基于北斗的智能安全帽系统设计

余子龙，沈 亮，李佳鹏，黄富杨，谢京达，谢 慧，吴有龙

（金陵科技学院 智能科学与控制工程学院，江苏 南京 211169）

0 引 言

北斗卫星导航定位系统是我国自主研发并且独立运行的卫星导航系统，与目前的全球定位系统GPS、GLONASS和Galileo相比，北斗卫星导航定位系统的性能符合设计要求，信号强度和定位精度优于其他卫星导航定位系统。北斗卫星导航系统可以提供高精度定位、精准授时和导航服务，但是随着北斗卫星导航系统的快速发展，可以和移动通信技术、互联网技术相融合，衍生了“北斗+”服务[1-3]。基于北斗技术的产品被广泛的应用到生活和工业等领域，智能安全帽就是技术革新以及生产需求不断提高的智能化产物[4-7]。

目前，工业制造正朝着智能化、创新化的方向发展。近年来，市场上出现了众多的智能可穿戴设备，比如Google公司研发的智能眼镜，但是对智能安全帽的研发、投入市场还远远没有深度开展[8]。普通的安全帽仅仅是一个防护的穿戴产品，可以保护人的头部，以免被重物砸击头部，但是它达不到目前高新科技下的工业生产环境的要求。工业生产追求的是生产安全、高效以及低成本，这也促进了对智能安全帽的广泛应用[9]。智能安全帽系统的设计以北斗定位技术为基础，结合传感器模块，对数据进行采集，对人员位置进行定位，由嵌入式硬件终端、网页界面监控或手机APP组成。

1 系统设计

基于北斗的智能安全帽系统设计包括硬件设计和软件设计，系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构

硬件部分：以STM32F103微处理器为核心的野火STM32开发板，主要功能是采集数据，并将数据发送至无线传输模块，并由路由转发给服务器；

软件部分：服务器搭建是基于阿里云物联网平台，开发人员可以获取证书信息并烧录到设备中，用于设备连接物联网平台，服务器端对收到的数据进行解析，并且可以将解析后的数据分发给订阅该主题的各个用户。管理员可以在后台服务器显示工作人员周围的温湿度数据、工作地点和生命体征。与此同时后台的服务器在监测到人员生命体征出现危险或周围环境温度过高等情况，可以将数据经原来的路径返回，将要执行的指令消息发送给单片机，实现对设备端的智能控制。

2 功能阐述

管理人员可以通过访问智能安全帽的页面，在网页上可以实时显示工作人员的周围温湿度信息以及工作人员的心率信息，如图2所示；同时在地图上显示工作人员的位置信息如图3所示。当周围环境温度大于45 ℃以上和人员心率不稳定时发出报警信息。这时工作人员可以及时处理，以免发生安全问题。

图2 工作人员周围温度信息

图3 工作人员位置信息

3 相关技术

3.1 单片机技术

单片机是单片微型计算机的简称，是一种将中央处理器（CPU）、随机存储器RAM和只读存储器ROM、I/O接口电路等器件集成在一起的电路芯片，由这些元器件共同构成了一个最小计算机系统，使其具备逻辑运算能力，位处理能力，可以实现对外部设备的控制。该智能安全帽系统设计采用的是ARM公司生产的STM32F10x系列的芯片，通过芯片对外部设备进行控制，与外设I/O设备进行数据通信，进行实现对外设数据的运算再转发。STM32F103VET6开发板实物如图4所示。

图4 STM32F103VET6开发板实物图

3.2 物联网通信技术

物联网通信技术一般是指物联网技术和通信技术的结合。通常物联网体系架构会被分为感知层、传输层和应用层，主要实现数据从一台终端传送到另一台终端。目前在物联网领域运用较多的无线通信技术主要有两类：短距离无线通信技术和长距离无线通信技术。该智能安全帽系统设计在数据的传输环节采用的是4G模块，实现数据的云端上传和数据的下发。

3.3 卫星定位技术

卫星定位技术是一种通过卫星来确定物体精确位置的技术，该智能安全帽系统设计采用北斗定位系统辅以GPS定位系统提高精度。北斗/GPS双模定位模块引入中科微电子公司ATGM332D-5N-31模块，通过串行口将定位信息传送到单片机系统和计算机。低功耗、高灵敏度让其能用于本设计上，实现定位功能。该模块具有三维位置定位（经纬度、高度）、测速和授时的功能，位置定位精度在2.5 m以内。定位模块和开发板连线实物图如图5所示。

图5 定位模块和开发板连线实物图

3.4 MQTT协议

MQTT协议是一种通信协议，客户端使用它连接服务端，并且MQTT提供有序的、可靠的、双向字节流传输。阿里云、机智云、OneNET等物联网组件都支持MQTT协议。MQTT协议的主要特点有：

（1）MQTT协议是一种轻量级的通信协议，实现MQTT协议的开销比较小，无需太多的额外数据文本。

（2）MQTT协议是基于TCP/IP协议的，当建立TCP连接后，云下设备和云平台按照MQTT协议规定的数据格式来通信。

（3）MQTT协议是基于客户端-服务端模式，云下设备作为客户端，云平台作为服务端。

（4）基于消息发布-消息订阅模式，在此模式下，解耦了消息发布者和订阅消息者之间的关系，意味着发布者和订阅者之间并不需要直接建立联系。

MQTT协议发布-订阅模式如图6所示。

图6 MQTT协议发布-订阅模式

3.5 服务器平台

阿里云物联网平台下可建立属于自己的物联网产品云端服务。首先创建产品与设备，开发人员可以获得设备的证书信息（ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）。该证书信息将烧录到设备上，用于设备连接物联网平台时，进行身份认证。下一步为产品定义物模型，可以从属性、服务和事件三个维度定义产品功能，根据定义的功能构建出产品的数据模型，用于云端与设备端进行指定数据通信。设备建好后可以建立连接来激活设备。在完成设备的建立后就可以建立物模型，物模型就是指将物理空间中的实体数字化，并在云端构建该实体的数据模型。在物联网平台中，定义物模型即定义产品功能，完成功能定义后，系统将自动生成该产品的物模型，如图7所示。

图7 物模型功能定义

4 结 语

本文设计了一种基于北斗的智能安全帽系统，并对该系统的功能阐述、结构分析、软硬件等技术进行了介绍，通过本文的智能安全帽设计，能够大大提高正在作业的工人们，随时监测工人的安全信息，如果发生意外第一时间发现并及时抢救，为他们的安全提供保障。智能安全帽产品可以应用到建筑工地，矿井工人，高空电工等等众多行业。