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(武漢大學 物理科學與技術學院，武漢 430072)

0 引言

經(jīng)濟新常態(tài)下，“以人為本，安全生產”的理念深入人心。各行各業(yè)不僅需要全面規(guī)范安全生產秩序，利用新的科技手段加強工作人員的安全設備也是十分必要的。特別是油氣管線、建筑施工、消防、煤礦開采等重點行業(yè)領域，及時獲得人員現(xiàn)場工作畫面與環(huán)境數(shù)據(jù)，是預防事故發(fā)生、保障人員安全的重要環(huán)節(jié)。但當前這些領域的安全信息化水平不高，如煤礦與地下管廊施工，通常采用有線監(jiān)控、人工巡檢、定點監(jiān)測等方式。作業(yè)人員無法及時了解周邊環(huán)境信息，監(jiān)管人員無法了解作業(yè)人員施工情況。這會對事故預防甚至后期救援帶來很大的麻煩。

為改善上述缺點，本文從人員必須使用的安全頭盔出發(fā)，設計了多場景智能頭盔監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)不同場景的網(wǎng)絡狀況，選擇合適的視頻數(shù)傳方式及監(jiān)測平臺，使得施工作業(yè)和監(jiān)管人員均能及時了解現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)與畫面。為預防事故發(fā)生，安全生產提供了很好的保障。

1 系統(tǒng)架構設計

從功能的角度看，整個系統(tǒng)由3個部分組成：環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端，無線視頻數(shù)傳單元，監(jiān)測平臺。環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端通過扣具集成在頭盔上，搭載溫濕度及氣體傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)。根據(jù)使用場景靈活選擇不同的數(shù)傳單元。監(jiān)測平臺分為PC端與移動端，負責環(huán)境數(shù)據(jù)、畫面的顯示與存儲。整體結構如圖1所示。

在無運營商網(wǎng)絡的局域網(wǎng)使用場景，如隧道、煤礦等?？纱罱o線Mesh網(wǎng)絡提供無線通信保障。智能頭盔上的OpenWrt路由模塊接入無線局域網(wǎng)，與采集終端進行串口通信獲得環(huán)境參數(shù)，并與頭盔上的USB攝像頭相連。同一局域網(wǎng)下的PC端監(jiān)測平臺訪問由主路由分配的相應子IP及端口，即可獲得頭盔上的傳感器數(shù)據(jù)與攝像頭傳來的畫面圖像。

在有運營商4G網(wǎng)絡的廣域網(wǎng)使用場景，如消防檢查、建筑施工等。將OpenWrt路由模塊換為安卓手機。由本系統(tǒng)自研的HelmetLive APP經(jīng)藍牙接收傳感器數(shù)據(jù)，手機攝像頭獲取工作畫面，經(jīng)由4G廣域網(wǎng)訪問云直播服務器，服務器對內容進行解析分發(fā)，環(huán)境參數(shù)同時存在數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)測時可在移動端或網(wǎng)頁端訪問相應播放地址，供實時查看現(xiàn)場畫面。

2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端設計與實現(xiàn)

2.1 采集終端總體結構

采集終端以STM32F103為控制核心，具有處理能力強大、功耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點，適用于復雜環(huán)境工作需要。其內部搭載2個12位的AD轉換器[1]。它有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源，其轉換速度最大可達到1 μs，可以實現(xiàn)對探多數(shù)據(jù)的采樣及轉換。傳感器方面，該終端搭載了DHT11溫濕度傳感器、MQ-4甲烷傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-135煙霧濃度傳感器；其它方面包括OLED顯示模塊與HC-05藍牙模塊。傳感器負責收集環(huán)境參數(shù)，顯示模塊為人員提供環(huán)境狀態(tài)，藍牙模塊負責在4 G廣域網(wǎng)場景下與手機的信息交互。在環(huán)境指標超限的情況下，還會進行聲光報警。終端收集到傳感器數(shù)據(jù)后，通過相關串口傳輸出去，為使用方便，所有串口通信參數(shù)通過固件函數(shù)均設置為波特率9 600，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗位。其總體結構與軟件流程如圖2所示。

