北斗卫星导航系统在一体化智能安全头盔中的应用

曹宇，唐小波，宋育泽，王宁，鲁洪江

(1.上海海洋大学 工程学院，上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技术研究中心，上海 201306)

0 引 言

工作现场的线路巡检和故障检查一般采用人工定期巡视.由于操作人员业务能力参差不齐，很难实时解决问题.如果能在操作人员的安全头盔内安装集成需要的传感器及控制器，将现场故障数据远程传送到控制台，再由高级技工诊断解决问题，可以大大提高故障处理效率.另外，现阶段安全头盔设计简单，功能单一，如果加装北斗卫星导航系统(BDS),可实现操作人员工作状况的目标定位和监测数据传输，实现控制台对操作人员工作环境实时安全评估、轨迹追踪及灾害预警功能.

BDS 以其独有的短报文通信功能，成为全球首个通信一体化的卫星导航定位系统，在电力行业、海上作业、航空安全、燃气等领域应用十分广泛[1].崔秀芳等[2]设计了一种基于BDS 的仿生机器鱼，郭英起等[3]设计了一套基于BDS 海洋上冰山踪迹监测方案.本文设计了一种一体化智能安全头盔，以BDS的无线电测定业务(RDSS)工作模式，采用定制的数据通信协议，实时定位头盔位置，传输各类传感器采集到的数据以及用户指令[4]，建立了基于BDS 的一体化智能安全头盔监测与评估系统.利用头盔布置的各类传感器，将一氧化碳(CO)浓度、温度、湿度等参数通过BDS 短报文功能传输到用户终端，将采集到的数据转化成参数并形成监测曲线与预警信号，对操作人员所处环境进行实时监测与风险评估，通过追踪操作人员的工作轨迹，给操作人员提供路线导航.

1 一体化智能安全头盔结构设计

1.1 硬件设计

一体化智能安全头盔由头盔主体、摄像头、红外传感器、湿度传感器、CO 浓度传感器等模块组成,结构图如图1 所示.通过在头盔主体的前方设置固定摄像头，对人员身份进行识别，也对故障情况进行实时展示，AR 眼镜能把工程师的操作以及大数据处理方案显示出来.如果工作途中遇到不可抗力导致通讯中断，也可在工作人员操作下保存数据到内存卡中，以便后续进行研究分析.头盔主体前方的应急灯能够实现照明，功能模块可探测环境温度以及对操作人员进行体温测量.此外，位置模块能通过BDS 对操作人员进行定位以及相对高度进行定位，确保操作人员的安全，企业还能够远程了解员工的状态，环境数据检测模块能对空气中的CO 浓度或其他可燃气体进行检测，用语音进行预警，充分保障操作人员的人身安全，使用简单便捷.

图1 一体化智能安全头盔结构图

1.2 安全评估系统控制流程设计

安全评估系统控制采用红外传感器成像测温，采用湿度传感器可监测环境温度.环境传感器主要监测CO 浓度和一些有害气体，如果超过阈值就会亮起黄灯并发出蜂鸣，然后经过大数据的对比分析，如果确定会对操作人员产生危害，就会亮起红灯，并进行语音提示，让操作人员远离危险源，如果没有危害，则会亮起绿灯，具体流程如图2 所示.

图2 一体化智能安全头盔控制流程图

1.3 一体化智能安全头盔电路板设计

一体化智能安全头盔电路板设计采用Proteus 软件进行搭建，硬件主要由ARM 微处理器、温度采集模块、CO 浓度采集模块、北斗通信模块、三色LED 指示灯模块、湿度采集模块、语音模块等组成.北斗通信模块与各种传感器之间采用RS232 串口通讯，数据库、云端服务器、监控客户端使用网络方式连接服务器，完成对北斗用户端数据的接收、存储和控制.北斗通信模块的RX0 和TX0 输入输出接口，与主控制器采用RS232 串口通信，波特率为115 200 bit/s.电源接口包含用于模块接收的VCC 和用于模块发射的VCCPA.接收状态工作电压为4.2～5.2 V，发射状态工作电压为4.9～5.2 V.此模块可实现RDSS 定位、短报文通信等功能，模块接口协议满足BDS 4.0 协议[5]，其原理图如图3 所示.

图3 部分控制原理图

2 BDS 通信功能工作原理

BDS 在1994 年开始研制，发展至今，已经成为与美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、欧盟的伽利略定位系统(Galileo)并驾齐驱的四大全球定位系统之一[6].BDS 具有RDSS 和卫星无线电导航业务(RNSS)两种业务体制，不但具有GPS 等系统的RNSS 功能，还具有短报文通信和位置报告服务功能[7].BDS 的主要功能有：定位、导航、单双向授时、短报文通信；数据格式有：ASCII 码、BCD 码；定位精度优于10 m；测速精度为0.2 m/s；授时精度为20 ns；短报文通信容量为120 byte.

