北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在一體化智能安全頭盔中的應(yīng)用

曹宇，唐小波，宋育澤，王寧，魯洪江

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

0 引 言

工作現(xiàn)場(chǎng)的線路巡檢和故障檢查一般采用人工定期巡視.由于操作人員業(yè)務(wù)能力參差不齊，很難實(shí)時(shí)解決問題.如果能在操作人員的安全頭盔內(nèi)安裝集成需要的傳感器及控制器，將現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到控制臺(tái)，再由高級(jí)技工診斷解決問題，可以大大提高故障處理效率.另外，現(xiàn)階段安全頭盔設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能單一，如果加裝北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS),可實(shí)現(xiàn)操作人員工作狀況的目標(biāo)定位和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)對(duì)操作人員工作環(huán)境實(shí)時(shí)安全評(píng)估、軌跡追蹤及災(zāi)害預(yù)警功能.

BDS 以其獨(dú)有的短報(bào)文通信功能，成為全球首個(gè)通信一體化的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在電力行業(yè)、海上作業(yè)、航空安全、燃?xì)獾阮I(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[1].崔秀芳等[2]設(shè)計(jì)了一種基于BDS 的仿生機(jī)器魚，郭英起等[3]設(shè)計(jì)了一套基于BDS 海洋上冰山蹤跡監(jiān)測(cè)方案.本文設(shè)計(jì)了一種一體化智能安全頭盔，以BDS的無線電測(cè)定業(yè)務(wù)(RDSS)工作模式，采用定制的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，實(shí)時(shí)定位頭盔位置，傳輸各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及用戶指令[4]，建立了基于BDS 的一體化智能安全頭盔監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng).利用頭盔布置的各類傳感器，將一氧化碳(CO)濃度、溫度、濕度等參數(shù)通過BDS 短報(bào)文功能傳輸?shù)接脩艚K端，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成參數(shù)并形成監(jiān)測(cè)曲線與預(yù)警信號(hào)，對(duì)操作人員所處環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過追蹤操作人員的工作軌跡，給操作人員提供路線導(dǎo)航.

1 一體化智能安全頭盔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

一體化智能安全頭盔由頭盔主體、攝像頭、紅外傳感器、濕度傳感器、CO 濃度傳感器等模塊組成,結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示.通過在頭盔主體的前方設(shè)置固定攝像頭，對(duì)人員身份進(jìn)行識(shí)別，也對(duì)故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，AR 眼鏡能把工程師的操作以及大數(shù)據(jù)處理方案顯示出來.如果工作途中遇到不可抗力導(dǎo)致通訊中斷，也可在工作人員操作下保存數(shù)據(jù)到內(nèi)存卡中，以便后續(xù)進(jìn)行研究分析.頭盔主體前方的應(yīng)急燈能夠?qū)崿F(xiàn)照明，功能模塊可探測(cè)環(huán)境溫度以及對(duì)操作人員進(jìn)行體溫測(cè)量.此外，位置模塊能通過BDS 對(duì)操作人員進(jìn)行定位以及相對(duì)高度進(jìn)行定位，確保操作人員的安全，企業(yè)還能夠遠(yuǎn)程了解員工的狀態(tài)，環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊能對(duì)空氣中的CO 濃度或其他可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)，用語音進(jìn)行預(yù)警，充分保障操作人員的人身安全，使用簡(jiǎn)單便捷.

圖1 一體化智能安全頭盔結(jié)構(gòu)圖

1.2 安全評(píng)估系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)

安全評(píng)估系統(tǒng)控制采用紅外傳感器成像測(cè)溫，采用濕度傳感器可監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度.環(huán)境傳感器主要監(jiān)測(cè)CO 濃度和一些有害氣體，如果超過閾值就會(huì)亮起黃燈并發(fā)出蜂鳴，然后經(jīng)過大數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，如果確定會(huì)對(duì)操作人員產(chǎn)生危害，就會(huì)亮起紅燈，并進(jìn)行語音提示，讓操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源，如果沒有危害，則會(huì)亮起綠燈，具體流程如圖2 所示.