圖2 采集終端結構及軟件流程圖

2.2 溫濕度檢測

溫濕度是許多監(jiān)測系統(tǒng)中需要獲取的重要參數(shù)，本文采用DHT11溫濕度傳感器，其中包含1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件。輸出的為已校準的數(shù)字信號，采用單總線數(shù)據(jù)格式，可直接與STM32的I/O相連，串口一共向外發(fā)送5位16 進制數(shù)據(jù)，分別為：溫度高8 位；溫度低8位；濕度高8 位；濕度低8位；校驗8位。其測量指標如下:濕度的測量范圍為20%～90%RH，精度為±5.0%RH；溫度的測量范圍為0～+50 ℃，精度為±1.0 ℃[2]。為減少干擾噪聲，每采集十組數(shù)據(jù)并取平均值。

2.3 甲烷檢測

甲烷是居民生活與工業(yè)領域中重要的能源和化工原料，也是煤礦坑道氣的主要成分。該氣體易燃易爆，對其進行迅速準確的探測，對安全生產與生活具有重要意義。本系統(tǒng)采用MQ-4、MQ-7、MQ-135分別檢測甲烷、一氧化碳、煙霧濃度，3種傳感器具有相似的原理與特點，本文著重介紹MQ-4的使用。

本系統(tǒng)采用MQ-4氣體傳感器檢測甲烷濃度，傳感器的氣敏材料為在空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器檢測到空氣中存在甲烷時，電導率隨甲烷濃度的增加而增大。在溫度-40～70 ℃，相對濕度低于95%的工作環(huán)境下，MQ-4能較好的測量甲烷濃度[3]。該傳感器能夠輸出TTL電平及模擬量兩種信號。甲烷濃度越高，模擬量輸出電壓越高，范圍為0～5 V。TTL輸出低電平時為有效信號。因此，將STM32的IO口與MQ4的輸出端相連，通過STM32內部的AD轉換器得到輸出的電壓值，利用MQ-4特性曲線計算出相應甲烷濃度值[4]。在使用時，通過模擬量輸入通道采集到的原始數(shù)據(jù)，可能混雜了一些干擾噪聲，為了提高采集的準確性和可靠性，需要對ADC 采樣的數(shù)據(jù)要進行濾波處理。下位機采用算數(shù)平均值濾波法，通過20次ADC的連續(xù)掃描采集，并求平均值，可得到校正后的采樣數(shù)據(jù)[5]。

2.4 OLED顯示與藍牙模塊

采集終端集成在安全頭盔上，模塊的選用需要功能與便攜并存。顯示模塊采用0.96寸的OLED顯示屏，OLED采用主動有機發(fā)光的原理，響應速度快，可視角度達到170度。該模塊為全固態(tài)結構，低溫特性好，能夠適應惡劣的工作環(huán)境。配合蜂鳴器，可以在終端顯示傳感器數(shù)據(jù)，并在超標情況下報警提示。藍牙模塊用于4 G廣域網(wǎng)場景，負責與安卓手機通訊。此設計選擇HC-05藍牙模塊，該模塊體積小、功耗低，廣泛的波特率范圍使其支持許多設備。使用時藍牙模塊與STM32控制單元進行全雙工通信，如果沒有與安卓手機適配，則不會對外發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 無線視頻數(shù)傳單元設計與實現(xiàn)

3.1 OpenWrt路由模塊

在無運營商網(wǎng)絡的局域網(wǎng)使用場景，如隧道與地下管廊、煤礦等?？纱罱o線Mesh網(wǎng)絡提供通信保障。無線Mesh技術是具有動態(tài)自我組配能力的新一代無線網(wǎng)絡結構，與傳統(tǒng)WIFI不同的是，在Mesh網(wǎng)絡中任意一個節(jié)點都能同時與其它多個節(jié)點直接通信，同時利用中間節(jié)點還可將不相連的路由器進行級聯(lián)[6]。

