余子龍，沈 亮，李佳鵬，黃富楊，謝京達(dá)，謝 慧，吳有龍

（金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)并且獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與目前的全球定位系統(tǒng)GPS、GLONASS和Galileo相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的性能符合設(shè)計(jì)要求，信號(hào)強(qiáng)度和定位精度優(yōu)于其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供高精度定位、精準(zhǔn)授時(shí)和導(dǎo)航服務(wù)，但是隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，可以和移動(dòng)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，衍生了“北斗+”服務(wù)[1-3]。基于北斗技術(shù)的產(chǎn)品被廣泛的應(yīng)用到生活和工業(yè)等領(lǐng)域，智能安全帽就是技術(shù)革新以及生產(chǎn)需求不斷提高的智能化產(chǎn)物[4-7]。

目前，工業(yè)制造正朝著智能化、創(chuàng)新化的方向發(fā)展。近年來(lái)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了眾多的智能可穿戴設(shè)備，比如Google公司研發(fā)的智能眼鏡，但是對(duì)智能安全帽的研發(fā)、投入市場(chǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有深度開(kāi)展[8]。普通的安全帽僅僅是一個(gè)防護(hù)的穿戴產(chǎn)品，可以保護(hù)人的頭部，以免被重物砸擊頭部，但是它達(dá)不到目前高新科技下的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的要求。工業(yè)生產(chǎn)追求的是生產(chǎn)安全、高效以及低成本，這也促進(jìn)了對(duì)智能安全帽的廣泛應(yīng)用[9]。智能安全帽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以北斗定位技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)人員位置進(jìn)行定位，由嵌入式硬件終端、網(wǎng)頁(yè)界面監(jiān)控或手機(jī)APP組成。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于北斗的智能安全帽系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

硬件部分：以STM32F103微處理器為核心的野火STM32開(kāi)發(fā)板，主要功能是采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，并由路由轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器；

軟件部分：服務(wù)器搭建是基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)人員可以獲取證書(shū)信息并燒錄到設(shè)備中，用于設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，服務(wù)器端對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并且可以將解析后的數(shù)據(jù)分發(fā)給訂閱該主題的各個(gè)用戶(hù)。管理員可以在后臺(tái)服務(wù)器顯示工作人員周?chē)臏貪穸葦?shù)據(jù)、工作地點(diǎn)和生命體征。與此同時(shí)后臺(tái)的服務(wù)器在監(jiān)測(cè)到人員生命體征出現(xiàn)危險(xiǎn)或周?chē)h(huán)境溫度過(guò)高等情況，可以將數(shù)據(jù)經(jīng)原來(lái)的路徑返回，將要執(zhí)行的指令消息發(fā)送給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備端的智能控制。

2 功能闡述

管理人員可以通過(guò)訪問(wèn)智能安全帽的頁(yè)面，在網(wǎng)頁(yè)上可以實(shí)時(shí)顯示工作人員的周?chē)鷾貪穸刃畔⒁约肮ぷ魅藛T的心率信息，如圖2所示；同時(shí)在地圖上顯示工作人員的位置信息如圖3所示。當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度大于45 ℃以上和人員心率不穩(wěn)定時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。這時(shí)工作人員可以及時(shí)處理，以免發(fā)生安全問(wèn)題。

圖2 工作人員周?chē)鷾囟刃畔?/p>

圖3 工作人員位置信息

3 相關(guān)技術(shù)

3.1 單片機(jī)技術(shù)

單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種將中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O接口電路等器件集成在一起的電路芯片，由這些元器件共同構(gòu)成了一個(gè)最小計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使其具備邏輯運(yùn)算能力，位處理能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。該智能安全帽系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是ARM公司生產(chǎn)的STM32F10x系列的芯片，通過(guò)芯片對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制，與外設(shè)I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)數(shù)據(jù)的運(yùn)算再轉(zhuǎn)發(fā)。STM32F103VET6開(kāi)發(fā)板實(shí)物如圖4所示。

