智能安全頭盔的研究與設(shè)計(jì)

貴州健康職業(yè)學(xué)院人文基礎(chǔ)部 廖 博

隨著瓦斯煤氣層的開采，生產(chǎn)技術(shù)的提高，在很多煤礦附近新建了瓦斯發(fā)電站。瓦斯發(fā)電站是一個(gè)危險(xiǎn)系數(shù)非常高的工作環(huán)境。工作人員隨時(shí)都會(huì)有身處危險(xiǎn)環(huán)境的可能，傳統(tǒng)的安全頭盔已經(jīng)不能滿足瓦斯發(fā)電站特定工作環(huán)境的需要。因此，對(duì)傳統(tǒng)安全頭盔進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)為核心，在傳統(tǒng)安全頭盔上集成多種傳感器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款適合于瓦斯發(fā)電站的智能安全頭盔，使它具備實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境信息、掌握工作人員運(yùn)動(dòng)軌跡、對(duì)瓦斯發(fā)電站進(jìn)行安全實(shí)時(shí)預(yù)警等功能。

安全頭盔、安全帶、安全網(wǎng)普遍為工業(yè)廣大職工公認(rèn)的安全“三寶”。特別是安全頭盔，在防沖擊事故、人員高出墜落、物體墜落打擊中起到了極大的防護(hù)作用，是保護(hù)施工作業(yè)人員頭部不受傷害的安全用品。安全帽雖小，但安全事大。這是每個(gè)人都該有的常識(shí)。在任何時(shí)候進(jìn)入施工作業(yè)區(qū)域，都應(yīng)該按照安全規(guī)范要求，認(rèn)真佩戴安全帽。這不僅是對(duì)自己的安全負(fù)責(zé)，還是對(duì)規(guī)章制度的敬畏，更是對(duì)施工作業(yè)人員和自己工作的尊重。

安全頭盔作為瓦斯電站施工作業(yè)過程中用于個(gè)體頭部防護(hù)的安全保護(hù)用品，是進(jìn)行瓦斯發(fā)電站工作必不可少的設(shè)備。傳統(tǒng)的安全頭盔只能通過減震及硬度設(shè)計(jì)優(yōu)化頭部防護(hù)作用，功能單一，不能預(yù)防瓦斯泄露，不能預(yù)測(cè)危險(xiǎn)的發(fā)生。

1 總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外的安全頭盔的發(fā)展仍然還停留在頭盔的基本功能層面，對(duì)工作人員的頭部進(jìn)行防護(hù)，功能單一，技術(shù)單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全頭盔的價(jià)值還沒有完全體現(xiàn)出來，對(duì)頭盔的利用率很低，工作人員也不是很依賴于安全頭盔進(jìn)行自我保護(hù)，安全頭盔的很智能都有待開發(fā)。在頭盔上可以實(shí)現(xiàn)很多安全防護(hù)功能，頭盔僅僅只是一個(gè)載體，體積不大，但是可以在上面集成諸多新的技術(shù)，滿足各種應(yīng)用環(huán)境的需求。

根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比得出，選用ZigBee技術(shù)作為智能安全頭盔的通訊核心技術(shù)，智能安全頭盔是在傳統(tǒng)安全頭盔的基礎(chǔ)上集成現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，使其具備特定的功能，其中的電子器件主要包括ZigBee無線通信芯片，微控制器，傳感器，報(bào)警器、電源等基礎(chǔ)部分。在傳統(tǒng)安全頭盔上嵌入信息技術(shù)，通信技術(shù)，無線定位技術(shù)，最大程度上保證瓦斯工作電站人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

智能安全頭盔是一個(gè)完整的通信系統(tǒng)，頭盔包含有控制器模塊，示警模塊與通信模塊，是在傳統(tǒng)的安全頭盔的基礎(chǔ)上增了電子元器件，包括有以單片機(jī)為主的控制器模塊，ZigBee無線通信模塊，信號(hào)燈報(bào)警模塊，環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集模塊，電源模塊等。傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息和實(shí)時(shí)位置經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，再由Internet上傳至服務(wù)器。

智能安全頭盔的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在路由器節(jié)點(diǎn)和安全頭盔終端節(jié)點(diǎn)上集成各類傳感器，通過無線網(wǎng)絡(luò)把采集到的信息上傳至服務(wù)器控制中心。還可以保存采集到的信息。數(shù)據(jù)一旦異常就會(huì)觸發(fā)智能安全頭盔上的信號(hào)燈發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 智能安全頭盔的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能安全頭盔選用TI公司的單芯片集成SOC片上系統(tǒng)CC2530作為控制核心的ZigBee模塊作為終端節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊。通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展連接傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊主要由監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)通信模塊等組成。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)經(jīng)過簡(jiǎn)單處理之后發(fā)送給控制中心，網(wǎng)關(guān)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)封裝之后通過Internet網(wǎng)絡(luò)上傳至控制中心，并在控制中心實(shí)時(shí)顯示，節(jié)點(diǎn)模塊圖如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)模塊圖

智能安全頭盔上位機(jī)設(shè)計(jì)，采用C#進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，其中包括定位信息的顯示，溫度、濕度、一氧化碳、甲烷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。終端節(jié)點(diǎn)完成前端數(shù)據(jù)采集發(fā)送到ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成終端節(jié)點(diǎn)各模塊的硬件設(shè)計(jì)，將各設(shè)計(jì)模塊集成實(shí)現(xiàn)。

3 智能安全頭盔的軟件設(shè)計(jì)

智能安全頭盔在ZigBee無線通信中選取Z-Stack協(xié)議棧，將IDE作為開發(fā)環(huán)境，首先對(duì)ZigBee進(jìn)行無線組網(wǎng)，將系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包含ZigBee各層初始化、MAC地址初始化以及終端ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)初始化等，通過相應(yīng)的函數(shù)對(duì)操作系統(tǒng)發(fā)出響應(yīng)指令，然后進(jìn)行注冊(cè)任務(wù)、初始化及開始任務(wù)。最后對(duì)任務(wù)進(jìn)行中斷處理，管理和分配存儲(chǔ)器。Z-Stack執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 Z-Stack執(zhí)行流程圖

軟件設(shè)計(jì)，包括網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序軟件設(shè)計(jì)、Z-Stack協(xié)議棧、ZigBee組網(wǎng)、ZigBee網(wǎng)關(guān)、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)是在ZigBee無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用于瓦斯發(fā)電站的智能安全頭盔，通過采用當(dāng)代電子信息技術(shù)，ZigBee無線通信技術(shù)，數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及傳感器技術(shù)等，以獨(dú)立的設(shè)計(jì)，編程，反復(fù)調(diào)試等為根基，對(duì)于傳統(tǒng)頭盔進(jìn)行一次全面的技術(shù)改革，設(shè)計(jì)出這款具有傳感器信息采集，瓦斯電站工作人員位置信息監(jiān)測(cè)，瓦斯電廠安全隱患實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的無線傳輸大規(guī)模作業(yè)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能安全頭盔，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)減少了電廠大面積鋪設(shè)電纜的設(shè)備傳輸。本系統(tǒng)所提出的智能安全頭盔能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)采集瓦斯發(fā)電站工作人員周圍環(huán)境信息以及危險(xiǎn)預(yù)測(cè)報(bào)警，更充分的發(fā)揮安全頭盔的性能及作用。