基于射頻識別技術(shù)的多功能安全帽的研究與設(shè)計(jì)

周加全 李志明 吳建生

摘? 要：多功能安全帽依托RFID和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，內(nèi)置特制RFID超高頻芯片，能對進(jìn)入工地后的施工人員進(jìn)行身份識別和動(dòng)態(tài)監(jiān)控，更附有實(shí)時(shí)定位、視頻監(jiān)控、環(huán)境分析、人員身份綁定及人體狀態(tài)監(jiān)控、語音廣播及對講等新型功能。在保證安全帽安全性能的同時(shí)，為工人以及管理人員提供便利于生產(chǎn)、管理、通信的工具，提高了施工效率，降低了人力成本，讓普通安全帽具備更加安全的屬性。

關(guān)鍵詞：射頻識別技術(shù);實(shí)時(shí)定位;溫度檢測;智能考勤

中圖分類號：TP242? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）01-0168-03

Abstract：Multi-functional smart helmet relies on RFID （Radio Frequency Identification） and internet of things technology. It has a built-in special RFID UHF chip. This system can identify and dynamically monitor the construction personnel entering the construction site，and also has real-time positioning，video surveillance，environmental analysis，personal identity binding and human body status monitoring，voice broadcasting and intercom. While ensuring the safety performance of helmets，it provides workers and managers with tools that facilitate production，management，and communication，improving construction efficiency，reducing labor costs，and making ordinary helmets more secure.

Keywords：radio frequency identification technology;real-time positioning;temperature detection;smart attendance

0? 引? 言

隨著世界各國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，科技的發(fā)展也是日新月異。安全帽是經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)過程中廣泛使用的最重要的一種安全物品，可以應(yīng)用于建筑、石油、交通等領(lǐng)域，大量的開發(fā)建設(shè)帶來了嚴(yán)重的施工人員安全問題[1]。盡管隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的崛起，人們的生活也越來越智能化，但我國市面上存在的傳統(tǒng)的安全帽只有最基礎(chǔ)的保護(hù)功能，科技含量不高，所以我們從創(chuàng)新的角度分析和設(shè)計(jì)智能安全帽，致力于滿足施工人員的心理和生理需求，提高施工人員的工作質(zhì)量。

目前，有關(guān)智能安全帽的設(shè)計(jì)，國外采用一種比較先進(jìn)的計(jì)算方法——云計(jì)算，已有相關(guān)產(chǎn)品，但沒有被廣泛使用。而國內(nèi)由于資金和技術(shù)的限制，還沒有完全自主研發(fā)出新的技術(shù)產(chǎn)品[2]。在面對工地安全事故中，公司對施工人員的安全保護(hù)措施有限，僅限于傳統(tǒng)的安全帽等保護(hù)措施，帶來了極大的不便及安全隱患，無法較好地達(dá)到傷亡事故控制、安全達(dá)標(biāo)、文明施工管理等目標(biāo)，這些都是亟待解決的問題[3]。因此如果智能安全帽在原有的傳統(tǒng)安全帽的基礎(chǔ)上，搭載自行設(shè)計(jì)的開發(fā)板及多種傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的通信功能及安全事故預(yù)警，同時(shí)進(jìn)行較為人性化的設(shè)計(jì)，關(guān)注使用人員的身體狀態(tài)及所處環(huán)境狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)更高的安全可靠性。

1? RFID系統(tǒng)的工作原理

傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)是非接觸模式的自動(dòng)識別技術(shù)。它的主要構(gòu)成部分由閱讀器、電子標(biāo)簽、應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成[4]。其工作原理為：首先，閱讀器讀出的相應(yīng)的信息并產(chǎn)生射頻信號，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，由此產(chǎn)生一定的能量，然后把電子標(biāo)簽的信息傳送給閱讀器，這時(shí)信號處理模塊對收到的信息進(jìn)行處理。通過調(diào)和解碼后將消息發(fā)送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)一定的邏輯要求，電子標(biāo)簽內(nèi)的信息與原系統(tǒng)信息進(jìn)行比對，如果不相同，則需要按照配置參數(shù)對收到的信息進(jìn)行處理，閱讀器收到處理之后的信息，完成相應(yīng)的讀寫操作。