圖2 一體化智能安全頭盔控制流程圖

1.3 一體化智能安全頭盔電路板設(shè)計(jì)

一體化智能安全頭盔電路板設(shè)計(jì)采用Proteus 軟件進(jìn)行搭建，硬件主要由ARM 微處理器、溫度采集模塊、CO 濃度采集模塊、北斗通信模塊、三色LED 指示燈模塊、濕度采集模塊、語音模塊等組成.北斗通信模塊與各種傳感器之間采用RS232 串口通訊，數(shù)據(jù)庫、云端服務(wù)器、監(jiān)控客戶端使用網(wǎng)絡(luò)方式連接服務(wù)器，完成對(duì)北斗用戶端數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和控制.北斗通信模塊的RX0 和TX0 輸入輸出接口，與主控制器采用RS232 串口通信，波特率為115 200 bit/s.電源接口包含用于模塊接收的VCC 和用于模塊發(fā)射的VCCPA.接收狀態(tài)工作電壓為4.2～5.2 V，發(fā)射狀態(tài)工作電壓為4.9～5.2 V.此模塊可實(shí)現(xiàn)RDSS 定位、短報(bào)文通信等功能，模塊接口協(xié)議滿足BDS 4.0 協(xié)議[5]，其原理圖如圖3 所示.

圖3 部分控制原理圖

2 BDS 通信功能工作原理

BDS 在1994 年開始研制，發(fā)展至今，已經(jīng)成為與美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)(Galileo)并駕齊驅(qū)的四大全球定位系統(tǒng)之一[6].BDS 具有RDSS 和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)兩種業(yè)務(wù)體制，不但具有GPS 等系統(tǒng)的RNSS 功能，還具有短報(bào)文通信和位置報(bào)告服務(wù)功能[7].BDS 的主要功能有：定位、導(dǎo)航、單雙向授時(shí)、短報(bào)文通信；數(shù)據(jù)格式有：ASCII 碼、BCD 碼；定位精度優(yōu)于10 m；測(cè)速精度為0.2 m/s；授時(shí)精度為20 ns；短報(bào)文通信容量為120 byte.

BDS 由空間段、地面段和用戶段三部分組成[8-11]，其定位工作流程為：地面段發(fā)射數(shù)字信號(hào)到地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星，GEO 衛(wèi)星接收地面發(fā)射信號(hào)后，通過轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸加密信息到用戶段，用戶對(duì)GEO 衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行反饋；地面段接收到用戶信號(hào)后對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行解碼，將處理后得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給GEO衛(wèi)星，GEO 衛(wèi)星接收用戶的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋給用戶，用戶需要將GEO 衛(wèi)星導(dǎo)航電文從GEO 衛(wèi)星信號(hào)中解碼出來，通過算法計(jì)算用戶段當(dāng)前所處的位置，便可完成整個(gè)定位過程.

短報(bào)文發(fā)送信號(hào)首先是將包含接收方ID 號(hào)和通訊內(nèi)容的通訊申請(qǐng)信號(hào)加密后，通過GEO 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站；地面中心站接收到通訊申請(qǐng)信號(hào)后，經(jīng)解密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)GEO衛(wèi)星廣播給用戶；接收方用戶機(jī)接收到出站信號(hào)，調(diào)解解密出站電文，完成一次通訊傳輸.短報(bào)文通訊的傳輸延遲大約是0.5 s，通訊的最高頻率是1 s/次.

3 BDS 在一體化智能安全頭盔系統(tǒng)中的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 客戶端功能實(shí)現(xiàn)

3.1.1 操作區(qū)實(shí)時(shí)視頻展示

以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的方式展示一線操作人員的真實(shí)工作場(chǎng)景，可通過頭盔的前置攝像頭和通訊傳輸完成可視化展示.對(duì)操作人員的各種技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行捕捉，遠(yuǎn)程技術(shù)專家可以進(jìn)行語音指導(dǎo)，支持夜間光照、通訊中斷自行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各種惡劣條件下的基礎(chǔ)功能完善，對(duì)操作區(qū)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可視化展示，具有空間導(dǎo)航、危險(xiǎn)預(yù)警和動(dòng)作糾正的功能.

