一種安全帽通訊裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐龍彬 李金蹊 張 越

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局）

0 引言

長(zhǎng)期以來，安全防護(hù)始終都是電力系統(tǒng)日常工作中的關(guān)鍵一環(huán)。為降低檢修、巡視等期間出現(xiàn)意外傷害的可能性，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合所處的工作環(huán)境特點(diǎn)按要求戴好個(gè)人防護(hù)設(shè)備（PPE），不論在哪種工況下，工作人員都必須佩戴好安全帽，以確保個(gè)人的人身安全。有關(guān)研究結(jié)果顯示，戴好防護(hù)設(shè)備能有效降低37%的職業(yè)傷害，可以在做好物理防護(hù)的同時(shí)提高個(gè)人的安全感。

通過使用傳統(tǒng)安全帽，可以有效防止墜落的物件傷害頭部。但是，現(xiàn)階段在佩戴安全帽、設(shè)計(jì)安全帽時(shí)僅僅只關(guān)注安全帽的安全防護(hù)功能，卻不注重安全帽的即時(shí)通信功能。在實(shí)踐過程中，工作人員之間進(jìn)行交流與互動(dòng)時(shí)，若僅通過對(duì)講機(jī)或者人聲進(jìn)行消息傳送，便會(huì)影響溝通效率以及信息傳遞的時(shí)效性。同時(shí)，使用手持對(duì)講機(jī)會(huì)為施工埋下較大的安全隱患，存在墜落的可能性。為進(jìn)一步提高工作效率以及消息傳達(dá)與交流的及時(shí)性，此次研究中設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)及時(shí)通信的安全帽［1-2］，通過使用此安全帽可以使相關(guān)決策者能夠更系統(tǒng)地獲悉實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)狀況，提升現(xiàn)場(chǎng)施工人員以及管理者的溝通與交流的效率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)高效聯(lián)動(dòng)，便于管理決策。

1 安全帽通訊裝置的組成和原理

安全帽是保證安全前提的條件下增加了通訊裝置，安全帽的材料采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料。這種材料纖維強(qiáng)度比較高，耐熱性和電絕緣性能更加優(yōu)良，同時(shí)具有優(yōu)良的耐酸和耐水性、阻燃、變形小等各種優(yōu)良的特點(diǎn)。安全帽本體主要由帽殼、帽襯、下顎帶組成。安全帽頂部有加強(qiáng)凸起筋，可以增強(qiáng)安全帽的抗沖擊能力，防止施工人員受到傷害。

安全帽的通訊裝置采取的是一種雙向移動(dòng)通信工具，與對(duì)講機(jī)的原理類似，不需要任何網(wǎng)絡(luò)支持就可以短距離無線通話，不會(huì)產(chǎn)生任何費(fèi)用，可以很方便地實(shí)現(xiàn)一對(duì)一和一對(duì)多的通話，適用于施工現(xiàn)場(chǎng)頻繁通話的場(chǎng)合。

安全帽通訊裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，安全帽效果圖如圖2所示。

圖1 安全帽結(jié)構(gòu)圖

圖2 安全帽效果圖

通訊裝置安裝在安全帽結(jié)構(gòu)圖中位置1處。當(dāng)施工人員戴上這種安全帽既能保證安全工作，還能及時(shí)互通信息，以此確保各方面工作安全、協(xié)同進(jìn)行，更加高效有序地開展工作。

2 安全帽通訊裝置設(shè)計(jì)的主要原理

當(dāng)涉及到通信技術(shù)和電路原理時(shí)，確實(shí)會(huì)有很多專業(yè)術(shù)語和復(fù)雜的描述。以下是對(duì)一些部分進(jìn)行的簡(jiǎn)化解釋：

（1）發(fā)射部分

發(fā)射部分使用鎖相環(huán)和壓控振蕩器來產(chǎn)生射頻載波信號(hào)。經(jīng)過緩沖放大、激勵(lì)放大和功放等處理，產(chǎn)生所需的射頻功率。然后通過天線低通濾波器去除諧波成分，并通過天線發(fā)射出去。

（2）接收部分

接收部分使用二次變頻超外差方式。從天線輸入的信號(hào)經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換電路和帶通濾波器進(jìn)行射頻放大。然后經(jīng)過帶通濾波器進(jìn)入混頻器，與來自鎖相環(huán)頻率合成器電路的信號(hào)混頻并生成中頻信號(hào)。經(jīng)過濾波后，中頻信號(hào)進(jìn)入中頻處理芯片，再次與另一個(gè)本振信號(hào)混頻生成第二中頻信號(hào)。最終通過放大和鑒頻，產(chǎn)生音頻信號(hào)。音頻信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、去加重等處理后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器輸出所需的信息。

（3）調(diào)制信號(hào)及調(diào)制電路

人的話音通過麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換成音頻電信號(hào)。音頻信號(hào)經(jīng)過放大、預(yù)加重和帶通濾波器進(jìn)入壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)制。

（4）信令處理

在信令處理方面，CPU產(chǎn)生CTCSS／DTCSS信號(hào)，并經(jīng)過放大調(diào)整后進(jìn)入壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)制。接收到的低頻信號(hào)經(jīng)過放大和亞音頻的帶通濾波器處理后，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，控制音頻功放和揚(yáng)聲器的輸出。如果與預(yù)置值相同，則打開揚(yáng)聲器。

