基于ARM9的远程协助式智能安全帽

卢培纯，刘君豪，吴育瑛，王春豪，王嘉鑫

（韶关学院 信息工程学院，广东 韶关 512023）

0 引 言

为提高工地巡查和监督管理的智能化水平，本文设计采用ARM芯片作为远程协助式智能安全帽系统的控制芯片，Qt5.7E作为操作系统的设计思想，给出远程协助式智能安全帽系统的软硬件解决方案。此设计以FFmpeg视频播放器解析技术为基础，由Java后端、嵌入式终端、手机APP组成，结合传感器模块对数据进行采集和存储，效率极高。基于ARM9的远程协助式产品被广泛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。

1 系统硬件设计

1.1 开发板硬件介绍

本系统选用韩国三星电子出品的基于ARM Cortex-A9架构的主频为1.4 GHz的四核处理器，其开发板集成了包括存储器接口、以太网接口，A/D JTAG等在内的丰富的硬件资源，另外具有CAN总线、WiFi等拓展模块，大大简化了外围设备与微处理器的硬件连接结构，保障了系统的稳定性与可靠性。硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构

1.2 系统驱动介绍

驱动程序是通过程序控制硬件实现某种功能的代码。硬件与软件之间连接的中间件是寄存器，开发者可以通过阅读芯片的数据手册，操作相关寄存器来控制硬件工作。对于ARM处理器，开发商会提供API函数库给驱动开发者使用。而开发者可直接调用封装好的API函数来完成对芯片的操作。同时面对不同场景以及不同需求，开发者可按意愿自行修改驱动代码。此流程可大大缩短开发周期，降低开发难度。

在本系统中，使用的传感器有DHT11数字温湿度传感器、FSR402薄型电压力传感器及MQ-7气体传感器。若要读取这些传感器数据，可开发对应的字符型驱动并制作成驱动模块装入系统后获取数据。

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它拥有专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品的可靠性与卓越的长期稳定性。FSR402压力传感器将施加在FSR传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。MQ-7气体传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。FSR402压力传感器和MQ-7气体传感器均使用ADC模块处理数据。开发时可结合地址映射原理，参考开发板ADC的API函数和芯片数据手册。

传感器驱动程序的编写流程如下：

（1）用函数定向设置其连接接口位；

（2）根据通信时序图，编写唤醒函数；

（3）获取指定接口的数值。

2 系统软件设计

2.1 嵌入式操作系统的选择和移植

本系统采用Qt5.7E作为操作系统，具体移植方法如下：

（1）在虚拟机环境下安装交叉编译工具；

（2）利用共享文件夹或其他方式将内核移植文件移植到虚拟机；

（3）编译内核镜像；

（4）利用串口助手一键烧写内核到开发板。

2.2 应用软件设计

2.2.1 安卓APP开发

APP将当前安卓开发技术与工地管理工作结合起来，极大地便利了员工工作时对周围环境数据的探测以及管理部门跟进员工个人工作情况。

手机端具有如下功能：

（1）戴帽压力检测。压力传感器适用于检测使用者是否佩戴帽子。

（2）温湿度监测。通过温湿度传感器对工地环境的温湿度进行实时监测。

（3）专家远程协助。工作者可以通过移动设备与工程专家进行远程视频会议，实现专家不在现场也能实时指导工作者的目的。

2.2.2 服务器端和客户端软件设计

本系统采用客户端-服务器模型。服务器端与客户端通信采用TCP连接，具体流程：Qt端（安全帽端）可发送拍摄的视频文件到Java后端，Java后端将数据存入MySQL。

文件的保存方式：将文件名、文件路径等信息存储在MySQL中，需要时根据文件名即可找出文件。

服务器端和客户端流程如图2所示。

图2 服务器端和客户端流程

Java后端也可通过Http请求下载网络上的文件或从数据库取出文件发送给Qt端。

后端采用TCP连接来减少文件传输过程中数据丢失或缺失的情况。同时为提高不同数据库连接的兼容性，系统采用JDBC连接方式调用本地JDBC-数据库驱动与MySQL数据库管理系统建立连接。JDBC驱动图例如图3所示。

图3 JDBC驱动图例

2.2.3 视频播放器开发

视频是利用余晖效应（在一段短暂的时间内，通过光信号导入人大脑神经的视觉形象并不会立即消失，而会暂时存留）在一定的时间间隔内播放了许多图片，让人眼产生图片上的事物在变化的错觉。假设无损耗地传输视频，那么这个数据量极其庞大，对于现有技术而言无法实现。因此H.264视频压缩时需在发送端删除重复信息，之后在接收端恢复。封装协议流程如图4所示。

图4 封装协议流程

H.264是高压缩、高质量和支持多种网络流媒体的编码标准。其编码的理论依据：在极小的时间间隔内，令每幅图片的像素、亮度、色差度的变化分别控制在10%、2%和1%，在处理时首先编码出一个完整的图片帧，接下来，在该范围内的图片帧均只采取不完全编码方式—只需编码与上一图片帧的差别帧。如此循环的过程称为序列。当超出该范围时，即相邻图片差异变化较大，那么上一序列结束，开始新的序列。H.264分层结构如图5所示。

图5 H.264分层结构

视频存放格式主要是针对YUV格式。其中Y表示亮度，而U、V表示颜色。YUV有一套专门针对视频的高效压缩算法，在保证播放效果的同时将视频压缩到更小。

本系统先将采集好的视频经YUV压缩算法处理后存储于FFmpeg中。需要读取视频时，将压缩后的视频通过软解码或者硬解码的方式解码，从而实现视频的正常播放。RGB和YUV转换公式如图6所示。

图6 RGB和YUV转换公式

3 结 语

本文设计了一种远程协助式智能安全帽系统，并对该系统的功能阐述、结构分析、软硬件等进行了介绍。智能安全帽不仅可以保障工地工人的安全，还集巡查和监督管理功能于一体，为工业管理带来便利，极大地降低了企业成本。该方案经推广还可应用于建筑、采矿等行业。