基于樹(shù)莓派的嵌入式智能安全帽設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬曉慧，劉新愷,2，馬鑫磊，王平川，趙 康

（1.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023；2.中國(guó)廣核新能源控股有限公司安徽分公司，安徽 合肥 238056）

0 引 言

按照“碳達(dá)峰、碳中和”的政策引領(lǐng)，全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量規(guī)模將持續(xù)提升，隨之而來(lái)的是風(fēng)電開(kāi)發(fā)與維護(hù)的安全監(jiān)管問(wèn)題日益突出。與傳統(tǒng)電廠不同，當(dāng)前新能源發(fā)電場(chǎng)站具有地理位置偏遠(yuǎn)、占地面積大、運(yùn)維人員少、檢修工序多等特點(diǎn)，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的登高作業(yè)空間有限、第三方外包人員管理困難、緊急事故通信受限等問(wèn)題，亟需對(duì)當(dāng)前的安全生產(chǎn)監(jiān)管方法進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

當(dāng)前廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)的安全帽僅具有被動(dòng)防護(hù)的單一功能，在智能化及信息化方面還處于概念設(shè)計(jì)階段。文獻(xiàn)[2]提出適用于電力作業(yè)的可穿戴安全監(jiān)護(hù)平臺(tái)，對(duì)智能安全帽的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]對(duì)智能化安全帽的設(shè)計(jì)指標(biāo)及過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)且全面的闡述，并搭建了Android手機(jī)端管理軟件平臺(tái)。文獻(xiàn)[4]以物聯(lián)網(wǎng)為載體，增加人臉識(shí)別功能，使安全帽成為電力設(shè)備的感知端和通信端。文獻(xiàn)[5]開(kāi)發(fā)了適用于電網(wǎng)巡檢的智能安全帽系統(tǒng)和與之配套的智能安全柜，并進(jìn)行了效果驗(yàn)證。

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)安全監(jiān)管需求，提出基于樹(shù)莓派的嵌入式智能安全帽設(shè)計(jì)，在不改變安全帽結(jié)構(gòu)及防護(hù)功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加智能化元件及遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、視頻監(jiān)控、實(shí)時(shí)通信、安全照明、后臺(tái)管理等功能。監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)工作人員的操作是否按照工作票規(guī)范執(zhí)行。同時(shí)，在遇到重大故障時(shí)能迅速將故障信息反饋到中控室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮，提高時(shí)效性。另外，將安全帽與定位相結(jié)合，如果發(fā)生緊急情況，工作人員可通過(guò)定位系統(tǒng)快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計(jì)、定位功能設(shè)計(jì)、監(jiān)控功能設(shè)計(jì)、UI界面設(shè)計(jì)。將3B+樹(shù)莓派、L76X GPS HAT定位芯片、攝像頭、LED燈等元件集成嵌入在安全帽上，將樹(shù)莓派作為控制系統(tǒng)，將Nginx模塊作為直播服務(wù)器，在局域網(wǎng)下通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接PC端，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)定位、安全照明等功能需求。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 樹(shù)莓派

樹(shù)莓派3B+硬件參數(shù)：型號(hào)為博通BCM2837B0 SoC，集 成 四 核 ARM Cortex-A53（ARMv8）64位 @ 1.4 GHz CPU。主要接口：HDMI、以太網(wǎng)、4×USB 2.0、3.5 mm模擬音頻視頻插孔、MicroSD插槽。其他接口：DSI顯示屏、40 pin，CSI相機(jī)接口、擴(kuò)展雙排插針（PoE）接口。有線網(wǎng)絡(luò)：千兆以太網(wǎng)（USB 2.0通道，最大吞吐量300 Mb/s）。無(wú)線網(wǎng)絡(luò) ：2.4 GHz和5 GHz雙頻WiFi，支持802.11b/g/n/ac。內(nèi)存 ：1 GB LPDDR2 SDRAM。藍(lán)牙：藍(lán)牙4.2&低功耗藍(lán)牙（BLE）。存儲(chǔ)：Micro-SD。供電接口/要求：micro USB（5 V/2.5 A）。尺寸：85 mm×56 mm×19.5 mm。重量：50 g。

2.2 定位芯片

采用L76X GPS HAT定位芯片，其具有GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）功能，支持GPS，BD2和QZSS等定位系統(tǒng)。

硬件參數(shù)：接收信道包括33個(gè)跟蹤信道，99個(gè)捕獲信道和210個(gè)PRN信道。接收信號(hào)為GPS，BD2和QZSS。信號(hào)頻段為 GPS L1（1 575.42 MHz），BD2 B1（1 561.098 MHz）C/A Code。捕獲時(shí)間：冷啟動(dòng)時(shí)10 s（最快）；熱啟動(dòng)：1 s。捕獲靈敏度為-148 dBm，跟蹤靈敏度為-163 dBm，重捕捕獲靈敏度為-160 dBm，定位精度小于2.5 mCEP，串口通信波特率范圍為4 800～115 200（默認(rèn)9 600）。

