基于树莓派的嵌入式智能安全帽设计与实现

马晓慧，刘新恺,2，马鑫磊，王平川，赵 康

（1.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023；2.中国广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“碳达峰、碳中和”的政策引领，全国风电装机容量规模将持续提升，随之而来的是风电开发与维护的安全监管问题日益突出。与传统电厂不同，当前新能源发电场站具有地理位置偏远、占地面积大、运维人员少、检修工序多等特点，针对风电机组的登高作业空间有限、第三方外包人员管理困难、紧急事故通信受限等问题，亟需对当前的安全生产监管方法进行优化与改进。

当前广泛应用于电力行业的安全帽仅具有被动防护的单一功能，在智能化及信息化方面还处于概念设计阶段。文献[2]提出适用于电力作业的可穿戴安全监护平台，对智能安全帽的硬件结构进行设计。文献[3]对智能化安全帽的设计指标及过程进行了系统且全面的阐述，并搭建了Android手机端管理软件平台。文献[4]以物联网为载体，增加人脸识别功能，使安全帽成为电力设备的感知端和通信端。文献[5]开发了适用于电网巡检的智能安全帽系统和与之配套的智能安全柜，并进行了效果验证。

结合风电场运行维护安全监管需求，提出基于树莓派的嵌入式智能安全帽设计，在不改变安全帽结构及防护功能的基础上，通过增加智能化元件及远程管理平台，实现实时定位、视频监控、实时通信、安全照明、后台管理等功能。监控系统可以监控现场工作人员的操作是否按照工作票规范执行。同时，在遇到重大故障时能迅速将故障信息反馈到中控室，实现远程指挥，提高时效性。另外，将安全帽与定位相结合，如果发生紧急情况，工作人员可通过定位系统快速到达现场。

1 系统总体设计

该系统总体设计包括系统硬件设计、系统环境设计、定位功能设计、监控功能设计、UI界面设计。将3B+树莓派、L76X GPS HAT定位芯片、摄像头、LED灯等元件集成嵌入在安全帽上，将树莓派作为控制系统，将Nginx模块作为直播服务器，在局域网下通过网络连接PC端，满足实时监控、实时定位、安全照明等功能需求。

系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计

2 系统硬件设计

2.1 树莓派

树莓派3B+硬件参数：型号为博通BCM2837B0 SoC，集 成 四 核 ARM Cortex-A53（ARMv8）64位 @ 1.4 GHz CPU。主要接口：HDMI、以太网、4×USB 2.0、3.5 mm模拟音频视频插孔、MicroSD插槽。其他接口：DSI显示屏、40 pin，CSI相机接口、扩展双排插针（PoE）接口。有线网络：千兆以太网（USB 2.0通道，最大吞吐量300 Mb/s）。无线网络 ：2.4 GHz和5 GHz双频WiFi，支持802.11b/g/n/ac。内存 ：1 GB LPDDR2 SDRAM。蓝牙：蓝牙4.2&低功耗蓝牙（BLE）。存储：Micro-SD。供电接口/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（全球导航卫星系统）功能，支持GPS，BD2和QZSS等定位系统。

硬件参数：接收信道包括33个跟踪信道，99个捕获信道和210个PRN信道。接收信号为GPS，BD2和QZSS。信号频段为 GPS L1（1 575.42 MHz），BD2 B1（1 561.098 MHz）C/A Code。捕获时间：冷启动时10 s（最快）；热启动：1 s。捕获灵敏度为-148 dBm，跟踪灵敏度为-163 dBm，重捕捕获灵敏度为-160 dBm，定位精度小于2.5 mCEP，串口通信波特率范围为4 800～115 200（默认9 600）。

2.3 摄像头

采用树莓派标准版摄像头（Raspberry Pi Camera v2），具体参数：8百万像素，系统支持新版本Raspbian，拥有专门的CSI接口及Sony IMX219PQCMOS图像传感器，尺寸为25 mm×23 mm×9 mm。

2.4 其他硬件

安全帽采用符合国标质检要求的标准安全帽，LED采用直流驱动，电压范围为1.5～3.5 V，电流为15～18 mA，采用有线式耳机。

3 系统软件设计

软件系统的设计主要分为系统环境设计、定位系统软件设计、监控系统软件设计、UI界面设计。

3.1 系统环境设计

系统环境设计主要分为树莓派烧录和配置、安装Python3 PyQt5库文件、导入OpenCV环境进行搭建，为后期调用摄像头和设置UI界面做准备。系统环境搭建流程如图2所示。

图2 系统环境搭建流程

3.2 定位系统软件设计

定位系统软件设计通过L76X GPS HAT芯片获取当前位置，得到经纬度坐标，并经过百度地图修正后将经纬度坐标储存在gsp.json文件中。接着，由PC端利用HTTP实时获取树莓派位置并显示在地图中。软件设计流程如图3所示。

图3 定位系统设计流程

具体操作步骤如下：

（1）开启UART接口。首先打开树莓派终端，输入sudo raspi-config进入配置页面，选择Interface Options-serial，点击关闭shell访问，打开硬件串口，在终端中输入sudo reboot，重启树莓派。

