具有自檢及定位的智能安全帽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尹宇肖 肖澳琪 武鑫宇 徐澤遠(yuǎn) 牛懊輝(山西大學(xué)，山西 太原030013）

1 研究背景

由于現(xiàn)代工業(yè)不斷向智能化發(fā)展，促使高能化商品進(jìn)入人們的視線，但基于工業(yè)使用的安全帽的研究及生產(chǎn)應(yīng)用還未普及。傳統(tǒng)的安全帽只是用于保護(hù)頭部，并且也存在質(zhì)量問題，完全滿足不了佩戴者的安全需求。據(jù)調(diào)查，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)安全系數(shù)要求迅速提高，使智能安全帽及由其衍生的生產(chǎn)管理系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景。

由于“北斗＋”服務(wù)以產(chǎn)業(yè)化方向快速發(fā)展。該服務(wù)具有精準(zhǔn)定位和授時(shí)且性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。在北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)和開發(fā)智能安全帽系統(tǒng)，為的是改善工人的管理性能。

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品以“自檢＋監(jiān)管”為設(shè)計(jì)理念，通過北斗定位技術(shù)，器構(gòu)成是由發(fā)送終端、接收機(jī)監(jiān)控終端兩大部分。

與基礎(chǔ)文化課相比，中等職業(yè)學(xué)校的專業(yè)課教學(xué)更接近于未來的實(shí)際情況。如果能通過情景模擬的方式進(jìn)行教學(xué)，將教學(xué)內(nèi)容從“現(xiàn)實(shí)生活”中剔除，就更符合專業(yè)教學(xué)要求。因此，現(xiàn)階段，教師改變導(dǎo)游專業(yè)人才培養(yǎng)的傳統(tǒng)教學(xué)理念，圍繞實(shí)際需要編訂教學(xué)內(nèi)容開展教學(xué)，以實(shí)踐需要來整合知識(shí)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間與理論的統(tǒng)一。

安全帽上電后即進(jìn)入工作狀態(tài)，發(fā)送硬件終端完成對(duì)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(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮諜C(jī)監(jiān)控終端。若施工人員有意外事故，可及時(shí)發(fā)送求救信號(hào)，將位置信息發(fā)送到接收機(jī)。管理員在接收機(jī)監(jiān)控終端可查看施工人員地理位置并及時(shí)采取營救措施。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

1.2 發(fā)送終端設(shè)計(jì)

可以控制系統(tǒng)供電，用于連接運(yùn)維檢修人員帽子上佩戴的干電池，給系統(tǒng)供電。本項(xiàng)目應(yīng)用電壓轉(zhuǎn)換模塊，輸出5V 或3.3V，給主控芯片供電。

圖2 發(fā)送終端

2 主控芯片設(shè)計(jì)

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(tuán)可與金屬離子進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)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(fā)泡棉等。

該芯片通過SPI 與外部MCU 通信，最大的SPI 速度可以達(dá)到10Mhz，這里NRF24L01模塊使用的是SPI1，開機(jī)時(shí)系統(tǒng)先檢測(cè)NRF24L01 模塊是否存在，在檢測(cè)到NRF24L01模塊之后，立馬進(jìn)入發(fā)送模式，然后主控芯片接收北斗模塊的信息，對(duì)其進(jìn)行解碼，然后選取經(jīng)緯度等信息發(fā)送至無線模塊發(fā)送存儲(chǔ)器，我選用通道1 發(fā)送，并設(shè)置通道0 自動(dòng)應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸，最終于無線的方式發(fā)送給接收機(jī)終端。發(fā)送硬件終端數(shù)據(jù)傳輸流程圖和接收機(jī)數(shù)據(jù)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(cè)定是收集測(cè)定區(qū)內(nèi)落地、蔗稍、割茬蔗莖等損失蔗莖質(zhì)量與包括損失蔗經(jīng)的全部蔗莖質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)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(fā)送流程圖

圖4 位置數(shù)據(jù)接收流程圖

2.2 電源模塊

發(fā)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(hào)采集，然后經(jīng)CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，最終發(fā)給NRF24L01模塊。發(fā)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(xié)議發(fā)送GPS/北斗定位數(shù)據(jù)，并可以人為進(jìn)行配置。BDS方位信息解算程序設(shè)計(jì)如圖5 所示，首先檢查BDS 數(shù)據(jù)幀的完整性，若完整，則接收BDS數(shù)據(jù)幀，然后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)幀內(nèi)逗號(hào)個(gè)數(shù)，同時(shí)判別數(shù)據(jù)類型。由于數(shù)據(jù)幀以逗號(hào)對(duì)各段數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，所以不同的逗號(hào)個(gè)數(shù)代表數(shù)據(jù)的差異性。根據(jù)各自數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施分離和緩存。

主控芯片是通過STM32F407微處理器進(jìn)行控制外設(shè)，其特點(diǎn)有計(jì)算處理數(shù)據(jù)的速率快，功能多樣化，還可進(jìn)行擴(kuò)展接口。

圖5 BDS位置信息解碼

3 接收機(jī)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

在這里分時(shí)復(fù)用SPI2接口，是因?yàn)镹RF24L01 模塊和我們的STM32開發(fā)板上的FLASH 同用一個(gè)SPI 接口。實(shí)物連接如圖6所示：

圖6 NRF24L01模塊連接圖

4 產(chǎn)品性能檢查

根據(jù)要求將各自功能模塊集成后，接收信息如圖7所示，我們?cè)谑彝猸h(huán)境下，對(duì)安全帽和接收終端測(cè)試進(jìn)行了測(cè)試。首先，佩戴者頭戴安全帽，測(cè)試佩戴成功后是否有提示音。

2.3.1 注意紅色文獻(xiàn)的甄別和取舍。個(gè)別在地方革命歷史上有突出影響與成就，值得后世進(jìn)行專題研究的地方人士，可根據(jù)其與地方紅色政權(quán)的關(guān)聯(lián)度，將其全部著作、手稿、日記、書信,以及他人對(duì)其生平、著作進(jìn)行專題研究的成果，都作為紅色文獻(xiàn)處理。

在接收端的測(cè)試過程中，進(jìn)行了大量的重復(fù)性試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，接收端可以實(shí)時(shí)的顯示施工人員的具體方位。顯示結(jié)果如圖7所示。此外，通過安全帽上設(shè)置的一個(gè)求救功能按鍵，發(fā)送過來的求救信號(hào)，使得接收機(jī)TFT顯示屏顯示“help”紅色標(biāo)志，并且蜂鳴器發(fā)出響聲。

圖7 接收端TFT屏幕界面

5 結(jié)語

經(jīng)測(cè)試結(jié)果表明，發(fā)送硬件終端工作穩(wěn)定，接收機(jī)監(jiān)控終端能實(shí)時(shí)反映定位信息，達(dá)到預(yù)期效果。我們的產(chǎn)品將在一線生產(chǎn)安全領(lǐng)域發(fā)揮切實(shí)可行的預(yù)研基礎(chǔ)和工程實(shí)踐的重要意義。