3 安全帽通訊裝置各部分設(shè)計(jì)及功能

安全帽本體［3-4］的構(gòu)成要素包括帽襯、帽殼、下顎帶，其頂部設(shè)置了加強(qiáng)凸起筋，能使安全帽的抗沖擊性能得到強(qiáng)化，避免電力工作人員的人身遭遇到傷害。而安裝在安全帽本體上的LED照明燈能在夜間照明的情形下使用，電量顯示燈是由4個(gè)LED燈珠構(gòu)成的，具有呈現(xiàn)鋰電池的電量余量情況的功能，LEF燈珠有三種顏色，藍(lán)色代表的是電量充裕，紅色代表的是缺電，黃色代表的是警示。依靠呈現(xiàn)LED燈珠的數(shù)目與顏色，能讓相關(guān)工作人員了解到電量的實(shí)際情況，實(shí)用價(jià)值強(qiáng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)中間的兩個(gè)操作按鍵，使之形似六棱柱，以便于電力工作人員能靠手的感知就可判定操作按鍵的具體位置。而短距離無線通信裝置的組成要素包括防滑墊、安裝座、導(dǎo)向孔、滑移手柄、天線本體、收整筒體、滑塊、定向滑槽，在這當(dāng)中天線本體是一種以彈性材料為原材料打造出來的螺旋形結(jié)構(gòu)，其借助定向滑槽中的滑塊與安裝座提高位置的緊固性?；瑝K上設(shè)置了滑移手柄，在信號(hào)較差的情況下，電力施工人員可對(duì)滑移手柄進(jìn)行操作，從而伸出天線本體，提高信號(hào)的強(qiáng)度。再者，將防滑墊安裝在滑塊和導(dǎo)向孔之間，導(dǎo)向孔和防滑墊之間預(yù)留了0.3～0.5mm的過盈量。這樣的話，即便是伸出了天線，防滑墊能保證在定向滑槽中滑塊的位置比較固定，不會(huì)出現(xiàn)任意滑動(dòng)的情況，有效提高了天線本體的穩(wěn)定性。

電路板的構(gòu)成模塊有微處理器、通訊模塊、充放電控制器，在這當(dāng)中通訊模塊連接著外部的無線網(wǎng)絡(luò)，依靠耳機(jī)以及麥克風(fēng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通話，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員和后臺(tái)管理人員能夠在任意時(shí)間進(jìn)行語音通話。同時(shí)，通訊模塊具有對(duì)揚(yáng)聲器與受話器進(jìn)行管控的功能，使后臺(tái)管理員與電力工人能夠在任意時(shí)間進(jìn)行對(duì)講，可以比較方便地向現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員及時(shí)傳達(dá)任務(wù)與要求。充放電控制器主要負(fù)責(zé)將電量供應(yīng)給系統(tǒng)，確保裝置始終處于正常運(yùn)行的狀態(tài)。智能控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)把安全帽反饋并收集到的信息進(jìn)行可視化處理，若電力工作人員的操作不合乎相關(guān)要求，那么通信系統(tǒng)會(huì)與工人溝通交流，并給出相應(yīng)的警示。

4 與現(xiàn)有技術(shù)的比較

對(duì)比分析現(xiàn)有的安全帽與此次研究中設(shè)計(jì)的帶有通訊裝置安全帽［5］之后，筆者發(fā)現(xiàn)，后者的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

第一，此安全帽內(nèi)設(shè)置了天線，能有效提高信號(hào)的強(qiáng)度，即便電力工作人員將其應(yīng)用到信號(hào)較差的偏遠(yuǎn)地帶，也可以保證安全帽能夠正常運(yùn)行。

第二，比普通安全帽增設(shè)了一個(gè)短距離無線通信裝置，從技術(shù)原理上看其和對(duì)講機(jī)原理差不多，在施工現(xiàn)場(chǎng)施工人員依舊可以及時(shí)溝通信息，以防出現(xiàn)安全隱患，同時(shí)又可以有效確保電力工人的人身安全，使設(shè)備運(yùn)行始終處于正常狀態(tài)下。

第三，把無線通信技術(shù)和普通的安全帽密切結(jié)合起來，使用無線通信技術(shù)無需支付額外通話費(fèi)用，實(shí)用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可大幅度縮減生產(chǎn)此安全帽的費(fèi)用。此外，具有抗干擾的作用，從電網(wǎng)作業(yè)通訊上看，比市面的藍(lán)牙、對(duì)講機(jī)通信原理、手機(jī)信號(hào)以及wifi的表現(xiàn)都更為突出。

傳統(tǒng)的安全帽不支持施工人員進(jìn)行及時(shí)通信，僅僅可以為施工人員的人身安全提供一定的保護(hù)，從某種意義上講這難免會(huì)影響到工程進(jìn)度。安全帽通訊裝置在傳統(tǒng)的安全帽的基礎(chǔ)上設(shè)置了一個(gè)短距離通信裝置，可以彌補(bǔ)施工人員傳達(dá)信息不及時(shí)的缺陷。此次設(shè)計(jì)中使用的無線通信技術(shù)不僅僅可以支持系統(tǒng)呼叫、組呼通播、機(jī)密呼叫等，還具有實(shí)用經(jīng)濟(jì)、無需支付通話費(fèi)用、即時(shí)溝通、使用便捷、經(jīng)營(yíng)費(fèi)用少等優(yōu)勢(shì)。此外，從對(duì)緊急突發(fā)事件的處理上看，其在調(diào)度指揮上所起到的作用是其他通信工具遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法比及的。

5 結(jié)束語

目前，電力行業(yè)一直存在對(duì)施工人員不能及時(shí)通信、人員傷亡事故頻發(fā)的難題。為了解決這一難題，本文基于移無線通信技術(shù)以及人體工程學(xué)原理，對(duì)普通安全帽進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了一種安全帽通訊裝置。安全帽通訊裝置不僅能滿足電力行業(yè)對(duì)施工人員及時(shí)通訊的需求，其同樣具備佩戴舒適、輕便耐用、抗擊打能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在電力行業(yè)具有較好的應(yīng)用前景。