圖4 STM32F103VET6開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)一般是指物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合。通常物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)會(huì)被分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從一臺(tái)終端傳送到另一臺(tái)終端。目前在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域運(yùn)用較多的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要有兩類(lèi)：短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。該智能安全帽系統(tǒng)設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)的傳輸環(huán)節(jié)采用的是4G模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端上傳和數(shù)據(jù)的下發(fā)。

3.3 衛(wèi)星定位技術(shù)

衛(wèi)星定位技術(shù)是一種通過(guò)衛(wèi)星來(lái)確定物體精確位置的技術(shù)，該智能安全帽系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用北斗定位系統(tǒng)輔以GPS定位系統(tǒng)提高精度。北斗/GPS雙模定位模塊引入中科微電子公司ATGM332D-5N-31模塊，通過(guò)串行口將定位信息傳送到單片機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)。低功耗、高靈敏度讓其能用于本設(shè)計(jì)上，實(shí)現(xiàn)定位功能。該模塊具有三維位置定位（經(jīng)緯度、高度）、測(cè)速和授時(shí)的功能，位置定位精度在2.5 m以?xún)?nèi)。定位模塊和開(kāi)發(fā)板連線(xiàn)實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 定位模塊和開(kāi)發(fā)板連線(xiàn)實(shí)物圖

3.4 MQTT協(xié)議

MQTT協(xié)議是一種通信協(xié)議，客戶(hù)端使用它連接服務(wù)端，并且MQTT提供有序的、可靠的、雙向字節(jié)流傳輸。阿里云、機(jī)智云、OneNET等物聯(lián)網(wǎng)組件都支持MQTT協(xié)議。MQTT協(xié)議的主要特點(diǎn)有：

（1）MQTT協(xié)議是一種輕量級(jí)的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)比較小，無(wú)需太多的額外數(shù)據(jù)文本。

（2）MQTT協(xié)議是基于TCP/IP協(xié)議的，當(dāng)建立TCP連接后，云下設(shè)備和云平臺(tái)按照MQTT協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式來(lái)通信。

（3）MQTT協(xié)議是基于客戶(hù)端-服務(wù)端模式，云下設(shè)備作為客戶(hù)端，云平臺(tái)作為服務(wù)端。

（4）基于消息發(fā)布-消息訂閱模式，在此模式下，解耦了消息發(fā)布者和訂閱消息者之間的關(guān)系，意味著發(fā)布者和訂閱者之間并不需要直接建立聯(lián)系。

MQTT協(xié)議發(fā)布-訂閱模式如圖6所示。

圖6 MQTT協(xié)議發(fā)布-訂閱模式

3.5 服務(wù)器平臺(tái)

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下可建立屬于自己的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品云端服務(wù)。首先創(chuàng)建產(chǎn)品與設(shè)備，開(kāi)發(fā)人員可以獲得設(shè)備的證書(shū)信息（ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）。該證書(shū)信息將燒錄到設(shè)備上，用于設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)時(shí)，進(jìn)行身份認(rèn)證。下一步為產(chǎn)品定義物模型，可以從屬性、服務(wù)和事件三個(gè)維度定義產(chǎn)品功能，根據(jù)定義的功能構(gòu)建出產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，用于云端與設(shè)備端進(jìn)行指定數(shù)據(jù)通信。設(shè)備建好后可以建立連接來(lái)激活設(shè)備。在完成設(shè)備的建立后就可以建立物模型，物模型就是指將物理空間中的實(shí)體數(shù)字化，并在云端構(gòu)建該實(shí)體的數(shù)據(jù)模型。在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，定義物模型即定義產(chǎn)品功能，完成功能定義后，系統(tǒng)將自動(dòng)生成該產(chǎn)品的物模型，如圖7所示。

圖7 物模型功能定義

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于北斗的智能安全帽系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的功能闡述、結(jié)構(gòu)分析、軟硬件等技術(shù)進(jìn)行了介紹，通過(guò)本文的智能安全帽設(shè)計(jì)，能夠大大提高正在作業(yè)的工人們，隨時(shí)監(jiān)測(cè)工人的安全信息，如果發(fā)生意外第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并及時(shí)搶救，為他們的安全提供保障。智能安全帽產(chǎn)品可以應(yīng)用到建筑工地，礦井工人，高空電工等等眾多行業(yè)。