由電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電流形成電感耦合系統(tǒng)，由閱讀器接收到的反饋信息形成電磁反向散熱耦合系統(tǒng)[5]。根據(jù)電磁感應(yīng)定律使得空間高頻交變磁場形成電感耦合;電磁波的空間傳播規(guī)律通過電磁反向散射耦合形成電磁波，遇到含有相應(yīng)信息的目標(biāo)后形成反射[6]。電感耦合方式與電磁反向散射耦合方式采用的耦合方式不同，所以適合的場合也不同。近距離射頻識別系統(tǒng)一般是前者，遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)為后者。RFID技術(shù)的基本功能原理圖如圖1所示。

2? 基于射頻識別技術(shù)的多功能安全帽的應(yīng)用

2.1? 實(shí)時(shí)定位

多功能安全帽采用先進(jìn)的RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位功能。GPS全球定位系統(tǒng)是現(xiàn)有的最成熟也最簡單易用的定位方法，具有非常明顯的優(yōu)勢，定位精確，適用于各種室外場所[7]。然而GPS定位在室內(nèi)定位時(shí)，信號較差，定位的信息不準(zhǔn)確，主要是因?yàn)橛绊懯覂?nèi)環(huán)境的因素比較多，而且信號傳播性復(fù)雜，關(guān)于室內(nèi)定位技術(shù)的研究仍然是目前的重點(diǎn)。

采用RFID技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位無疑是一種非常穩(wěn)定且定位準(zhǔn)確的方法。因?yàn)樗哂械姆墙佑|式雙向通信交換數(shù)據(jù)已達(dá)到識別和定位的目的，成本低、傳輸范圍大，非接觸式和非視距的優(yōu)點(diǎn)[8]。由于射頻識別技術(shù)是采用無線射頻信號自動(dòng)識別物體的技術(shù)，所以能在相對復(fù)雜的條件下工作，而且可以對各種移動(dòng)物體多目標(biāo)進(jìn)行識別。在識別過程中不需要干預(yù)，因?yàn)樗ㄟ^收/發(fā)相應(yīng)的射頻信號獲得數(shù)據(jù)。

閱讀器可以對射頻識別技術(shù)系統(tǒng)的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，電子標(biāo)簽中含有閱讀器所處理的信息。EPC編碼的不同，導(dǎo)致每個(gè)電子標(biāo)簽都是不一樣的，EPC編碼可以方便地對目標(biāo)物體進(jìn)行快速識別。閱讀器和電子標(biāo)簽主要是通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，這種聯(lián)系實(shí)際上是對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)可以為它們的通信奠定基礎(chǔ)。

本文中采用基于RSSI的定位算法來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的定位功能。根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度的不同，可以得到無線信號在傳輸過程中的損失也是不同的。因此可以根據(jù)傳輸過程中的損失來判斷信號衰減強(qiáng)度，并把它們轉(zhuǎn)化為接收和發(fā)送信息之間的實(shí)際距離。由于RFID技術(shù)能夠根據(jù)上述原理實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)時(shí)定位，這樣可以為用戶提供進(jìn)一步的便利。

2.2? 智能考勤

將非接觸射頻IC卡內(nèi)置于多功能安全帽中，當(dāng)用戶穿過或者靠近考勤機(jī)時(shí)，能夠有效地考勤并進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，在電腦端可以獲取考勤的數(shù)據(jù)等。

由于非接觸射頻IC卡的序列號具有唯一性和獨(dú)立性，所以它能夠很好地解決條形碼、磁卡等所存在的問題[9]。在進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換時(shí)，要對身份合法性進(jìn)行相應(yīng)的認(rèn)證，這種認(rèn)證主要基于非接觸射頻IC卡與讀寫器之間的雙向鑒別機(jī)制。

由考勤機(jī)和計(jì)算機(jī)軟件來共同組成一種基于射頻識別技術(shù)的考勤系統(tǒng)。考勤機(jī)能夠長時(shí)間地保存考勤數(shù)據(jù)的內(nèi)容，其中一些相關(guān)數(shù)據(jù)的采集工作則有計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)已有的資源，通過使用C/S（client/server）系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)地對相應(yīng)的考勤數(shù)據(jù)進(jìn)行審核和分析。還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上資源共享。這種系統(tǒng)是以Delphi7為開發(fā)工具，采用C/S架構(gòu)，以SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫。它可以在現(xiàn)有的系統(tǒng)平臺上運(yùn)行。根據(jù)智能IC卡以及采集的原始數(shù)據(jù)，然后使用UML面向?qū)ο蠓椒▽ο到y(tǒng)進(jìn)行分析和建模，用ADO方式把原始數(shù)據(jù)庫連接起來，在計(jì)算機(jī)上通過使用Windows API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通信，這樣可以實(shí)現(xiàn)考勤管理的自動(dòng)化和科學(xué)化。

