多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

吳敏

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226011）

隨著安全生產(chǎn)理念深入人心，一線生產(chǎn)人員在實(shí)踐中往往會(huì)積極佩戴安全保護(hù)用具，同時(shí)，企業(yè)也對(duì)生產(chǎn)環(huán)境檢測(cè)保持高度重視。從提高生產(chǎn)安全性的角度來看，視頻監(jiān)控必不可少，保證檢測(cè)全面性及其時(shí)效性則成為生產(chǎn)監(jiān)控管理的重點(diǎn)。在實(shí)踐中，以智能頭盔為載體開發(fā)適用于多場(chǎng)景的智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效滿足生產(chǎn)環(huán)境信息采集需求，為提高一線生產(chǎn)安全保障質(zhì)效提供輔助。

1 多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)背景

采礦、消防、建筑工程以及油藏等多種行業(yè)的工作現(xiàn)場(chǎng)都有著條件復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)性高以及安全防護(hù)難度大的特點(diǎn)。此類高風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)操作的安全管理受到社會(huì)各界高度關(guān)注，加強(qiáng)安全監(jiān)管成為重點(diǎn)。現(xiàn)階段，上述行業(yè)的安全生產(chǎn)管理依然以人工方式為主，即便融入信息技術(shù)或可視化監(jiān)控技術(shù)，也并未達(dá)到預(yù)期效果。因此，開發(fā)更具實(shí)效性、先進(jìn)性與科學(xué)性的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要。為提高安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的靈活性與準(zhǔn)確性，需改變固定設(shè)備監(jiān)測(cè)思路，將安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的固定監(jiān)測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)化為隨生產(chǎn)人員移動(dòng)而移動(dòng)的便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備。比如，以可穿戴技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使一線生產(chǎn)人員佩戴的安全防護(hù)裝置成為視頻監(jiān)控和環(huán)境檢測(cè)載體[1]。

頭盔是上述行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)節(jié)的必備安全設(shè)備，也是最適合充當(dāng)監(jiān)控檢測(cè)載體的安全防護(hù)裝置。目前，頭盔監(jiān)控系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)十分常見。所以，將頭盔監(jiān)控系統(tǒng)引入工業(yè)生產(chǎn)安全管理是可行的，基于智能頭盔可同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)人員安全防護(hù)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，將充分滿足危險(xiǎn)場(chǎng)景安全生產(chǎn)管理的現(xiàn)實(shí)需求。在這種情況之下，技術(shù)人員需要結(jié)合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)以及管理需求，開發(fā)適用于多場(chǎng)景的智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)展現(xiàn)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)性、安全性和便攜性。從現(xiàn)實(shí)角度來看，通過打造具有多種效用的智能頭盔，使其與環(huán)境監(jiān)測(cè)終端有機(jī)結(jié)合，可打造出具有集成化、綜合化功能的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

開發(fā)多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前，必須明確該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求。本次研究中，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所面臨的場(chǎng)景將包括但不限于油氣管道以及井下作業(yè)、消防安全、建筑施工。開發(fā)這一系統(tǒng)的最主要目的，是利用傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、在線視頻監(jiān)控技術(shù)以及智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工作區(qū)域環(huán)境參數(shù)檢測(cè)和安全生產(chǎn)監(jiān)控。而且，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要載體是已經(jīng)嵌入智能采集終端的頭盔。從現(xiàn)實(shí)角度來看，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求如下。

便攜性：智能頭盔是危險(xiǎn)工種施工的必備安全設(shè)備，開發(fā)多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)有安全設(shè)備的有效融合，使頭盔性能得以優(yōu)化并切實(shí)發(fā)揮載體作用，從單純的安全設(shè)備轉(zhuǎn)化為便攜式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集終端。

安全性：多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集終端必須以生產(chǎn)者佩戴的頭盔為載體，而這種頭盔需要具有保護(hù)佩戴者和采集數(shù)據(jù)的雙重作用。因此，頭盔設(shè)計(jì)者應(yīng)在保證采集終端有效運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化其安全防護(hù)能力，從而確保使用者安全。而且，嵌入頭盔的監(jiān)測(cè)模塊不可破壞其安全防護(hù)性能，更不能出現(xiàn)低消耗高、不易更換的情況，也不能因體積過大或安裝位置特殊而影響頭盔佩戴的舒適度。

