一种安全帽通讯装置设计与应用

徐龙彬 李金蹊 张 越

（广东电网有限责任公司佛山供电局）

0 引言

长期以来，安全防护始终都是电力系统日常工作中的关键一环。为降低检修、巡视等期间出现意外伤害的可能性，相关人员应结合所处的工作环境特点按要求戴好个人防护设备（PPE），不论在哪种工况下，工作人员都必须佩戴好安全帽，以确保个人的人身安全。有关研究结果显示，戴好防护设备能有效降低37%的职业伤害，可以在做好物理防护的同时提高个人的安全感。

通过使用传统安全帽，可以有效防止坠落的物件伤害头部。但是，现阶段在佩戴安全帽、设计安全帽时仅仅只关注安全帽的安全防护功能，却不注重安全帽的即时通信功能。在实践过程中，工作人员之间进行交流与互动时，若仅通过对讲机或者人声进行消息传送，便会影响沟通效率以及信息传递的时效性。同时，使用手持对讲机会为施工埋下较大的安全隐患，存在坠落的可能性。为进一步提高工作效率以及消息传达与交流的及时性，此次研究中设计了一种能实现及时通信的安全帽［1-2］，通过使用此安全帽可以使相关决策者能够更系统地获悉实际现场状况，提升现场施工人员以及管理者的沟通与交流的效率，实现现场高效联动，便于管理决策。

1 安全帽通讯装置的组成和原理

安全帽是保证安全前提的条件下增加了通讯装置，安全帽的材料采用玻璃纤维增强塑料。这种材料纤维强度比较高，耐热性和电绝缘性能更加优良，同时具有优良的耐酸和耐水性、阻燃、变形小等各种优良的特点。安全帽本体主要由帽壳、帽衬、下颚带组成。安全帽顶部有加强凸起筋，可以增强安全帽的抗冲击能力，防止施工人员受到伤害。

安全帽的通讯装置采取的是一种双向移动通信工具，与对讲机的原理类似，不需要任何网络支持就可以短距离无线通话，不会产生任何费用，可以很方便地实现一对一和一对多的通话，适用于施工现场频繁通话的场合。

安全帽通讯装置结构图如图1所示，安全帽效果图如图2所示。

图1 安全帽结构图

图2 安全帽效果图

通讯装置安装在安全帽结构图中位置1处。当施工人员戴上这种安全帽既能保证安全工作，还能及时互通信息，以此确保各方面工作安全、协同进行，更加高效有序地开展工作。

2 安全帽通讯装置设计的主要原理

当涉及到通信技术和电路原理时，确实会有很多专业术语和复杂的描述。以下是对一些部分进行的简化解释：

（1）发射部分

发射部分使用锁相环和压控振荡器来产生射频载波信号。经过缓冲放大、激励放大和功放等处理，产生所需的射频功率。然后通过天线低通滤波器去除谐波成分，并通过天线发射出去。

（2）接收部分

接收部分使用二次变频超外差方式。从天线输入的信号经过收发转换电路和带通滤波器进行射频放大。然后经过带通滤波器进入混频器，与来自锁相环频率合成器电路的信号混频并生成中频信号。经过滤波后，中频信号进入中频处理芯片，再次与另一个本振信号混频生成第二中频信号。最终通过放大和鉴频，产生音频信号。音频信号经过放大、滤波、去加重等处理后，驱动扬声器输出所需的信息。

（3）调制信号及调制电路

人的话音通过麦克风转换成音频电信号。音频信号经过放大、预加重和带通滤波器进入压控振荡器进行调制。

（4）信令处理

在信令处理方面，CPU产生CTCSS／DTCSS信号，并经过放大调整后进入压控振荡器进行调制。接收到的低频信号经过放大和亚音频的带通滤波器处理后，与预设值进行比较。根据比较结果，控制音频功放和扬声器的输出。如果与预置值相同，则打开扬声器。