根據(jù)該功能設(shè)計(jì)了考勤信息管理系統(tǒng)框架圖，如圖3所示。

3? 溫度報(bào)警

射頻識別系統(tǒng)采用一種基于樹莓派和Java語言編譯的系統(tǒng)。該系統(tǒng)含有溫度報(bào)警的功能，主要有客戶端、服務(wù)端、溫度測試模塊三層硬件架構(gòu)[10]。計(jì)算機(jī)可以作為客戶端使用，GUI界面與人進(jìn)行交互獲得指令后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給由嵌入式系統(tǒng)樹莓派組成的服務(wù)器。由服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò)，并接受來自客戶端的指令，并對其進(jìn)行操作，控制溫度測試模塊工作并將數(shù)據(jù)傳給客戶端，當(dāng)達(dá)到某一溫度值時(shí)發(fā)出警報(bào)。溫度測試模塊通過通用I/O接口與樹莓派通訊，按照要求進(jìn)行測量。從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)室外溫度過高時(shí)發(fā)出警報(bào)、提醒用戶注意休息的功能。

根據(jù)該功能，可將軟件系統(tǒng)分為如下幾個(gè)模塊，如圖4所示。

4? 實(shí)現(xiàn)與測試

將多功能安全帽戴在員工頭上，并通過裝有識頻器的門，可以在電腦端看到打卡記錄，記錄如表1所示：

樹莓派的引腳與溫度模塊連接起來內(nèi)置在多功能安全帽中，當(dāng)溫度值達(dá)到一定的閾值時(shí)便會發(fā)出聲響，提醒工人注意休息。樹莓派引腳與溫度模塊的連接方式如圖7所示。

5? 結(jié)? 論

本文通過采用了先進(jìn)RFID技術(shù)設(shè)計(jì)的多功能安全帽具有相對較高的可靠性和集成性，而且相對來說具有體積比較小的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過相應(yīng)的測試發(fā)現(xiàn)，多功能安全帽能夠有效解決考勤麻煩和室內(nèi)定位不夠精準(zhǔn)的問題，方便實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)督，同時(shí)還可以進(jìn)行室外測溫，能夠讓安全帽在室外達(dá)到一定溫度時(shí)報(bào)警，以及時(shí)提醒工人們進(jìn)行適當(dāng)?shù)男菹?，保證了人員的安全。本文提出的多功能安全帽及其平臺都具有通用性，如果在此基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)就可以在多個(gè)場合進(jìn)行使用，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 俞岳南，陳海達(dá).我國安全帽行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 [J].現(xiàn)代職業(yè)安全，2010（9）：31-33.

[2] 劉淵.融合射頻識別的無線傳感網(wǎng)定位關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].南京：東南大學(xué)，2018.

[3] 史偉光.基于射頻識別技術(shù)的室內(nèi)定位算法研究 [D].天津：天津大學(xué)，2012.

[4] 張伯昆，陳卓.面向物聯(lián)網(wǎng)的RFID安全策略與技術(shù)研究 [J].中國新通信，2018，20（19）：135-136.

[5] 陳敏.基于射頻能量收集的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

[6] 王小飛.基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2016.

[7] 郭亮，葉愛民，林濤，等.基于樹莓派和Java語言的溫濕度遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2017，25（6）：4-8+20.

[8] 鄔劍飛，周路明.基于RFID技術(shù)的移動(dòng)臨床護(hù)理系統(tǒng)研究 [J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016（10）：104-106.

[9] 余海洋，曹志良，劉紹波.基于射頻識別技術(shù)（RFID）的汽車防盜系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2016，24（2）：144-146+150.

[10] 司禹，馮鵬，于雙銘，等.基于無源超高頻RFID溫度標(biāo)簽的溫度監(jiān)測系統(tǒng) [J].傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（1）：78-80+86.

作者簡介：周加全（1988.11-），男，漢族，山東滕州人，助教，碩士研究生，研究方向：智能控制，控制理論與控制工程。