擴(kuò)展性：多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的本質(zhì)需求是適應(yīng)多場(chǎng)景，頭盔能夠適應(yīng)的場(chǎng)景數(shù)量是不斷變化的，而且頭盔的功能也并非一成不變。在設(shè)計(jì)多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，勢(shì)必要采用大量先進(jìn)科技，比如，傳感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、人工智能等。上述技術(shù)的更新?lián)Q代速度極快，所以為保證技術(shù)更新和系統(tǒng)性能優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員必須在實(shí)踐中滿足系統(tǒng)的擴(kuò)展性需求[2]。

3 多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能

本次研究中，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要展現(xiàn)出智能可穿戴性、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)擴(kuò)展性以及數(shù)據(jù)傳輸單元多樣化的特點(diǎn)。為保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息有效傳輸，將選用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)以及4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)支持。實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，最為主要的終端設(shè)備有2個(gè)，分別為智能頭盔和監(jiān)測(cè)平臺(tái)，前者用于采集數(shù)據(jù)，后者則用于開展實(shí)時(shí)監(jiān)控。在實(shí)際應(yīng)用過程中，環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端將會(huì)被直接嵌入頭盔，而且經(jīng)由頭盔攝像頭采集的全部信息可以直接通過無線局域網(wǎng)或4G廣域傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)平臺(tái)之上，若經(jīng)由無線局域網(wǎng)傳輸則需要經(jīng)過OpenWrt路由模塊和主路由，最終進(jìn)入PC端監(jiān)測(cè)平臺(tái)；若經(jīng)由4G廣域傳輸則需要經(jīng)過安裝手機(jī)和服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫，最終進(jìn)入移動(dòng)端監(jiān)測(cè)平臺(tái)[3]。

3.1 數(shù)據(jù)采集功能

在多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之中，數(shù)據(jù)采集功能主要由采集終端即頭盔完成。事實(shí)上，攝像頭會(huì)在扣具的輔助下嵌入安全防護(hù)頭盔，頭盔之上還會(huì)搭載傳感器。這樣一來，既可以基于傳感技術(shù)完成溫濕度、易燃易爆氣體濃度以及煙霧濃度的有效感知和檢測(cè)，又能夠借助于在線視頻監(jiān)控技術(shù)時(shí)刻關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)情況。當(dāng)智能監(jiān)測(cè)頭盔的環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端運(yùn)行時(shí)，可敏銳感知周圍環(huán)境變化及其危險(xiǎn)性，一旦出現(xiàn)環(huán)境參數(shù)異常（超過標(biāo)準(zhǔn)閾值），就會(huì)立即啟動(dòng)蜂鳴器完成警報(bào)，從而第一時(shí)間提醒生產(chǎn)者和安全生產(chǎn)管理者。需要注意的是，數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)視頻圖像以及環(huán)境參數(shù)將同步采集和上傳，二者的搭配應(yīng)用能為更有效地完成現(xiàn)場(chǎng)分析和決策制定提供保障。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸功能

多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能需要由無線視頻數(shù)據(jù)傳輸單元來實(shí)現(xiàn)，該單元包括2條數(shù)據(jù)傳輸通道，分別為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。這2種傳輸通道的使用場(chǎng)景并不相同，前者主要是地下安全生產(chǎn)場(chǎng)景中使用，在無運(yùn)營商局域網(wǎng)的支持下必須通過無線Mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳輸，傳輸時(shí)，路由模塊與無線局域網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)最終傳輸；后者主要是在地上安全生產(chǎn)場(chǎng)景中使用，基于運(yùn)營商4G廣域網(wǎng)支持，可利用手機(jī)藍(lán)牙與智能頭盔相連和通信，手機(jī)攝像頭可用于拍攝現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控圖像和視頻，使用中來自手機(jī)和采集終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都將儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能