本系統(tǒng)采用OpenWrt路由模塊提供穩(wěn)定的WIFI傳輸，采用高通AR9331芯片，預留USB及USART串口，能自適應路由器等設備。該模塊預刷OpenWrt路由系統(tǒng)，OpenWrt是一個高度模塊化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強大的網(wǎng)絡組件與擴展性，用戶可以方便快速地定制一個具有特定功能的嵌入式系統(tǒng)來制作固件。為滿足功能需要，向路由模塊中編譯了mjpg-streamer、ser2net和kmod-video-core3個組件，它們的功能為：視頻服務器、串口轉網(wǎng)口、USB攝像頭驅動。其中Mijg-streamer是一款開源視頻服務器軟件，在基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡環(huán)境下，能夠利用M-JPEG技術對USB攝像頭的畫面進行逐幀壓縮，主要用于從單一輸入端獲取畫面并傳輸?shù)蕉鄠€輸出端[7]。

路由模塊上的串口需與STM32采集端通信，因此ser2net串口參數(shù)設置與STM32采集端相同。ser2net會將串口數(shù)據(jù)通過WIFI網(wǎng)口發(fā)送給監(jiān)測平臺。頭盔上的USB攝像頭和采集端的串口與路由模塊相連即可。由于需要接入主路由的無線局域網(wǎng)，因此在使用時需將Openwrt路由模塊設置為客戶端模式，此時路由模塊相當于一個無線網(wǎng)卡，主路由會分配不同的IP地址來區(qū)分不同的采集端。系統(tǒng)中傳輸?shù)闹饕袃煞N類型數(shù)據(jù)：視頻數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)。視頻流數(shù)據(jù)要求較高的實時性，少量數(shù)據(jù)的丟失不會造成較大影響，故采用UDP傳輸協(xié)議；串口數(shù)據(jù)發(fā)送的是采集端的傳感器數(shù)據(jù)，要求較高的準確性和可靠性，故采用TCP傳輸協(xié)議[8]。為了區(qū)分這兩種數(shù)據(jù)，在使用mjpg-streamer和ser2net時，還需要分別設置不同的端口。通過訪問同一IP下的相應端口，監(jiān)測平臺就可獲得畫面與串口數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 OpenWrt路由模塊傳輸示意圖

3.2 HelmetLive APP

在有運營商4G網(wǎng)絡的廣域網(wǎng)使用場景，如消防巡檢現(xiàn)場等。無線視頻數(shù)傳單元為廣泛普及的安卓手機，手機中搭載了HelmetLive APP，該APP基于Android Studio開發(fā)，集成了騰訊視頻云RTMP SDK與百度定位SDK。APP由推流與直播兩個主要的Activity構成。推流是通過輸出設備(如手機等)獲得視頻與音頻的采樣數(shù)據(jù)，并對其進行編碼壓縮，封裝成一定格式后上傳到服務器中。直播是根據(jù)相關協(xié)議類型向服務器請求并接受流信息，根據(jù)不同封裝格式進行解碼同步，將視頻與音頻呈現(xiàn)在觀眾面前。

推流采用RTMP發(fā)布協(xié)議，是為高層流媒體協(xié)議提供多路復用技術和打包服務的協(xié)議[9]。其主要特點是將視頻與音頻分割，以小數(shù)據(jù)包的形式進行傳輸。

推流Activity功能有：視頻推流，藍牙通訊，定位，Json數(shù)據(jù)上傳；直播Activity功能有：視頻播放、Json數(shù)據(jù)解析。

為了開發(fā)者使用方便，騰訊對該SDK進行了完善的封裝。通過相應API及插件即可完成視頻音頻推流，為適應不同的網(wǎng)絡狀況，提供了分辨率、采樣率等個性化選擇。

絕大多數(shù)安卓手機都內置了GPS傳感器，但該傳感器在使用時搜索衛(wèi)星信號時間長，在周圍建筑物復雜的情況下定位不準，使用體驗不夠好。因此為提供精準的定位功能，使用了百度地圖智能定位服務，該定位服務將手機中的GPS與運營商網(wǎng)絡結合在一起，能夠在1秒以內實現(xiàn)首次定位。依托百度位置大數(shù)據(jù)和高精尖定位技術，還可以進行快速有效的離線定位與室內定位。