3.1.2 操作區(qū)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示

整合多種故障資源，通過一體化智能安全頭盔的溫度傳感器、氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備、各種不同類別環(huán)境傳感器等采集的環(huán)境數(shù)據(jù)為支撐，綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程會(huì)診等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員工作區(qū)內(nèi)溫度、濕度、CO 濃度及其他有害氣體等環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)對(duì)操作人員的行動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤，提供地圖導(dǎo)航，為操作人員工作區(qū)范圍內(nèi)環(huán)境變化情況分析提供底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，方便給各種實(shí)際應(yīng)用提供開放式數(shù)據(jù)支持.

3.1.3 操作區(qū)安全預(yù)警與評(píng)估

基于一體化智能安全頭盔相關(guān)傳感器對(duì)操作區(qū)CO 濃度、溫度、濕度及其他有害氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建操作人員與環(huán)境一體化的環(huán)境安全監(jiān)測(cè)體系和危險(xiǎn)預(yù)警體系.

利用傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、人員軌跡信息、所處空間分析信息等，對(duì)線路巡檢過程中可能出現(xiàn)的短路、觸電、火災(zāi)事故等實(shí)施災(zāi)害快速預(yù)警，為實(shí)現(xiàn)快速科學(xué)處理故障、應(yīng)急救援和預(yù)案快速實(shí)施等突發(fā)處理提供可視化解決方法.整體系統(tǒng)分為用戶部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控部分，用戶部分包括各種傳感器和BDS 用戶端機(jī)及外圍設(shè)備、PC 端和手機(jī)端；遠(yuǎn)程控制部分包括BDS 用戶端機(jī)、監(jiān)控客戶端、防火墻、云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示.客戶端功能圖如圖5 所示，客戶與服務(wù)端體系結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示.

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 客戶端功能圖

圖6 客戶端與服務(wù)端體系結(jié)構(gòu)圖

3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

利用北斗短報(bào)文功能，采用北斗三號(hào)(BDS-3)的RDSS 模式下的短報(bào)文功能單次報(bào)文容量最大為408 byte，報(bào)文頻度為1 min，RDSS 模式具備的定位加雙向短報(bào)文的特點(diǎn)以及性比高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)是本設(shè)計(jì)選擇BDS 的原因.但RDSS 模式下北斗短報(bào)文容量有限制，所以需要合理地設(shè)計(jì)通信協(xié)議，在不超出容量的同時(shí)，盡可能地保證通信的質(zhì)量，得到最優(yōu)的通信數(shù)據(jù)[12].一體化智能安全頭盔設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)定制了一套傳輸協(xié)議，在每組數(shù)據(jù)中都包含頭盔ID，從而確認(rèn)數(shù)據(jù)來源，數(shù)據(jù)的反饋也必須驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否被接收完畢，如果沒有得到反饋將會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)，循環(huán)5 次，再發(fā)送下一條數(shù)據(jù).具體的通訊內(nèi)容如表1 所示.

表1 BDS 衛(wèi)星RDSS 短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容說明

4 BDS 在一體化智能安全頭盔系統(tǒng)中的操作程序設(shè)計(jì)

基于QT designer 虛擬融合技術(shù)，借助C++語言編寫能與BDS 電腦端控制系統(tǒng)進(jìn)行直接通信的數(shù)字化程序，一體化智能安全頭盔電腦端軟件登錄界面如圖7 所示.通過智能頭盔采集的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以完整地展示在電腦或者手機(jī)界面上.在用戶端，傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CO 濃度、溫度、濕度、所處環(huán)境實(shí)際情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過對(duì)CO 濃度的監(jiān)測(cè)，以防有害氣體滲漏造成操作人員中毒，并且能夠?qū)囟?、濕度的異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警分析，如圖8 所示.

圖7 系統(tǒng)登錄界面

圖8 系統(tǒng)主界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于BDS 定位功能一體化智能安全頭盔，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作人員的軌跡追蹤；基于BDS 通信功能，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行了有害氣體、溫度及濕度的數(shù)據(jù)傳輸，通過服務(wù)器分析產(chǎn)生預(yù)警，從而保障操作人員的人身安全；基于BDS 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，輔助操作人員對(duì)故障進(jìn)行處理，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析故障的成因.下一步的研究重點(diǎn)是提高定位精度，提升通信質(zhì)量，結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)，采用深度學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn).