一種安全帽通訊裝置設計與應用

徐龍彬 李金蹊 張 越

（廣東電網有限責任公司佛山供電局）

0 引言

長期以來，安全防護始終都是電力系統日常工作中的關鍵一環。為降低檢修、巡視等期間出現意外傷害的可能性，相關人員應結合所處的工作環境特點按要求戴好個人防護設備（PPE），不論在哪種工況下，工作人員都必須佩戴好安全帽，以確保個人的人身安全。有關研究結果顯示，戴好防護設備能有效降低37%的職業傷害，可以在做好物理防護的同時提高個人的安全感。

通過使用傳統安全帽，可以有效防止墜落的物件傷害頭部。但是，現階段在佩戴安全帽、設計安全帽時僅僅只關注安全帽的安全防護功能，卻不注重安全帽的即時通信功能。在實踐過程中，工作人員之間進行交流與互動時，若僅通過對講機或者人聲進行消息傳送，便會影響溝通效率以及信息傳遞的時效性。同時，使用手持對講機會為施工埋下較大的安全隱患，存在墜落的可能性。為進一步提高工作效率以及消息傳達與交流的及時性，此次研究中設計了一種能實現及時通信的安全帽［1-2］，通過使用此安全帽可以使相關決策者能夠更系統地獲悉實際現場狀況，提升現場施工人員以及管理者的溝通與交流的效率，實現現場高效聯動，便于管理決策。

1 安全帽通訊裝置的組成和原理

安全帽是保證安全前提的條件下增加了通訊裝置，安全帽的材料采用玻璃纖維增強塑料。這種材料纖維強度比較高，耐熱性和電絕緣性能更加優良，同時具有優良的耐酸和耐水性、阻燃、變形小等各種優良的特點。安全帽本體主要由帽殼、帽襯、下顎帶組成。安全帽頂部有加強凸起筋，可以增強安全帽的抗沖擊能力，防止施工人員受到傷害。

安全帽的通訊裝置采取的是一種雙向移動通信工具，與對講機的原理類似，不需要任何網絡支持就可以短距離無線通話，不會產生任何費用，可以很方便地實現一對一和一對多的通話，適用于施工現場頻繁通話的場合。

安全帽通訊裝置結構圖如圖1所示，安全帽效果圖如圖2所示。

圖1 安全帽結構圖

圖2 安全帽效果圖

通訊裝置安裝在安全帽結構圖中位置1處。當施工人員戴上這種安全帽既能保證安全工作，還能及時互通信息，以此確保各方面工作安全、協同進行，更加高效有序地開展工作。

2 安全帽通訊裝置設計的主要原理

當涉及到通信技術和電路原理時，確實會有很多專業術語和復雜的描述。以下是對一些部分進行的簡化解釋：

（1）發射部分

發射部分使用鎖相環和壓控振蕩器來產生射頻載波信號。經過緩沖放大、激勵放大和功放等處理，產生所需的射頻功率。然后通過天線低通濾波器去除諧波成分，并通過天線發射出去。

（2）接收部分

接收部分使用二次變頻超外差方式。從天線輸入的信號經過收發轉換電路和帶通濾波器進行射頻放大。然后經過帶通濾波器進入混頻器，與來自鎖相環頻率合成器電路的信號混頻并生成中頻信號。經過濾波后，中頻信號進入中頻處理芯片，再次與另一個本振信號混頻生成第二中頻信號。最終通過放大和鑒頻，產生音頻信號。音頻信號經過放大、濾波、去加重等處理后，驅動揚聲器輸出所需的信息。

（3）調制信號及調制電路

人的話音通過麥克風轉換成音頻電信號。音頻信號經過放大、預加重和帶通濾波器進入壓控振蕩器進行調制。

（4）信令處理

在信令處理方面，CPU產生CTCSS／DTCSS信號，并經過放大調整后進入壓控振蕩器進行調制。接收到的低頻信號經過放大和亞音頻的帶通濾波器處理后，與預設值進行比較。根據比較結果，控制音頻功放和揚聲器的輸出。如果與預置值相同，則打開揚聲器。