2.3 攝像頭

采用樹(shù)莓派標(biāo)準(zhǔn)版攝像頭（Raspberry Pi Camera v2），具體參數(shù)：8百萬(wàn)像素，系統(tǒng)支持新版本Raspbian，擁有專門(mén)的CSI接口及Sony IMX219PQCMOS圖像傳感器，尺寸為25 mm×23 mm×9 mm。

2.4 其他硬件

安全帽采用符合國(guó)標(biāo)質(zhì)檢要求的標(biāo)準(zhǔn)安全帽，LED采用直流驅(qū)動(dòng)，電壓范圍為1.5～3.5 V，電流為15～18 mA，采用有線式耳機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計(jì)、定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、UI界面設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計(jì)

系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計(jì)主要分為樹(shù)莓派燒錄和配置、安裝Python3 PyQt5庫(kù)文件、導(dǎo)入OpenCV環(huán)境進(jìn)行搭建，為后期調(diào)用攝像頭和設(shè)置UI界面做準(zhǔn)備。系統(tǒng)環(huán)境搭建流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)環(huán)境搭建流程

3.2 定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)通過(guò)L76X GPS HAT芯片獲取當(dāng)前位置，得到經(jīng)緯度坐標(biāo)，并經(jīng)過(guò)百度地圖修正后將經(jīng)緯度坐標(biāo)儲(chǔ)存在gsp.json文件中。接著，由PC端利用HTTP實(shí)時(shí)獲取樹(shù)莓派位置并顯示在地圖中。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

具體操作步驟如下：

（1）開(kāi)啟UART接口。首先打開(kāi)樹(shù)莓派終端，輸入sudo raspi-config進(jìn)入配置頁(yè)面，選擇Interface Options-serial，點(diǎn)擊關(guān)閉shell訪問(wèn)，打開(kāi)硬件串口，在終端中輸入sudo reboot，重啟樹(shù)莓派。

（2）安裝相關(guān)函數(shù)庫(kù)。打開(kāi)樹(shù)莓派終端，依次安裝BCM2835、wiring pi、Python函數(shù)庫(kù)。

（3）打開(kāi)minicom助手調(diào)試。打開(kāi)樹(shù)莓派終端，輸入sudo apt-get install minicom 指令， 獲取 GPS 坐標(biāo)，“y”代表緯度約為42.96，“x”代表經(jīng)度約為90.09，與百度地圖標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)緯度比較后保存在gsp.json文件中，借助index.html即可在百度地圖中顯示當(dāng)前位置。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即通過(guò)PC端的UI界面觀看監(jiān)控與將PC端的聲音傳輸至樹(shù)莓派端。

首先在樹(shù)莓派端搭建基于Nginx模塊的直播服務(wù)器，通過(guò)FFmpeg采集視頻并使用H.264/AAC壓縮后通過(guò)RTMP協(xié)議推流到直播服務(wù)器，然后在PC端通過(guò)PyQt5模塊從直播服務(wù)拉流，借助OpenCV獲取圖片，并在IU界面顯示，完成監(jiān)控。PC端的聲音傳輸過(guò)程按上述相反操作即可實(shí)現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

3.3.1 基于Nginx模塊的直播服務(wù)搭建

Nginx模塊是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的服務(wù)器平臺(tái)，直播原理：由樹(shù)莓派端通過(guò)攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)碼等操作，基于RTMP協(xié)議發(fā)送到Nginx服務(wù)端，服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)后保存到本地，PC端基于RTMP協(xié)議訪問(wèn)該服務(wù)端數(shù)據(jù)，經(jīng)解碼等操作后方可顯示。

3.3.2 安裝FFmpeg并推流至服務(wù)器

FFmpeg的名稱來(lái)自MPEG視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，“FF”代表“Fast Forward”，F(xiàn)Fmpeg是一套可以用來(lái)記錄、轉(zhuǎn)換數(shù)字音頻、視頻，并能將其轉(zhuǎn)化為流的開(kāi)源計(jì)算機(jī)程序，可以輕易實(shí)現(xiàn)多種視頻格式的轉(zhuǎn)換。

具體操作步驟：輸入wget http：//ffmpeg.org/releases/ffmpeg-3.0.9.tar.bz2，安裝FFmpeg，并通過(guò)DSHOW采集揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)以及攝像頭數(shù)據(jù)，使用H.264/AAC壓縮后推送到RTMP服務(wù)器。