3 安全帽通讯装置各部分设计及功能

安全帽本体［3-4］的构成要素包括帽衬、帽壳、下颚带，其顶部设置了加强凸起筋，能使安全帽的抗冲击性能得到强化，避免电力工作人员的人身遭遇到伤害。而安装在安全帽本体上的LED照明灯能在夜间照明的情形下使用，电量显示灯是由4个LED灯珠构成的，具有呈现锂电池的电量余量情况的功能，LEF灯珠有三种颜色，蓝色代表的是电量充裕，红色代表的是缺电，黄色代表的是警示。依靠呈现LED灯珠的数目与颜色，能让相关工作人员了解到电量的实际情况，实用价值强。同时，设计中间的两个操作按键，使之形似六棱柱，以便于电力工作人员能靠手的感知就可判定操作按键的具体位置。而短距离无线通信装置的组成要素包括防滑垫、安装座、导向孔、滑移手柄、天线本体、收整筒体、滑块、定向滑槽，在这当中天线本体是一种以弹性材料为原材料打造出来的螺旋形结构，其借助定向滑槽中的滑块与安装座提高位置的紧固性。滑块上设置了滑移手柄，在信号较差的情况下，电力施工人员可对滑移手柄进行操作，从而伸出天线本体，提高信号的强度。再者，将防滑垫安装在滑块和导向孔之间，导向孔和防滑垫之间预留了0.3～0.5mm的过盈量。这样的话，即便是伸出了天线，防滑垫能保证在定向滑槽中滑块的位置比较固定，不会出现任意滑动的情况，有效提高了天线本体的稳定性。

电路板的构成模块有微处理器、通讯模块、充放电控制器，在这当中通讯模块连接着外部的无线网络，依靠耳机以及麦克风进行网络通话，使现场工作人员和后台管理人员能够在任意时间进行语音通话。同时，通讯模块具有对扬声器与受话器进行管控的功能，使后台管理员与电力工人能够在任意时间进行对讲，可以比较方便地向现场作业人员及时传达任务与要求。充放电控制器主要负责将电量供应给系统，确保装置始终处于正常运行的状态。智能控制系统则负责把安全帽反馈并收集到的信息进行可视化处理，若电力工作人员的操作不合乎相关要求，那么通信系统会与工人沟通交流，并给出相应的警示。

4 与现有技术的比较

对比分析现有的安全帽与此次研究中设计的带有通讯装置安全帽［5］之后，笔者发现，后者的优势主要体现在以下几点：

第一，此安全帽内设置了天线，能有效提高信号的强度，即便电力工作人员将其应用到信号较差的偏远地带，也可以保证安全帽能够正常运行。

第二，比普通安全帽增设了一个短距离无线通信装置，从技术原理上看其和对讲机原理差不多，在施工现场施工人员依旧可以及时沟通信息，以防出现安全隐患，同时又可以有效确保电力工人的人身安全，使设备运行始终处于正常状态下。

第三，把无线通信技术和普通的安全帽密切结合起来，使用无线通信技术无需支付额外通话费用，实用性强，经济实惠，可大幅度缩减生产此安全帽的费用。此外，具有抗干扰的作用，从电网作业通讯上看，比市面的蓝牙、对讲机通信原理、手机信号以及wifi的表现都更为突出。

传统的安全帽不支持施工人员进行及时通信，仅仅可以为施工人员的人身安全提供一定的保护，从某种意义上讲这难免会影响到工程进度。安全帽通讯装置在传统的安全帽的基础上设置了一个短距离通信装置，可以弥补施工人员传达信息不及时的缺陷。此次设计中使用的无线通信技术不仅仅可以支持系统呼叫、组呼通播、机密呼叫等，还具有实用经济、无需支付通话费用、即时沟通、使用便捷、经营费用少等优势。此外，从对紧急突发事件的处理上看，其在调度指挥上所起到的作用是其他通信工具远远无法比及的。

5 结束语

目前，电力行业一直存在对施工人员不能及时通信、人员伤亡事故频发的难题。为了解决这一难题，本文基于移无线通信技术以及人体工程学原理，对普通安全帽进行二次开发，设计了一种安全帽通讯装置。安全帽通讯装置不仅能满足电力行业对施工人员及时通讯的需求，其同样具备佩戴舒适、轻便耐用、抗击打能力强的特点，在电力行业具有较好的应用前景。