多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能由監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，該平臺(tái)主要用于匯總、展示已采集的環(huán)境參數(shù)以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)畫面。為便于安全生產(chǎn)管理人員使用，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)共開發(fā)2種不同端口，可充分滿足使用者的PC端或移動(dòng)端使用需求。多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的PC端平臺(tái)以計(jì)算機(jī)為載體，安全生產(chǎn)管理人員可通過操縱計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)實(shí)施分析和決策，而且電腦顯示屏可流暢、直觀地展示監(jiān)控畫面以及視頻。而該系統(tǒng)的移動(dòng)端監(jiān)測(cè)平臺(tái)則是指帶有安卓系統(tǒng)的移動(dòng)終端，其載體主要是手機(jī)或平板電腦。為保證移動(dòng)端操作有效性，設(shè)備需要預(yù)先安裝HelmetLiveAPP，該軟件由設(shè)計(jì)人員自主研發(fā)，主要功能就是實(shí)現(xiàn)PC端監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面程序模擬。

4 多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

從整體角度來看，數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)必須充分保障智能頭盔的實(shí)用性。在這一過程中應(yīng)該完成微控制單元選型、傳感器設(shè)置以及藍(lán)牙模塊設(shè)置。在實(shí)踐工作當(dāng)中，為微控制單元選型需要充分考慮多元應(yīng)用場(chǎng)景差異，并且保證其具有體積小質(zhì)量輕、高效低耗的優(yōu)勢(shì)。比如，選擇基于ARM Cortex-M內(nèi)核的STM32F103處理器。實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，需要以上述處理器作為控制核心，使其嵌入安全智能頭盔，讓頭盔具有環(huán)境數(shù)據(jù)采集功能。

而在傳感器設(shè)置方面，相關(guān)工作人員同樣需要強(qiáng)調(diào)傳感器選型的可靠性。通常來說，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行后，煙霧、甲烷、一氧化碳、溫濕度傳感器會(huì)自動(dòng)運(yùn)行并采集相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，然后通過藍(lán)牙模塊、TFT現(xiàn)實(shí)、聲光報(bào)警和預(yù)留串口等路徑傳輸，使響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)揮實(shí)用機(jī)制。在這一環(huán)節(jié)，必須優(yōu)選傳感器，通過提升設(shè)備靈敏性來避免數(shù)據(jù)判斷失誤。因此，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要高度重視傳感器選型問題。為滿足現(xiàn)實(shí)需求，可選用DHT11溫濕度傳感器，在氣體傳感器方面，可選擇MQ-4甲烷傳感器，而一氧化碳傳感器和煙霧濃度傳感器則可分別選擇MQ-7以及MQ-135。上述氣體傳感器的靈敏性、可調(diào)節(jié)性以及信號(hào)傳輸穩(wěn)定性都非常高，可迅速響應(yīng)和恢復(fù)，將會(huì)為有效檢測(cè)生產(chǎn)環(huán)境安全性提供保障。在藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)方面，需要強(qiáng)調(diào)功能元器件的有效集成。在實(shí)踐中，HC05藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)人員不僅需要先完成藍(lán)牙規(guī)范協(xié)議棧的芯片內(nèi)置，更需要實(shí)現(xiàn)以下元器件的有效集成：2.5 GHz射頻收發(fā)器、鏈路管理路由器、GPIO接口、基帶控制器。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)計(jì)

首先，本次設(shè)計(jì)需要完成安卓組件開發(fā)，主要包括以下4種：Activity、Service、Content Provider、Broadcast Receiver。這些組件可強(qiáng)調(diào)用戶交互性、保證后臺(tái)任務(wù)運(yùn)行、保存獲取數(shù)據(jù)和完成跨程序數(shù)據(jù)傳輸。

其次，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)選擇環(huán)節(jié)可使用騰訊云移動(dòng)直播平臺(tái)，以流媒體服務(wù)器為核心，為保證生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)畫面監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)傳送奠定基礎(chǔ)。該平臺(tái)具有極強(qiáng)的畫面清晰度和畫面?zhèn)鬏敺€(wěn)定性，能夠同時(shí)兼顧PC端與移動(dòng)端的使用需求。

最后，內(nèi)置APP即HrlmetLiveAPP，它由設(shè)計(jì)人員自主研發(fā)，主要作用是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效運(yùn)用，保證監(jiān)測(cè)平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行。事實(shí)上，設(shè)計(jì)這一APP時(shí)，需要保證騰訊云直播SDK集成，并確保推流端、藍(lán)牙模塊、定位功能模塊功能實(shí)現(xiàn)，還應(yīng)確保JSON數(shù)據(jù)上傳。

