操作相關寄存器來控制硬件工作。對于ARM處理器，開發商會提供API函數庫給驅動開發者使用。而開發者可直接調用封裝好的API函數來完成對芯片的操作。同時面對不同場景以及不同需求，開發者可按意愿自行修改驅動代碼。此流程可大大縮短開發周期，降低開發難度。

在本系統中，使用的傳感器有DHT11數字溫濕度傳感器、FSR402薄型電壓力傳感器及MQ-7氣體傳感器。若要讀取這些傳感器數據，可開發對應的字符型驅動并制作成驅動模塊裝入系統后獲取數據。

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它擁有專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品的可靠性與卓越的長期穩定性。FSR402壓力傳感器將施加在FSR傳感器薄膜區域的壓力轉換成電阻值的變化，從而獲得壓力信息。MQ-7氣體傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。FSR402壓力傳感器和MQ-7氣體傳感器均使用ADC模塊處理數據。開發時可結合地址映射原理，參考開發板ADC的API函數和芯片數據手冊。

傳感器驅動程序的編寫流程如下：

（1）用函數定向設置其連接接口位；

（2）根據通信時序圖，編寫喚醒函數；

（3）獲取指定接口的數值。

2 系統軟件設計

2.1 嵌入式操作系統的選擇和移植

本系統采用Qt5.7E作為操作系統，具體移植方法如下：

（1）在虛擬機環境下安裝交叉編譯工具；

（2）利用共享文件夾或其他方式將內核移植文件移植到虛擬機；

（3）編譯內核鏡像；

（4）利用串口助手一鍵燒寫內核到開發板。

2.2 應用軟件設計

2.2.1 安卓APP開發

APP將當前安卓開發技術與工地管理工作結合起來，極大地便利了員工工作時對周圍環境數據的探測以及管理部門跟進員工個人工作情況。

手機端具有如下功能：

（1）戴帽壓力檢測。壓力傳感器適用于檢測使用者是否佩戴帽子。

（2）溫濕度監測。通過溫濕度傳感器對工地環境的溫濕度進行實時監測。

（3）專家遠程協助。工作者可以通過移動設備與工程專家進行遠程視頻會議，實現專家不在現場也能實時指導工作者的目的。

2.2.2 服務器端和客戶端軟件設計

本系統采用客戶端-服務器模型。服務器端與客戶端通信采用TCP連接，具體流程：Qt端（安全帽端）可發送拍攝的視頻文件到Java后端，Java后端將數據存入MySQL。

文件的保存方式：將文件名、文件路徑等信息存儲在MySQL中，需要時根據文件名即可找出文件。

服務器端和客戶端流程如圖2所示。

圖2 服務器端和客戶端流程

Java后端也可通過Http請求下載網絡上的文件或從數據庫取出文件發送給Qt端。

后端采用TCP連接來減少文件傳輸過程中數據丟失或缺失的情況。同時為提高不同數據庫連接的兼容性，系統采用JDBC連接方式調用本地JDBC-數據庫驅動與MySQL數據庫管理系統建立連接。JDBC驅動圖例如圖3所示。

圖3 JDBC驅動圖例

2.2.3 視頻播放器開發

視頻是利用余暉效應（在一段短暫的時間內，通過光信號導入人大腦神經的視覺形象并不會立即消失，而會暫時存留）在一定的時間間隔內播放了許多圖片，讓人眼產生圖片上的事物在變化的錯覺。假設無損耗地傳輸視頻，那么這個數據量極其龐大，對于現有技術而言無法實現。因此H.264視頻壓縮時需在發送端刪除重復信息，之后在接收端恢復。封裝協議流程如圖4所示。

圖4 封裝協議流程

H.264是高壓縮、高質量和支持多種網絡流媒體的編碼標準。其編碼的理論依據：在極小的時間間隔內，令每幅圖片的像素、亮度、色差度的變化分別控制在10%、2%和1%，在處理時首先編碼出一個完整的圖片幀，接下來，在該范圍內的圖片幀均只采取不完全編碼方式—只需編碼與上一圖片幀的差別幀。如此循環的過程稱為序列。當超出該范圍時，即相鄰圖片差異變化較大，那么上一序列結束，開始新的序列。H.264分層結構如圖5所示。

圖5 H.264分層結構

視頻存放格式主要是針對YUV格式。其中Y表示亮度，而U、V表示顏色。YUV有一套專門針對視頻的高效壓縮算法，在保證播放效果的同時將視頻壓縮到更小。

本系統先將采集好的視頻經YUV壓縮算法處理后存儲于FFmpeg中。需要讀取視頻時，將壓縮后的視頻通過軟解碼或者硬解碼的方式解碼，從而實現視頻的正常播放。RGB和YUV轉換公式如圖6所示。

圖6 RGB和YUV轉換公式

3 結 語

本文設計了一種遠程協助式智能安全帽系統，并對該系統的功能闡述、結構分析、軟硬件等進行了介紹。智能安全帽不僅可以保障工地工人的安全，還集巡查和監督管理功能于一體，為工業管理帶來便利，極大地降低了企業成本。該方案經推廣還可應用于建筑、采礦等行業。