3.3.3 使用Python拉流獲得監(jiān)控圖像

使用Python從Nginx直播服務(wù)器中拉流，但此時(shí)導(dǎo)出的并非視頻，因此需要解析視頻流格式，然后將視頻流格式轉(zhuǎn)變?yōu)閳D片格式顯示。一幀即一張圖片，可通過(guò)OpenCV庫(kù)獲取，并快速顯示在界面上。此時(shí)，就可以在監(jiān)控界面看到攝像頭拍攝的圖像。

3.4 UI界面設(shè)計(jì)

UI界面設(shè)計(jì)：在Python中利用PyQt5庫(kù)中的函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括頁(yè)面設(shè)計(jì)、按鍵設(shè)計(jì)、開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)等。UI界面設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 UI界面設(shè)計(jì)流程

通過(guò)setWindowTitle（實(shí)時(shí)定位監(jiān)控系統(tǒng)）語(yǔ)句編寫(xiě)UI界面的標(biāo)題，通過(guò)QPushButton語(yǔ)句進(jìn)行菜單布局。self.openGpsBtn = QPushButton（關(guān)閉定位）、self.openCamBtn =QPushButton（關(guān)閉監(jiān)控）、self.openMicBtn = QPushButton（關(guān)閉麥克風(fēng)）語(yǔ)句分別是關(guān)閉定位、關(guān)閉監(jiān)控、關(guān)閉麥克風(fēng)。通過(guò)self.gpsView.setFixedSize、self.camView.setFixedSize語(yǔ)句確定定位和監(jiān)控屏幕尺寸。

UI操作界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 UI操作界面設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)搭建與測(cè)試

4.1 安全帽實(shí)物搭建

將LED燈、定位天線、擴(kuò)展板、鋰電池、攝像頭、耳機(jī)集成安裝在安全帽上，粘貼布線簡(jiǎn)潔、美觀、牢固。將定位天線的接收端放在安全帽外部頂端，將樹(shù)莓派固定在安全帽內(nèi)部頂端一側(cè)，將鋰電池固定在安全帽頂端的另一側(cè)。鋰電池通過(guò)USB線與樹(shù)莓派相連，為樹(shù)莓派供電。樹(shù)莓派通過(guò)CSI接口與攝像頭相連。攝像頭處于安全帽前端的小孔處，用雙面膠固定。耳機(jī)通過(guò)樹(shù)莓派上的A/V插孔相連，從側(cè)面小孔接出，搭建效果如圖7所示。

圖7 搭建效果

4.2 定位功能測(cè)試

定位功能可以實(shí)時(shí)檢測(cè)安全帽的位置，經(jīng)過(guò)對(duì)比，將安全帽放到屋外，可實(shí)時(shí)在地圖中顯示當(dāng)前位置，當(dāng)將安全帽放在屋內(nèi)，至少需要2 min才能完成定位并在地圖中顯示，說(shuō)明屋內(nèi)、屋外環(huán)境對(duì)于定位功能的影響較大。

定位地圖如圖8所示。

圖8 實(shí)時(shí)定位地圖

4.3 監(jiān)控功能測(cè)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試，畫(huà)面的延遲約為2 s。點(diǎn)擊“關(guān)閉監(jiān)控”后，晃動(dòng)安全帽時(shí)監(jiān)控圖像無(wú)變化。當(dāng)點(diǎn)擊“打開(kāi)麥克風(fēng)”后，程序可以調(diào)用電腦上的麥克風(fēng)，這時(shí)對(duì)著電腦講話，可以通過(guò)耳機(jī)聽(tīng)到。

攝像頭監(jiān)控畫(huà)面如圖9所示。

圖9 攝像頭監(jiān)控畫(huà)面

4.4 照明功能測(cè)試

通過(guò)安全帽一側(cè)開(kāi)關(guān)控制LED燈的開(kāi)關(guān)，如圖10所示。

圖10 LED燈的測(cè)試

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從風(fēng)電場(chǎng)安全監(jiān)管技術(shù)維護(hù)的角度出發(fā)，提出并設(shè)計(jì)了一種基于樹(shù)莓派的嵌入式智能安全帽。此系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)定位、監(jiān)控、通信、照明等功能，通過(guò)對(duì)安全帽進(jìn)行測(cè)試，證明其效果較好。智能安全帽將是新能源發(fā)電行業(yè)面向信息化、智能化、物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展的必要設(shè)備之一，能對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)巡檢、設(shè)備檢修、外包人員作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的安全監(jiān)察，后期還需在減輕負(fù)載、增設(shè)功能、提高供電效率等方面不斷優(yōu)化。