孙振豪 许一虎

摘  要：安全帽是针对头部的个体防护设备，可以应用于许多工作场合。常规的安全帽只能通过减震以及材料优化起到对头部的保护作用。但由于工作场合的多样性、工种的多样性以及工作人员的疏忽，常规的安全帽做不到对工人万全的保护，因此工伤事故屡屡发生。鉴于此，设计了一种多用途，多场合适用的智能安全帽，能对工作场合的多种不安全行为发出预警并做出反应，利用自带的定位系统实现人员的动态监管，利用蓝牙设备实现通信功能，对于保障工人的生命安全及提高工作效率具有重要意义。

关键词：智能安全帽;动态监管;Arduino

中图分類号：TP277                    文献标志码：A

0 前言

目前，多数的工作在施工作业时劳动力密集、工种繁杂、人员流动性大、施工现场环境恶劣、技术复杂而且通常伴有较长的施工周期和杂重的工作，容易造成事故的发生。同时，工作人员的疏忽与缺少佩戴齐全防护装备的意识也是造成工伤的重要因素。

“AFM-1型防尘安全帽”一文中研制了面向煤矿工人的防尘安全帽，设计配置了净化供风系统，使安全帽能够做到精华过滤空气，但该设计只考虑到煤矿作业时的粉尘危害，在实际应用时具有局限性;“安全帽远距离蓝牙双工通信的应用”一文中研制的可进行远距离蓝牙双工通信的安全帽为安全帽提供了蓝牙设备，使安全帽具备了通信功能，但复杂的工作环境让通信的稳定性成了一个难题;“一种新型电力智能安全帽”一文中附加了通信、定位、人脸识别以及视频采集功能的安全帽虽然功能繁多，但其数据传输技术仍有缺陷，成本较高，也缺少向施工人员提供多样的安全保障的功能，同样不具备普遍适用性。该文针对复杂的施工作业场合拓展优化了传统的施工安全帽，除了常规的头部防护及减震功能外，基于物联网 + 硬件手段，使安全帽成为多维的感知端，装配了分组通信、施工定位、人员异常工作状态报警等功能模块，通过后台管理服务器形成监控、安全双维度的全程动态体系，以产品较低的附加成本为工人提供更全面的协助与保障。安全帽系统组成如图1所示。

通用施工智能安全帽的系统由常规的安全帽、SoC数据处理终端、后台服务器以及外部硬件装置组成。通用施工智能安全帽装配了驻极体麦克风、护目镜、照明灯、数据传输线、ADXL345加速度传感器、卫星定位模块、射频发射器、光敏开关、可充电锂电池、存储模块和震动传感器，数据处理终端Arduino配置了基于蜂窝网络的NB-IoT、4G模块，安全帽上的硬件设备与SoC数据处理终端通过布线连接，能保证数据传输的稳定性，SoC数据处理终端与后台服务器通过NB-IoT技术实现连接通信。硬件设计框图如图2所示。

2 功能设计

通用施工智能安全帽的数据处理终端选用低成本的Arduino系列的微型主板，软件选用配套的Arduino IDE，烧录的程序主要包括传感器的触发、设备启动、数据的传输等功能代码。

数据处理终端作为安全帽传感器以及后台服务器的中转，编写了数据转发程序。麦克风将接收的声音信号进行模数转换，进而触发面部防护;软件将GPS定位数据实时编译并发送到后台服务器;同时，软件中也基于ADXL345加速度传感器编写了监测异常运动状态的报警模块;后台服务器的配备了实现基本语音通信、人员监控管理、设备监控的模块，实现对现场工作人员的人员动态监控与调配以及人员异常工作状态报警。

安全帽主要分为保护模块、定位模块、通信模块、摔倒检测模块和照明模块5个功能模块。

2.1 保护模块

安全帽采用外置驻极体麦克风MAX4466作为感知端口，信号单通道输入，数字音频编码标准由标准化组ITU-T制定，项目选用应用最多的是ADPCM、G.711A、G.711U编码方式，这3种方式混用，兼具方便计算机处理、低空间消耗、声音高质量等优点。

该设备能检测工作现场大型设备的工作声音。在自动工作模式下，当接收到的声源信号持续一定时间时，将触发安全帽自带的护目镜/面罩;手动模式下，如果接收到满足触发条件的声源信号且护目镜/面罩没有就位，内置的震动传感器会向使用者发出震动警报，直到面部保护设备就位，警报停止。

该模块的灵活使用为工作者减少工作时不安全因素的威胁，将会有效降低由于工作人员安全意识不足以及安全设备佩戴不规范导致的事故发生率。保护模块的功能如图3所示。

2.2 定位模块

安全帽采用内置AT6558多模卫星导航接收机SoC单芯片，其支持多种卫星导航系统，可以同时接收6个卫星导航系统的GNSS信号，在功耗、尺寸、精度、灵敏度等性能方面均属顶级水平。

定位信号的发送利用具有低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势的NB-IoT 技术进行数据传输，由于NB-IoT技术使用License频段，采取带内、保护带或独立载波3种部署方式，可与4G网络共存，更可靠地实现设备互联。

该模块的使用将获取准确的人员位置信息，并通过运营商信道传输定位数据至工地后台服务器，并以标准数据的形式存在数据库中。定位模块的功能如图4所示。

模块的灵活使用将会有以下效果：

（1）设备信息管理：设备信息栏可以显示当前管理平台下的所有设备信息包括设备编号、设备名称、工作区域、通信线路、设备备注信息等。

（2）设备监控：定位信息可在后台服务器及其连接的移动终端上进行显示，可追踪设备位置、提示设备电量状态、同步获取设备移动方位和移动轨迹等。

（3）人数统计：可以用来统计在一个特定工作区域内的施工人数有多少，方便进行工作分配及规划，规范工作人员的工作行为，同时能做到监控人员出勤，提高企业人员管理效率。