使用時將安卓手機放置在頭盔側，打開HelmetLive APP。采集終端通過藍牙模塊將傳感器數(shù)據(jù)傳輸給手機，APP則可獲取畫面、環(huán)境參數(shù)、位置信息。在連接運營商4 G網(wǎng)絡的環(huán)境下，APP通過URL將視頻畫面推流至直播服務器，由直播服務器對內容進行分發(fā)；環(huán)境參數(shù)、位置信息由APP解析成Json字符串并上傳，存儲在云服務器數(shù)據(jù)庫中以供調取。其基本流程如圖4所示。

圖4 HelmetLive推流流程圖

3.3 云服務器與數(shù)據(jù)庫

為實現(xiàn)云直播與環(huán)境參數(shù)實時上傳與獲取的功能，需要部署成熟的流媒體服務器架構與數(shù)據(jù)庫，而在國內已有諸多互聯(lián)網(wǎng)公司提供相關接入服務。這里本系統(tǒng)采用了騰訊的云直播服務實現(xiàn)終端畫面的解析分發(fā)，該直播服務依托騰訊云技術平臺，為使用者提供穩(wěn)定快速的直播接入和分發(fā)服務，滿足高并發(fā)和超低延時的應用要求。

騰訊云直播支持推流和直播兩種功能，可以將正在推流畫面的用戶理解為一個頻道，它們只需在專門的管理控制臺注冊生成相應的推流與直播URL，將相應URL輸入到移動端APP即可。控制臺除了創(chuàng)建頻道，還提供查詢、修改、流量監(jiān)控等功能。騰訊云直播除了推流和直播兩大核心功能以外，還提供內容審核、丟失恢復以及CDN加速等優(yōu)化服務。

另外本系統(tǒng)在云端部署了Tomcat服務器，并在上面運行JavaWeb程序。在用戶上傳環(huán)境參數(shù)與坐標時，會解析上傳的Json字符串并存入數(shù)據(jù)庫。如果用戶請求獲取環(huán)境參數(shù)，會從數(shù)據(jù)庫中獲取參數(shù)并解析，然后發(fā)送給用戶。

4 監(jiān)測平臺設計與實現(xiàn)

4.1 PC端監(jiān)測平臺

PC端用于局域網(wǎng)監(jiān)測的使用場景，為用戶提供了良好的交互界面，負責環(huán)境數(shù)據(jù)的接收、存儲與曲線繪制，同時顯示OpenWrt路由模塊傳來的攝像頭畫面。

在Visual Studio2012的開發(fā)環(huán)境下，利用.NET Framework的Windows Forms模塊中的控件進行窗體程序開發(fā)，數(shù)據(jù)庫選用SQL Server2008版本。數(shù)據(jù)的顯示和接收如果采用單線程，容易造成軟件界面無法響應，所以采用多線程設計，使程序執(zhí)行效率更高、反應更快。線程功能方面：界面更新和操作響應由主線程負責；視頻顯示線程負責接收視頻流并顯示畫面；串口數(shù)據(jù)處理線程負責接收OpenWrt傳來的環(huán)境參數(shù)，并實時展示在用戶面前[8]。從主路由獲得OpenWrt路由模塊分配的子IP，輸入視頻與串口通信端口，由HttpWebRequest類獲得畫面幀并在PictureBox控件中顯示視頻流。由Socket類與路由模塊建立TCP通信，獲得環(huán)境參數(shù)，利用chart控件在窗體程序中實時繪制相應曲線，存入數(shù)據(jù)庫以供后續(xù)參考。其流程如圖5所示。

圖5 PC端監(jiān)測平臺流程圖

4.2 移動端監(jiān)測平臺

HelmetLive APP在Android Studio的開發(fā)環(huán)境下，利用安卓5.0版本開發(fā)。移動端監(jiān)測平臺用于廣域網(wǎng)的使用場景，整合在該應用的直播Activity中。

