基于樹莓派的嵌入式智能安全帽設計與實現

馬曉慧，劉新愷,2，馬鑫磊，王平川，趙 康

（1.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；2.中國廣核新能源控股有限公司安徽分公司，安徽 合肥 238056）

0 引 言

按照“碳達峰、碳中和”的政策引領，全國風電裝機容量規模將持續提升，隨之而來的是風電開發與維護的安全監管問題日益突出。與傳統電廠不同，當前新能源發電場站具有地理位置偏遠、占地面積大、運維人員少、檢修工序多等特點，針對風電機組的登高作業空間有限、第三方外包人員管理困難、緊急事故通信受限等問題，亟需對當前的安全生產監管方法進行優化與改進。

當前廣泛應用于電力行業的安全帽僅具有被動防護的單一功能，在智能化及信息化方面還處于概念設計階段。文獻[2]提出適用于電力作業的可穿戴安全監護平臺，對智能安全帽的硬件結構進行設計。文獻[3]對智能化安全帽的設計指標及過程進行了系統且全面的闡述，并搭建了Android手機端管理軟件平臺。文獻[4]以物聯網為載體，增加人臉識別功能，使安全帽成為電力設備的感知端和通信端。文獻[5]開發了適用于電網巡檢的智能安全帽系統和與之配套的智能安全柜，并進行了效果驗證。

結合風電場運行維護安全監管需求，提出基于樹莓派的嵌入式智能安全帽設計，在不改變安全帽結構及防護功能的基礎上，通過增加智能化元件及遠程管理平臺，實現實時定位、視頻監控、實時通信、安全照明、后臺管理等功能。監控系統可以監控現場工作人員的操作是否按照工作票規范執行。同時，在遇到重大故障時能迅速將故障信息反饋到中控室，實現遠程指揮，提高時效性。另外，將安全帽與定位相結合，如果發生緊急情況，工作人員可通過定位系統快速到達現場。

1 系統總體設計

該系統總體設計包括系統硬件設計、系統環境設計、定位功能設計、監控功能設計、UI界面設計。將3B+樹莓派、L76X GPS HAT定位芯片、攝像頭、LED燈等元件集成嵌入在安全帽上，將樹莓派作為控制系統，將Nginx模塊作為直播服務器，在局域網下通過網絡連接PC端，滿足實時監控、實時定位、安全照明等功能需求。

系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 系統硬件設計

2.1 樹莓派

樹莓派3B+硬件參數：型號為博通BCM2837B0 SoC，集 成 四 核 ARM Cortex-A53（ARMv8）64位 @ 1.4 GHz CPU。主要接口：HDMI、以太網、4×USB 2.0、3.5 mm模擬音頻視頻插孔、MicroSD插槽。其他接口：DSI顯示屏、40 pin，CSI相機接口、擴展雙排插針（PoE）接口。有線網絡：千兆以太網（USB 2.0通道，最大吞吐量300 Mb/s）。無線網絡 ：2.4 GHz和5 GHz雙頻WiFi，支持802.11b/g/n/ac。內存 ：1 GB LPDDR2 SDRAM。藍牙：藍牙4.2&低功耗藍牙（BLE）。存儲：Micro-SD。供電接口/要求：micro USB（5 V/2.5 A）。尺寸：85 mm×56 mm×19.5 mm。重量：50 g。

2.2 定位芯片

采用L76X GPS HAT定位芯片，其具有GNSS（全球導航衛星系統）功能，支持GPS，BD2和QZSS等定位系統。

硬件參數：接收信道包括33個跟蹤信道，99個捕獲信道和210個PRN信道。接收信號為GPS，BD2和QZSS。信號頻段為 GPS L1（1 575.42 MHz），BD2 B1（1 561.098 MHz）C/A Code。捕獲時間：冷啟動時10 s（最快）；熱啟動：1 s。捕獲靈敏度為-148 dBm，跟蹤靈敏度為-163 dBm，重捕捕獲靈敏度為-160 dBm，定位精度小于2.5 mCEP，串口通信波特率范圍為4 800～115 200（默認9 600）。

2.3 攝像頭

采用樹莓派標準版攝像頭（Raspberry Pi Camera v2），具體參數：8百萬像素，系統支持新版本Raspbian，擁有專門的CSI接口及Sony IMX219PQCMOS圖像傳感器，尺寸為25 mm×23 mm×9 mm。

2.4 其他硬件

安全帽采用符合國標質檢要求的標準安全帽，LED采用直流驅動，電壓范圍為1.5～3.5 V，電流為15～18 mA，采用有線式耳機。

3 系統軟件設計

軟件系統的設計主要分為系統環境設計、定位系統軟件設計、監控系統軟件設計、UI界面設計。

3.1 系統環境設計

系統環境設計主要分為樹莓派燒錄和配置、安裝Python3 PyQt5庫文件、導入OpenCV環境進行搭建，為后期調用攝像頭和設置UI界面做準備。系統環境搭建流程如圖2所示。

圖2 系統環境搭建流程

3.2 定位系統軟件設計

定位系統軟件設計通過L76X GPS HAT芯片獲取當前位置，得到經緯度坐標，并經過百度地圖修正后將經緯度坐標儲存在gsp.json文件中。接著，由PC端利用HTTP實時獲取樹莓派位置并顯示在地圖中。軟件設計流程如圖3所示。

