基于作業安全監管的智能安全帽系統設計

陸啟榮，宋智鵬，邱柏良，梁利華

（1.浙江大學 建筑工程學院，浙江 杭州；2.浙江大學 工程師學院，浙江 杭州；3.浙江高信技術股份有限公司，浙江 杭州；4.浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州）

近幾年，因作業不規范或安全漠視的僥幸心理，或因工作過程中身體健康出現異常狀況不能及時發現和救助，導致施工過程的安全事故頻發。安全帽是施工作業過程的最基本防護裝備，傳統安全帽因不具備智能化數據交互，導致無法在線監管，只能依賴于人為主觀安全意識，也無法監測身體健康異常狀況。

可穿戴技術通過傳感器、無線通信、多媒體等技術嵌入人體穿戴的衣物或設備，支持與人的密切交互[1]。Preeti 等設計了一款基于物聯網（IoT）的建筑智能安全帽，通過添加工作模式（開/關）系統、GPS 系統、任務完成按鈕，將普通安全帽修改為智能安全帽，提供工人的實際位置，并在緊急情況下將確切位置發送到施工現場的指揮辦公室[2]。

國內建筑業也通過應用BIM 技術、數據分析技術、物聯網技術等逐漸實現信息化，智慧工地已經成為國內工程建設項目的熱門[3-4]。王樂等研究了施工工地智能安全帽，利用了無線射頻技術和無線傳輸技術的優點，解決了工地監管人員對工作人員的監管問題，利用溫濕度等模塊實時采集工人所處的工作環境信息[5]。

然而，現有市面上用于施工作業的智能安全帽，主要用于定位監管、安全宣貫和遠程視頻監測等，不具備對佩戴者進行健康狀況監測和安全帽正確佩戴監測等功能。為此，本文設計了一款佩戴狀態檢測和生理健康參數監測的施工作業安全監管的智能安全帽系統。

1 智能安全帽的整體架構

針對施工作業現場的實際情況，基于施工作業安全監管的智能安全帽由控制盒、前額監測模塊及帽帶監測模塊3 部分組成。前額監測模塊基于光電傳感器和光生物傳感器采集血氧、體溫和心率等生理健康參數，并通過邊緣計算分析及設置的閾值進行監測和預警；帽帶監測模塊基于高精度激光測距傳感器，并結合前額監測模塊的光電傳感器，對正常工作過程的脫帽、未正確佩戴帽帶等違規作業行為進行監測、分析和預警；控制盒安裝在安全帽后側外部，其內包含定位模塊、電源系統、通訊模塊和邊緣計算模塊等。智能安全帽基于通訊模塊與云平臺進行數據交互，在云平臺上實現數據可視化和記錄、設備管理、報警管理等功能，整體框架見圖1。

圖1 智能安全帽的整體架構

2 智能安全帽硬件設計及實現

智能安全帽硬件設計采取模塊化設計方法。智能安全帽系統硬件分為主控模塊、通訊模塊、生理參數檢測模塊、GPS 模塊、聲光報警模塊（LED 燈、蜂鳴器）。

2.1 前額監測的采集功能設計與實現

心率、血氧等生理健康參數的采集選用SFH 7050 光電傳感器和一個超小型模擬前端AFE 4404，電路設計如圖2 所示。SFH 7050 光電傳感器基于反射式PPG 信號，用于監測安全帽正確佩戴，具有體積小、低功耗、高樣本采集率和高速數據輸出的優勢，符合設計要求。AFE4404 支持三個開關發光二極管和一個光電二極管，實現心率和血氧飽和度的監測。AFE4404 還配有帶6 位電流控制的全集成LED 驅動器，具有寬動態范圍的發送和接收電路，有助于感測超小信號電平，且成本較低，符合設計的經濟需求。