4.3 云服務(wù)器與監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

4．3．1 云服務(wù)器

本文所研究的云服務(wù)器的名稱為Tomcat，該服務(wù)器屬于Web服務(wù)器的一種，由國外公司開發(fā)，屬于免費(fèi)開源的服務(wù)器，其具備如下優(yōu)點(diǎn)：①運(yùn)行無需耗費(fèi)過多的資源；②支持高并發(fā)均衡負(fù)載；③支持郵件相關(guān)服務(wù)；④具有良好的擴(kuò)展性。由于其免費(fèi)且優(yōu)點(diǎn)眾多，故在發(fā)布后受到了人們的喜愛，壓縮包是該應(yīng)用程序的主要組成部分，且每個(gè)壓縮包內(nèi)含有多個(gè)文件，且其中還具有目錄結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行應(yīng)用程序后，即可將動(dòng)態(tài)頁面顯示到瀏覽器端。在一個(gè)完整的Apache Tomcat服務(wù)器架構(gòu)中，各組件之間的關(guān)系主要以父子式嵌套為主，各組件中存在一個(gè)或多個(gè)組件。

在整個(gè)架構(gòu)中，位于邏輯最頂層的組件為Server，也可以將其視為服務(wù)器的本體。而Engine層作為頂層組件，對(duì)來自Connector用戶的請(qǐng)求進(jìn)行處理，是其主要功能。如果所采用的配置為單一配置，會(huì)對(duì)默認(rèn)引擎進(jìn)行使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)頭部的校驗(yàn)，通過這種方式，使虛擬主機(jī)對(duì)請(qǐng)求加以處理。各Host組件均代表一個(gè)虛擬主機(jī)。在接收請(qǐng)求后，Host會(huì)對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行解析，同時(shí)完成對(duì)Context的匹配，為下一步處理的進(jìn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文所研究的云服務(wù)器，其主要包括2個(gè)Server，分別為DataStore和DataSend，其中，前者會(huì)對(duì)智能手機(jī)所采集的各項(xiàng)JSON字符串（包括環(huán)境參數(shù)等多種內(nèi)容）進(jìn)行接收，同時(shí)，還會(huì)向數(shù)據(jù)庫傳輸解析后的結(jié)果；后者可以對(duì)智能手機(jī)的請(qǐng)求加以響應(yīng)，并向手機(jī)傳輸獲取后的數(shù)據(jù)。

4．3．2 監(jiān)測(cè)平臺(tái)

在廣域網(wǎng)的使用場(chǎng)景中，移動(dòng)端監(jiān)測(cè)平臺(tái)較為常用，通常情況下，會(huì)在APP的直播中被整合。其中，負(fù)責(zé)在2個(gè)Activity中對(duì)影像進(jìn)行展示的控件為控件，而負(fù)責(zé)推流工作的控件為TXCloudVideoview，而決定推流的參數(shù)配置，所需使用的控件為TXLivePushConfig，這里所說的參數(shù)，主要包括分辨率、幀數(shù)等。監(jiān)測(cè)平臺(tái)中的直播，所采用的協(xié)議主要為FLV，僅需將部分標(biāo)記頭信息加入到大塊視頻幀和頭部即可，實(shí)踐結(jié)果表明，這種設(shè)計(jì)方式可以取得良好的效果。

5 結(jié)論

綜上所述，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)場(chǎng)所而言，深化“視頻監(jiān)控+環(huán)境檢測(cè)+安全防護(hù)”是保障生產(chǎn)人員生命安全的最重要方法。因此，多場(chǎng)景智能頭盔監(jiān)測(cè)體系的建設(shè)和應(yīng)用，可以切實(shí)滿足危險(xiǎn)場(chǎng)景的安全監(jiān)控和保障需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)充分考慮了系統(tǒng)功能全面性和終端載體多元性，還通過設(shè)計(jì)簡潔操作界面和擴(kuò)展性功能為系統(tǒng)的后期優(yōu)化升級(jí)奠定基礎(chǔ)。