3 安全帽通訊裝置各部分設計及功能

安全帽本體［3-4］的構成要素包括帽襯、帽殼、下顎帶，其頂部設置了加強凸起筋，能使安全帽的抗沖擊性能得到強化，避免電力工作人員的人身遭遇到傷害。而安裝在安全帽本體上的LED照明燈能在夜間照明的情形下使用，電量顯示燈是由4個LED燈珠構成的，具有呈現鋰電池的電量余量情況的功能，LEF燈珠有三種顏色，藍色代表的是電量充裕，紅色代表的是缺電，黃色代表的是警示。依靠呈現LED燈珠的數目與顏色，能讓相關工作人員了解到電量的實際情況，實用價值強。同時，設計中間的兩個操作按鍵，使之形似六棱柱，以便于電力工作人員能靠手的感知就可判定操作按鍵的具體位置。而短距離無線通信裝置的組成要素包括防滑墊、安裝座、導向孔、滑移手柄、天線本體、收整筒體、滑塊、定向滑槽，在這當中天線本體是一種以彈性材料為原材料打造出來的螺旋形結構，其借助定向滑槽中的滑塊與安裝座提高位置的緊固性。滑塊上設置了滑移手柄，在信號較差的情況下，電力施工人員可對滑移手柄進行操作，從而伸出天線本體，提高信號的強度。再者，將防滑墊安裝在滑塊和導向孔之間，導向孔和防滑墊之間預留了0.3～0.5mm的過盈量。這樣的話，即便是伸出了天線，防滑墊能保證在定向滑槽中滑塊的位置比較固定，不會出現任意滑動的情況，有效提高了天線本體的穩定性。

電路板的構成模塊有微處理器、通訊模塊、充放電控制器，在這當中通訊模塊連接著外部的無線網絡，依靠耳機以及麥克風進行網絡通話，使現場工作人員和后臺管理人員能夠在任意時間進行語音通話。同時，通訊模塊具有對揚聲器與受話器進行管控的功能，使后臺管理員與電力工人能夠在任意時間進行對講，可以比較方便地向現場作業人員及時傳達任務與要求。充放電控制器主要負責將電量供應給系統，確保裝置始終處于正常運行的狀態。智能控制系統則負責把安全帽反饋并收集到的信息進行可視化處理，若電力工作人員的操作不合乎相關要求，那么通信系統會與工人溝通交流，并給出相應的警示。

4 與現有技術的比較

對比分析現有的安全帽與此次研究中設計的帶有通訊裝置安全帽［5］之后，筆者發現，后者的優勢主要體現在以下幾點：

第一，此安全帽內設置了天線，能有效提高信號的強度，即便電力工作人員將其應用到信號較差的偏遠地帶，也可以保證安全帽能夠正常運行。

第二，比普通安全帽增設了一個短距離無線通信裝置，從技術原理上看其和對講機原理差不多，在施工現場施工人員依舊可以及時溝通信息，以防出現安全隱患，同時又可以有效確保電力工人的人身安全，使設備運行始終處于正常狀態下。

第三，把無線通信技術和普通的安全帽密切結合起來，使用無線通信技術無需支付額外通話費用，實用性強，經濟實惠，可大幅度縮減生產此安全帽的費用。此外，具有抗干擾的作用，從電網作業通訊上看，比市面的藍牙、對講機通信原理、手機信號以及wifi的表現都更為突出。

傳統的安全帽不支持施工人員進行及時通信，僅僅可以為施工人員的人身安全提供一定的保護，從某種意義上講這難免會影響到工程進度。安全帽通訊裝置在傳統的安全帽的基礎上設置了一個短距離通信裝置，可以彌補施工人員傳達信息不及時的缺陷。此次設計中使用的無線通信技術不僅僅可以支持系統呼叫、組呼通播、機密呼叫等，還具有實用經濟、無需支付通話費用、即時溝通、使用便捷、經營費用少等優勢。此外，從對緊急突發事件的處理上看，其在調度指揮上所起到的作用是其他通信工具遠遠無法比及的。

5 結束語

目前，電力行業一直存在對施工人員不能及時通信、人員傷亡事故頻發的難題。為了解決這一難題，本文基于移無線通信技術以及人體工程學原理，對普通安全帽進行二次開發，設計了一種安全帽通訊裝置。安全帽通訊裝置不僅能滿足電力行業對施工人員及時通訊的需求，其同樣具備佩戴舒適、輕便耐用、抗擊打能力強的特點，在電力行業具有較好的應用前景。