圖2 前額監測模塊的SFH7050 和AFE4404 電路

2.2 帽帶監測的采集功能設計與實現

帽帶監測選用VL53L0X 高精度激光測距傳感器，用于下巴位置帽帶的佩戴檢測，電路設計如圖3所示。

圖3 下巴帽帶監測的VL53L0X 電路

不同于傳統的紅外接近檢測傳感器，VL53L0X 高精度激光測距傳感器內部激光器發射為非可見光，解決了紅外接近檢測傳感器發射紅光分散注意力的問題，增強了抗干擾性能。

2.3 主控及通訊功能

智能安全帽主控芯片選用國民技術N32G452REL7。該芯片采用32 bit ARM Cortex-M4F內核，最高工作主頻達144 MHz，支持浮點運算和DSP 指令，具備512 KB Flash、144 KB SRAM，集成多路U (S)ART、I2C、SPI、QSPI、USB、CAN、1x SDIO 通信接口，內置密碼算法硬件加速引擎，滿足智能安全帽的應用需求及后續的拓展應用。

為滿足智能安全帽的短消息、數據傳輸服務和物聯網應用的需求，選用高性能、低功耗、寬輸入電壓的BC28-CNV 為智能安全帽的通訊模塊。BC28-CNV 通過NB-IoT 無線電通信協議，采用LCC 貼片封裝，具有尺寸小、抗干擾強等優勢。

2.4 定位功能設計及實現

智能安全帽定位模塊選用ATGM332D-5N，支持多種衛星導航系統，包含32 個跟蹤通道，實現聯合定位、導航與授時，具有高靈敏度、低功耗、低成本等優勢，完全適用于柔性可穿戴設備。

2.5 聲光報警功能設計及實現

選用無源蜂鳴器和LED 指示燈來顯示充電狀態和佩戴狀況。當安全帽電量低于設定閾值時，每隔5 min（可通過遠程云平臺修改設定）蜂鳴器會進行平緩警示，紅色指示燈緩慢閃爍；開始充電時，藍色指示燈常亮，充滿電之后，藍色指示燈會熄滅。

智能安全帽正常佩戴的工作狀態下，綠色指示燈每隔10 s 閃爍一次，蜂鳴器會提示1 s 表示正確佩戴；處于未正常佩戴狀態下則綠色指示燈每隔5 s 閃爍一次，每隔30 s 蜂鳴器會急促警示10 s，實現安全帽異常佩戴的報警（注：相關間隔時間均可通過遠程云平臺修改設定）。當出現紅綠燈交替閃爍時，則說明當前網絡狀態不佳，設備未成功聯網；聯網成功時，綠色指示燈重新恢復閃爍。

3 安全監管平臺系統架構及實現

圖4 是基于外掛智能采集系統的工程作業安全監管平臺系統架構。安全監管平臺系統采集各傳感器數據，對作業人員的定位信息、生理參數、佩戴情況進行實時監測，通過通訊模塊和安全監管平臺的云服務器進行網關通訊；云服務器通過部署安全監管平臺系統的Java 服務將安全帽傳輸上來的數據按協議文檔進行標準化和規范化的解析和計算，將結果信息存儲到數據庫服務器。最后，由Web 前端搭建的界面和小程序，通過HTTP 協議和Java 后端服務進行數據對接，將數據通過系統權限的控制對擁有不同權限的操作人員進行共享和可視化顯示。

圖4 安全監管系統整體方案

最重要的是通過系統數據閾值、報警信息等設置功能，實現了對數據信息進行分析和處理，從而獲取到作業人員行動軌跡、生理健康狀況和是否正確佩戴安全帽，加強了對施工人員的安全監管，保障了工程作業的生產安全。

智能安全帽與服務器之間以MQTT 協議方式傳輸數據，支持雙向通信，能夠提供一對多的消息分發機制，可以用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。設備登錄在服務器平臺后，要先注冊用戶，添加設備編號，即可在服務器上查詢到該設備的電量、位置等信息。