（2）安装相关函数库。打开树莓派终端，依次安装BCM2835、wiring pi、Python函数库。

（3）打开minicom助手调试。打开树莓派终端，输入sudo apt-get install minicom 指令， 获取 GPS 坐标，“y”代表纬度约为42.96，“x”代表经度约为90.09，与百度地图标准经纬度比较后保存在gsp.json文件中，借助index.html即可在百度地图中显示当前位置。

3.3 监控系统软件设计

监控系统的设计主要包括两部分，即通过PC端的UI界面观看监控与将PC端的声音传输至树莓派端。

首先在树莓派端搭建基于Nginx模块的直播服务器，通过FFmpeg采集视频并使用H.264/AAC压缩后通过RTMP协议推流到直播服务器，然后在PC端通过PyQt5模块从直播服务拉流，借助OpenCV获取图片，并在IU界面显示，完成监控。PC端的声音传输过程按上述相反操作即可实现，监控系统设计流程如图4所示。

图4 监控系统设计流程

3.3.1 基于Nginx模块的直播服务搭建

Nginx模块是实现远程监控的服务器平台，直播原理：由树莓派端通过摄像头采集视频数据，经过转码等操作，基于RTMP协议发送到Nginx服务端，服务端接收到数据后保存到本地，PC端基于RTMP协议访问该服务端数据，经解码等操作后方可显示。

3.3.2 安装FFmpeg并推流至服务器

FFmpeg的名称来自MPEG视频编码标准，“FF”代表“Fast Forward”，FFmpeg是一套可以用来记录、转换数字音频、视频，并能将其转化为流的开源计算机程序，可以轻易实现多种视频格式的转换。

具体操作步骤：输入wget http：//ffmpeg.org/releases/ffmpeg-3.0.9.tar.bz2，安装FFmpeg，并通过DSHOW采集扬声器数据以及摄像头数据，使用H.264/AAC压缩后推送到RTMP服务器。

3.3.3 使用Python拉流获得监控图像

使用Python从Nginx直播服务器中拉流，但此时导出的并非视频，因此需要解析视频流格式，然后将视频流格式转变为图片格式显示。一帧即一张图片，可通过OpenCV库获取，并快速显示在界面上。此时，就可以在监控界面看到摄像头拍摄的图像。

3.4 UI界面设计

UI界面设计：在Python中利用PyQt5库中的函数进行设计，其中包括页面设计、按键设计、开关设计等。UI界面设计流程如图5所示。

图5 UI界面设计流程

通过setWindowTitle（实时定位监控系统）语句编写UI界面的标题，通过QPushButton语句进行菜单布局。self.openGpsBtn = QPushButton（关闭定位）、self.openCamBtn =QPushButton（关闭监控）、self.openMicBtn = QPushButton（关闭麦克风）语句分别是关闭定位、关闭监控、关闭麦克风。通过self.gpsView.setFixedSize、self.camView.setFixedSize语句确定定位和监控屏幕尺寸。

UI操作界面设计如图6所示。

图6 UI操作界面设计

4 系统搭建与测试

4.1 安全帽实物搭建

将LED灯、定位天线、扩展板、锂电池、摄像头、耳机集成安装在安全帽上，粘贴布线简洁、美观、牢固。将定位天线的接收端放在安全帽外部顶端，将树莓派固定在安全帽内部顶端一侧，将锂电池固定在安全帽顶端的另一侧。锂电池通过USB线与树莓派相连，为树莓派供电。树莓派通过CSI接口与摄像头相连。摄像头处于安全帽前端的小孔处，用双面胶固定。耳机通过树莓派上的A/V插孔相连，从侧面小孔接出，搭建效果如图7所示。

图7 搭建效果

4.2 定位功能测试

定位功能可以实时检测安全帽的位置，经过对比，将安全帽放到屋外，可实时在地图中显示当前位置，当将安全帽放在屋内，至少需要2 min才能完成定位并在地图中显示，说明屋内、屋外环境对于定位功能的影响较大。

定位地图如图8所示。

图8 实时定位地图

4.3 监控功能测试

经过测试，画面的延迟约为2 s。点击“关闭监控”后，晃动安全帽时监控图像无变化。当点击“打开麦克风”后，程序可以调用电脑上的麦克风，这时对着电脑讲话，可以通过耳机听到。

摄像头监控画面如图9所示。

图9 摄像头监控画面

4.4 照明功能测试

通过安全帽一侧开关控制LED灯的开关，如图10所示。

图10 LED灯的测试

5 结 语

本文从风电场安全监管技术维护的角度出发，提出并设计了一种基于树莓派的嵌入式智能安全帽。此系统能实现定位、监控、通信、照明等功能，通过对安全帽进行测试，证明其效果较好。智能安全帽将是新能源发电行业面向信息化、智能化、物联网化发展的必要设备之一，能对风电场风机巡检、设备检修、外包人员作业进行实时有效的安全监察，后期还需在减轻负载、增设功能、提高供电效率等方面不断优化。