圖3 定位系統設計流程

具體操作步驟如下：

（1）開啟UART接口。首先打開樹莓派終端，輸入sudo raspi-config進入配置頁面，選擇Interface Options-serial，點擊關閉shell訪問，打開硬件串口，在終端中輸入sudo reboot，重啟樹莓派。

（2）安裝相關函數庫。打開樹莓派終端，依次安裝BCM2835、wiring pi、Python函數庫。

（3）打開minicom助手調試。打開樹莓派終端，輸入sudo apt-get install minicom 指令， 獲取 GPS 坐標，“y”代表緯度約為42.96，“x”代表經度約為90.09，與百度地圖標準經緯度比較后保存在gsp.json文件中，借助index.html即可在百度地圖中顯示當前位置。

3.3 監控系統軟件設計

監控系統的設計主要包括兩部分，即通過PC端的UI界面觀看監控與將PC端的聲音傳輸至樹莓派端。

首先在樹莓派端搭建基于Nginx模塊的直播服務器，通過FFmpeg采集視頻并使用H.264/AAC壓縮后通過RTMP協議推流到直播服務器，然后在PC端通過PyQt5模塊從直播服務拉流，借助OpenCV獲取圖片，并在IU界面顯示，完成監控。PC端的聲音傳輸過程按上述相反操作即可實現，監控系統設計流程如圖4所示。

圖4 監控系統設計流程

3.3.1 基于Nginx模塊的直播服務搭建

Nginx模塊是實現遠程監控的服務器平臺，直播原理：由樹莓派端通過攝像頭采集視頻數據，經過轉碼等操作，基于RTMP協議發送到Nginx服務端，服務端接收到數據后保存到本地，PC端基于RTMP協議訪問該服務端數據，經解碼等操作后方可顯示。

3.3.2 安裝FFmpeg并推流至服務器

FFmpeg的名稱來自MPEG視頻編碼標準，“FF”代表“Fast Forward”，FFmpeg是一套可以用來記錄、轉換數字音頻、視頻，并能將其轉化為流的開源計算機程序，可以輕易實現多種視頻格式的轉換。

具體操作步驟：輸入wget http：//ffmpeg.org/releases/ffmpeg-3.0.9.tar.bz2，安裝FFmpeg，并通過DSHOW采集揚聲器數據以及攝像頭數據，使用H.264/AAC壓縮后推送到RTMP服務器。

3.3.3 使用Python拉流獲得監控圖像

使用Python從Nginx直播服務器中拉流，但此時導出的并非視頻，因此需要解析視頻流格式，然后將視頻流格式轉變為圖片格式顯示。一幀即一張圖片，可通過OpenCV庫獲取，并快速顯示在界面上。此時，就可以在監控界面看到攝像頭拍攝的圖像。

3.4 UI界面設計

UI界面設計：在Python中利用PyQt5庫中的函數進行設計，其中包括頁面設計、按鍵設計、開關設計等。UI界面設計流程如圖5所示。

圖5 UI界面設計流程

通過setWindowTitle（實時定位監控系統）語句編寫UI界面的標題，通過QPushButton語句進行菜單布局。self.openGpsBtn = QPushButton（關閉定位）、self.openCamBtn =QPushButton（關閉監控）、self.openMicBtn = QPushButton（關閉麥克風）語句分別是關閉定位、關閉監控、關閉麥克風。通過self.gpsView.setFixedSize、self.camView.setFixedSize語句確定定位和監控屏幕尺寸。

UI操作界面設計如圖6所示。

圖6 UI操作界面設計

4 系統搭建與測試

4.1 安全帽實物搭建

將LED燈、定位天線、擴展板、鋰電池、攝像頭、耳機集成安裝在安全帽上，粘貼布線簡潔、美觀、牢固。將定位天線的接收端放在安全帽外部頂端，將樹莓派固定在安全帽內部頂端一側，將鋰電池固定在安全帽頂端的另一側。鋰電池通過USB線與樹莓派相連，為樹莓派供電。樹莓派通過CSI接口與攝像頭相連。攝像頭處于安全帽前端的小孔處，用雙面膠固定。耳機通過樹莓派上的A/V插孔相連，從側面小孔接出，搭建效果如圖7所示。

圖7 搭建效果

4.2 定位功能測試

定位功能可以實時檢測安全帽的位置，經過對比，將安全帽放到屋外，可實時在地圖中顯示當前位置，當將安全帽放在屋內，至少需要2 min才能完成定位并在地圖中顯示，說明屋內、屋外環境對于定位功能的影響較大。

定位地圖如圖8所示。

圖8 實時定位地圖

4.3 監控功能測試

經過測試，畫面的延遲約為2 s。點擊“關閉監控”后，晃動安全帽時監控圖像無變化。當點擊“打開麥克風”后，程序可以調用電腦上的麥克風，這時對著電腦講話，可以通過耳機聽到。

攝像頭監控畫面如圖9所示。

圖9 攝像頭監控畫面

4.4 照明功能測試

通過安全帽一側開關控制LED燈的開關，如圖10所示。

圖10 LED燈的測試

5 結 語

本文從風電場安全監管技術維護的角度出發，提出并設計了一種基于樹莓派的嵌入式智能安全帽。此系統能實現定位、監控、通信、照明等功能，通過對安全帽進行測試，證明其效果較好。智能安全帽將是新能源發電行業面向信息化、智能化、物聯網化發展的必要設備之一，能對風電場風機巡檢、設備檢修、外包人員作業進行實時有效的安全監察，后期還需在減輕負載、增設功能、提高供電效率等方面不斷優化。