開發(fā)APP時，將騰訊云直播SDK導入到工程中。其中布局文件中TXCloudVideoView控件負責在兩個Activity中展示攝像頭拍攝的影像；TXLivePusher對象在推流Activity中負責完成推流工作，TXLivePushConfig決定推流時的參數(shù)配置，如分辨率、畫面幀；TXLivePlayer對象在直播Activity中實現(xiàn)直播播放功能；TXLivePlayConfig則可設置播放模式、視頻碼率。為了更好實現(xiàn)低延時、清晰的直播體驗，還可以通過設置監(jiān)聽控件來掌握網(wǎng)絡狀況、CPU占用率等信息。

直播采用FLV協(xié)議，只是在大塊的視頻幀和音視頻頭部加入一些標記頭信息，在延遲表現(xiàn)和大規(guī)模并發(fā)方面都有很好的表現(xiàn)。播放地址從云直播管理平臺獲得，APP輸入后，并訪問云直播服務器即可播放正在進行作業(yè)的人員現(xiàn)場畫面。其流程如圖6所示。

5 系統(tǒng)測試結果與分析

針對此監(jiān)測系統(tǒng)，對其采集端的靈敏度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性進行了測試。為簡單模擬井道管廊等密閉的工作場景，采集端利用密封的鋁箔采樣袋作為測量環(huán)境[10]。將傳感器部分放入袋內并封口，分批次向袋內注入一定體積的空氣及甲烷。溫度部分為操作方便，用吹風機對采樣袋緩加熱。

首先進行局域網(wǎng)場景測試，開啟采集端并與OpenWrt路由模塊連接。設備初始化完成后，登錄主路由中查看路由模塊分配的子IP與網(wǎng)絡狀態(tài)。這里將視頻監(jiān)控端口設為8080，數(shù)據(jù)傳輸端口設為2001，輸入至PC端監(jiān)測平臺打開即可。如圖7所示，可以看出路由模塊被分配的子IP為192.168.99.181。監(jiān)控視頻清晰流暢，其傳輸幀率與分辨率為25FPS，640*480。采集端串口數(shù)據(jù)也顯示在下方并可以看到相關傳感器的檢測曲線。

4G廣域網(wǎng)場景測試，將路由模塊換為安卓手機，同樣開啟采集端，藍牙匹配成功。開啟APP的推流界面并輸入URL，即完成視頻推流和數(shù)據(jù)上傳。移動端平臺用另外一臺安卓手機打開APP的播放界面并輸入播放URL便可收到畫面與環(huán)境參數(shù)，如圖8所示。從圖中可以看到推流Activity通過藍牙獲取到采集端數(shù)據(jù)，利用百度定位SDK獲得詳細的位置信息，推流幀數(shù)為19FPS。監(jiān)測直播Activity通過訪問后臺數(shù)據(jù)庫也可觀測到環(huán)境參數(shù)，播放幀數(shù)為14FPS，能夠很好地滿足用戶使用。如果網(wǎng)絡狀況好，畫面的幀數(shù)還能進一步提高。

圖7 PC端監(jiān)測界面圖

圖8 移動端推流與監(jiān)測界面圖

當然，本系統(tǒng)的設計上還有些許不足。比如，軟件界面設計上還能更易用直觀；將系統(tǒng)對外開放，以便其它開發(fā)者可以提出新的想法；進一步改善頭盔的集成度與舒適度等。

6 結束語

本文針對重點行業(yè)領域安全信息化不足的問題，設計了一種多場景智能頭盔監(jiān)測系統(tǒng)。著重介紹了系統(tǒng)的架構與方案，通過功能分層，闡述了采集終端、數(shù)傳單元、監(jiān)測平臺的設計與實現(xiàn)。采集終端以STM32為核心，集成在頭盔中提高了便攜性。環(huán)境參數(shù)與工作畫面根據(jù)使用場景的不同，通過OpenWrt路由模塊或安卓手機進行無線傳輸。監(jiān)測平臺也充分考慮了實用性，提供了PC端和移動端兩種方式。本系統(tǒng)操作簡單且界面友好，后期也有很好的擴展性，運行時易于人員維護及分析，降低了事故發(fā)生率。