BDS 由空间段、地面段和用户段三部分组成[8-11]，其定位工作流程为：地面段发射数字信号到地球静止轨道(GEO)卫星，GEO 卫星接收地面发射信号后，通过转发器传输加密信息到用户段，用户对GEO 卫星所发出的信号进行反馈；地面段接收到用户信号后对这个信号进行解码，将处理后得到的数据发送给GEO卫星，GEO 卫星接收用户的坐标数据，将数据反馈给用户，用户需要将GEO 卫星导航电文从GEO 卫星信号中解码出来，通过算法计算用户段当前所处的位置，便可完成整个定位过程.

短报文发送信号首先是将包含接收方ID 号和通讯内容的通讯申请信号加密后，通过GEO 卫星转发入站；地面中心站接收到通讯申请信号后，经解密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经GEO卫星广播给用户；接收方用户机接收到出站信号，调解解密出站电文，完成一次通讯传输.短报文通讯的传输延迟大约是0.5 s，通讯的最高频率是1 s/次.

3 BDS 在一体化智能安全头盔系统中的功能实现

3.1 客户端功能实现

3.1.1 操作区实时视频展示

以实时动态的方式展示一线操作人员的真实工作场景，可通过头盔的前置摄像头和通讯传输完成可视化展示.对操作人员的各种技术动作进行捕捉，远程技术专家可以进行语音指导，支持夜间光照、通讯中断自行存储数据，实现各种恶劣条件下的基础功能完善，对操作区实现监测系统可视化展示，具有空间导航、危险预警和动作纠正的功能.

3.1.2 操作区环境状态监测数据展示

整合多种故障资源，通过一体化智能安全头盔的温度传感器、气体监测设备、各种不同类别环境传感器等采集的环境数据为支撑，综合运用大数据处理、远程会诊等技术，实现对操作人员工作区内温度、湿度、CO 浓度及其他有害气体等环境状态的实时动态监测，重点对操作人员的行动轨迹进行跟踪，提供地图导航，为操作人员工作区范围内环境变化情况分析提供底层基础数据，方便给各种实际应用提供开放式数据支持.

3.1.3 操作区安全预警与评估

基于一体化智能安全头盔相关传感器对操作区CO 浓度、温度、湿度及其他有害气体的实时监测数据，构建操作人员与环境一体化的环境安全监测体系和危险预警体系.

利用传感器实时采集数据、人员轨迹信息、所处空间分析信息等，对线路巡检过程中可能出现的短路、触电、火灾事故等实施灾害快速预警，为实现快速科学处理故障、应急救援和预案快速实施等突发处理提供可视化解决方法.整体系统分为用户部分和远程监控部分，用户部分包括各种传感器和BDS 用户端机及外围设备、PC 端和手机端；远程控制部分包括BDS 用户端机、监控客户端、防火墙、云服务器、数据库、服务器.系统结构图如图4 所示.客户端功能图如图5 所示，客户与服务端体系结构图如图6 所示.

图4 系统结构图

图5 客户端功能图

图6 客户端与服务端体系结构图

3.2 通信协议设计

利用北斗短报文功能，采用北斗三号(BDS-3)的RDSS 模式下的短报文功能单次报文容量最大为408 byte，报文频度为1 min，RDSS 模式具备的定位加双向短报文的特点以及性比高、安全可靠等优点是本设计选择BDS 的原因.但RDSS 模式下北斗短报文容量有限制，所以需要合理地设计通信协议，在不超出容量的同时，尽可能地保证通信的质量，得到最优的通信数据[12].一体化智能安全头盔设计系统时定制了一套传输协议，在每组数据中都包含头盔ID，从而确认数据来源，数据的反馈也必须验证数据是否被接收完毕，如果没有得到反馈将会重新发送数据，循环5 次，再发送下一条数据.具体的通讯内容如表1 所示.

表1 BDS 卫星RDSS 短报文数据传输内容说明

4 BDS 在一体化智能安全头盔系统中的操作程序设计

基于QT designer 虚拟融合技术，借助C++语言编写能与BDS 电脑端控制系统进行直接通信的数字化程序，一体化智能安全头盔电脑端软件登录界面如图7 所示.通过智能头盔采集的传感器监测数据可以完整地展示在电脑或者手机界面上.在用户端，传感器传输的数据可以实现对CO 浓度、温度、湿度、所处环境实际情况的实时监控，通过对CO 浓度的监测，以防有害气体渗漏造成操作人员中毒，并且能够对温度、湿度的异常状态进行预警分析，如图8 所示.

图7 系统登录界面

图8 系统主界面

5 结束语

本文设计了一种基于BDS 定位功能一体化智能安全头盔，实现对操作人员的轨迹追踪；基于BDS 通信功能，对工作环境进行了有害气体、温度及湿度的数据传输，通过服务器分析产生预警，从而保障操作人员的人身安全；基于BDS 远程数据传输功能，辅助操作人员对故障进行处理，结合大数据分析故障的成因.下一步的研究重点是提高定位精度，提升通信质量，结合人工智能与大数据，采用深度学习的方式进行优化和改进.