貴州健康職業(yè)學(xué)院人文基礎(chǔ)部 廖 博

隨著瓦斯煤氣層的開采，生產(chǎn)技術(shù)的提高，在很多煤礦附近新建了瓦斯發(fā)電站。瓦斯發(fā)電站是一個危險系數(shù)非常高的工作環(huán)境。工作人員隨時都會有身處危險環(huán)境的可能，傳統(tǒng)的安全頭盔已經(jīng)不能滿足瓦斯發(fā)電站特定工作環(huán)境的需要。因此，對傳統(tǒng)安全頭盔進行改進升級，以計算機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)為核心，在傳統(tǒng)安全頭盔上集成多種傳感器，設(shè)計并實現(xiàn)一款適合于瓦斯發(fā)電站的智能安全頭盔，使它具備實時感知周圍環(huán)境信息、掌握工作人員運動軌跡、對瓦斯發(fā)電站進行安全實時預(yù)警等功能。

安全頭盔、安全帶、安全網(wǎng)普遍為工業(yè)廣大職工公認(rèn)的安全“三寶”。特別是安全頭盔，在防沖擊事故、人員高出墜落、物體墜落打擊中起到了極大的防護作用，是保護施工作業(yè)人員頭部不受傷害的安全用品。安全帽雖小，但安全事大。這是每個人都該有的常識。在任何時候進入施工作業(yè)區(qū)域，都應(yīng)該按照安全規(guī)范要求，認(rèn)真佩戴安全帽。這不僅是對自己的安全負(fù)責(zé)，還是對規(guī)章制度的敬畏，更是對施工作業(yè)人員和自己工作的尊重。

安全頭盔作為瓦斯電站施工作業(yè)過程中用于個體頭部防護的安全保護用品，是進行瓦斯發(fā)電站工作必不可少的設(shè)備。傳統(tǒng)的安全頭盔只能通過減震及硬度設(shè)計優(yōu)化頭部防護作用，功能單一，不能預(yù)防瓦斯泄露，不能預(yù)測危險的發(fā)生。

1 總體設(shè)計

現(xiàn)如今國內(nèi)外的安全頭盔的發(fā)展仍然還停留在頭盔的基本功能層面，對工作人員的頭部進行防護，功能單一，技術(shù)單一，結(jié)構(gòu)簡單，安全頭盔的價值還沒有完全體現(xiàn)出來，對頭盔的利用率很低，工作人員也不是很依賴于安全頭盔進行自我保護，安全頭盔的很智能都有待開發(fā)。在頭盔上可以實現(xiàn)很多安全防護功能，頭盔僅僅只是一個載體，體積不大，但是可以在上面集成諸多新的技術(shù)，滿足各種應(yīng)用環(huán)境的需求。

根據(jù)查閱相關(guān)文獻對比得出，選用ZigBee技術(shù)作為智能安全頭盔的通訊核心技術(shù)，智能安全頭盔是在傳統(tǒng)安全頭盔的基礎(chǔ)上集成現(xiàn)代電子計算機技術(shù)，使其具備特定的功能，其中的電子器件主要包括ZigBee無線通信芯片，微控制器，傳感器，報警器、電源等基礎(chǔ)部分。在傳統(tǒng)安全頭盔上嵌入信息技術(shù)，通信技術(shù)，無線定位技術(shù)，最大程度上保證瓦斯工作電站人員的生命財產(chǎn)安全。

智能安全頭盔是一個完整的通信系統(tǒng)，頭盔包含有控制器模塊，示警模塊與通信模塊，是在傳統(tǒng)的安全頭盔的基礎(chǔ)上增了電子元器件，包括有以單片機為主的控制器模塊，ZigBee無線通信模塊，信號燈報警模塊，環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集模塊，電源模塊等。傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息和實時位置經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，再由Internet上傳至服務(wù)器。

智能安全頭盔的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在路由器節(jié)點和安全頭盔終端節(jié)點上集成各類傳感器，通過無線網(wǎng)絡(luò)把采集到的信息上傳至服務(wù)器控制中心。還可以保存采集到的信息。數(shù)據(jù)一旦異常就會觸發(fā)智能安全頭盔上的信號燈發(fā)出報警信號。

2 智能安全頭盔的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的智能安全頭盔選用TI公司的單芯片集成SOC片上系統(tǒng)CC2530作為控制核心的ZigBee模塊作為終端節(jié)點的無線通信模塊。通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)擴展連接傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊主要由監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)通信模塊等組成。傳感器節(jié)點實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)經(jīng)過簡單處理之后發(fā)送給控制中心，網(wǎng)關(guān)將收到的數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)封裝之后通過Internet網(wǎng)絡(luò)上傳至控制中心，并在控制中心實時顯示，節(jié)點模塊圖如圖1所示。

圖1 節(jié)點模塊圖

智能安全頭盔上位機設(shè)計，采用C#進行設(shè)計并實現(xiàn)，其中包括定位信息的顯示，溫度、濕度、一氧化碳、甲烷的實時數(shù)據(jù)顯示。終端節(jié)點完成前端數(shù)據(jù)采集發(fā)送到ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點完成終端節(jié)點各模塊的硬件設(shè)計，將各設(shè)計模塊集成實現(xiàn)。

3 智能安全頭盔的軟件設(shè)計

智能安全頭盔在ZigBee無線通信中選取Z-Stack協(xié)議棧，將IDE作為開發(fā)環(huán)境，首先對ZigBee進行無線組網(wǎng)，將系統(tǒng)進行初始化，其中包含ZigBee各層初始化、MAC地址初始化以及終端ZigBee傳感器節(jié)點初始化等，通過相應(yīng)的函數(shù)對操作系統(tǒng)發(fā)出響應(yīng)指令，然后進行注冊任務(wù)、初始化及開始任務(wù)。最后對任務(wù)進行中斷處理，管理和分配存儲器。Z-Stack執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 Z-Stack執(zhí)行流程圖

軟件設(shè)計，包括網(wǎng)關(guān)服務(wù)程序軟件設(shè)計、Z-Stack協(xié)議棧、ZigBee組網(wǎng)、ZigBee網(wǎng)關(guān)、ZigBee終端節(jié)點以及上位機的軟件設(shè)計。

本系統(tǒng)是在ZigBee無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)的應(yīng)用于瓦斯發(fā)電站的智能安全頭盔，通過采用當(dāng)代電子信息技術(shù)，ZigBee無線通信技術(shù)，數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及傳感器技術(shù)等，以獨立的設(shè)計，編程，反復(fù)調(diào)試等為根基，對于傳統(tǒng)頭盔進行一次全面的技術(shù)改革，設(shè)計出這款具有傳感器信息采集，瓦斯電站工作人員位置信息監(jiān)測，瓦斯電廠安全隱患實時預(yù)測的無線傳輸大規(guī)模作業(yè)的監(jiān)測系統(tǒng)的智能安全頭盔，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)減少了電廠大面積鋪設(shè)電纜的設(shè)備傳輸。本系統(tǒng)所提出的智能安全頭盔能夠準(zhǔn)確實時采集瓦斯發(fā)電站工作人員周圍環(huán)境信息以及危險預(yù)測報警，更充分的發(fā)揮安全頭盔的性能及作用。