智能安全帽正常佩戴時，光電傳感器與佩戴人員前額緊貼，可測得人體生理參數，若下顎帽帶佩戴正常，則檢測數據傳輸至云平臺進行數據處理和顯示；智能安全帽未正常佩戴，則光電傳感器與佩戴人員前額存在一定距離，不能夠進行生理參數檢測，無數據輸出，蜂鳴器進行報警，提醒人員正確佩戴智能安全帽。

智能安全帽下顎帽帶的VL53L0X 傳感器，若檢測到前額已佩戴但下顎未佩戴時，蜂鳴器會發出蜂鳴聲來提醒佩戴者進行下顎帽帶的正確佩戴；若檢測到前額和下顎都已佩戴時，前額的生理參數模塊檢測人體心率、血氧等健康參數，并將數據上傳至云平臺可視化。

當智能安全帽處于正常佩戴情況下，安全帽前額傳感器與施工佩戴人員前額緊貼，可以實時監測人體生理參數并上傳云平臺。圖5 和圖6 為施工作業安全監管平臺的駕駛艙。

圖5 安全監管駕駛艙總體界面

圖6 安全監管平臺駕駛艙單一設備狀態界面

4 測試及結果分析

為評估設備成品生理參數和作業狀態數據測量的準確性，將本文設備成品與其功能相關的測量設備進行對比，評估外掛模塊的測量準確性和功能實現可行性。外掛模塊的實驗數據在PC 端網頁管理平臺上讀取。

對智能安全帽外掛模塊的生理參數功能測試共6名測試對象參與試驗，其中，男性3 名，女性3 名，身高范圍在160～185 cm，年齡范圍在22～35 歲，體重范圍在45～80 kg，身體健康無其他心血管疾病。對心率血氧功能進行測試：令受試者頭戴智能安全帽，右手使用指夾式醫用心率血氧測量儀（medisana 德國MD300C22 型指夾式心率血氧儀），同時佩戴智能手環（小米7 智能手環）進行對比試驗。每位受試者測量三次，數據取平均值，由于心率血氧的醫學標準要求整數將測得平均值四舍五入處理，所得數據見表1。

表1 心率血氧測試結果

對佩戴檢測功能進行測試。令一位受試者反復試戴智能安全帽，記錄戴帽和脫帽時間并與平臺數據進行對比，所得數據見表2。

表2 佩戴功能檢測測試結果

對智能安全帽外掛模塊定位功能進行測試。選擇在室外開闊地點進行定位精度測試，選取地圖多個坐標點，頭戴智能安全帽觸發定位，進行多次測量取平均值，再由兩個經緯度算得定位功能的位置誤差，所得數據見表3。

表3 定位功能測試結果

測試結果表明，智能安全帽相對于醫用測量儀的心率平均絕對誤差為1.58 次/min；相對于醫用測量儀的血氧平均絕對誤差為0.65%。佩戴檢測功能可正確識別人員是否佩戴安全帽，平臺數據在1 min之內記錄并作出佩戴狀況判斷。其中，兩者的時間差主要是由于智能安全帽按照30 s 時間間隔向云平臺發送實時數據。經計算，智能安全帽的定位誤差在5 m 之內，平均誤差為2.4 m，誤差較小，在可接受范圍。

5 結論

針對工地作業事故頻發和市場上智能安全帽功能匹配不全等問題，設計了一款施工作業安全監管的智能安全帽系統，實現了在多種工況條件下低功耗的人體生理參數監測和佩戴狀態檢測。在指定的環境下，對智能安全帽進行了功能和性能測試，并與相同功能的醫用儀器和手環產品進行對比試驗。測試結果表明，本文設計的智能安全帽在心率、血氧檢測精度和功能上能滿足施工作業現場的需求。

智能安全帽的使用，能夠提高有效監管施工現場作業人員的生理參數指標和安全帽佩戴行為，大幅度提升工程項目管理的質量和效率，有效推動建筑業的信息化轉型升級。