基于AIOT 的智能工作服設(shè)計(jì)

宋景弘，黃振威，姚芳琳，陳 江

（1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007；2 南寧理工學(xué)院，廣西 南寧 530000）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)管代替人工巡查是未來施工場地安全管理的發(fā)展趨勢[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)管主要采用為施工人員穿戴的工作服加掛傳感器、蜂鳴器，同時連接物聯(lián)網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)。智能工作服就是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革新和生產(chǎn)安全需求不斷提高的智能化的產(chǎn)物。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能相融合，最終追求的是形成一個智能化生態(tài)體系，在該體系內(nèi)，是以不同智能終端設(shè)備之間、不同系統(tǒng)平臺之間和不同應(yīng)用場景之間的互融互通、萬物互融來實(shí)現(xiàn)的。除了在技術(shù)上需要不斷革新外，與AIoT 相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、測試標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)、相關(guān)技術(shù)的落地和典型案例的推廣以及規(guī)模應(yīng)用也是現(xiàn)時期物聯(lián)網(wǎng)與人工智能領(lǐng)域上亟需突破的一個非常重要問題[2]。

軌跡交叉理論認(rèn)為，人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)如果產(chǎn)生時空交集，就會導(dǎo)致事故的發(fā)生。而運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)管便是運(yùn)用技術(shù)手段高效提醒作業(yè)者存在不安全行為或檢測環(huán)境中是否存在物的不安全狀態(tài)。在“人-物-環(huán)-管”四環(huán)措施中，提升“管”的效能，從而有效提高作業(yè)場景安全管理水平。運(yùn)用傳感器、通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等設(shè)計(jì)了一種智能工作服。

1 工作服設(shè)計(jì)

基于AIOT 的智能工作服設(shè)計(jì)[3]，其特征在于：包括智能工作服衣體1、風(fēng)扇安裝區(qū)域2、多頻LED 燈帶3、柔性顯示屏4、智能工作服外層5、反光條6、藍(lán)牙芯片、定位芯片7、第一魔術(shù)貼8、供電接頭9、嵌入供電接口10、各類功能性導(dǎo)線11、放置盒12?；贏IOT 的智能工作服，其特征在于：放置盒內(nèi)還設(shè)有藍(lán)牙芯片及定位芯片，藍(lán)牙芯片及定位芯片通過控制器與電池電連接；外層外表面的前胸處設(shè)有柔性顯示屏，柔性顯示屏通過第三魔術(shù)貼與所述外層粘連，以使柔性顯示屏與控制器電連接；收納袋內(nèi)還設(shè)有控制板，控制板通過螺旋導(dǎo)線與控制器電連接；內(nèi)層的安裝口設(shè)有封閉布，第五魔術(shù)貼毛面位于封閉布與內(nèi)層連接處的兩側(cè)，封閉布背向安裝口一面的第五魔術(shù)貼扣面與對應(yīng)的第五魔術(shù)貼毛面粘連時，封閉布翻折于所述安裝口外；外層外表面設(shè)有反光條[4]。

一種基于互聯(lián)網(wǎng)的智能可穿戴設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)得設(shè)備終端，以個人信息集為一體，及時將數(shù)據(jù)信息通過無線通信傳輸系統(tǒng)傳送到地面總控制中心，地面總控制中心對收集來的信息進(jìn)行有效甄別與分析，用以提高工作的效率與質(zhì)量。智能工作服系統(tǒng)主要由工人人員定位模塊、恒溫模塊、無線藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)模塊和循環(huán)系統(tǒng)通風(fēng)等四個模塊組成[5]，如圖1 所示。鑒于我國的北斗定位系統(tǒng)已經(jīng)于GPS 等定位系統(tǒng)兼容，發(fā)展也已經(jīng)成熟，所以我們的定位系統(tǒng)使用北斗定位系統(tǒng)也可以減少信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 智能工作服整體裝置圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

智能工作服系統(tǒng)主要由微處理器、電源模塊、恒溫模塊、北斗定位單元聲光報(bào)警裝置、藍(lán)牙傳輸及無線通信模塊等多部分組成。

1.1.1 微處理器及外圍電路設(shè)計(jì)

如圖2，在智能工作服系統(tǒng)的微處理器中選用STM32F103 來進(jìn)行工作，其主頻率能夠達(dá)到72 MHz，外部設(shè)計(jì)豐富，并且適應(yīng)環(huán)境的溫度為-40～85℃，這是滿足設(shè)計(jì)的需求。整個系統(tǒng)的一個重要模塊就是電源，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)則是采用體積小、容量高的一種鋰電池供電。根據(jù)系統(tǒng)的每一個模塊的需求，其分別設(shè)計(jì)了3.3 V、5 V 這三個穩(wěn)壓電路。

圖2 處理器和電路原理

1.1.2 恒溫模塊設(shè)計(jì)

如圖3，工作服設(shè)計(jì)恒溫模塊設(shè)計(jì)選用根據(jù)Clim8 恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了Clim8 系統(tǒng)的升溫的功能以外還有降溫的功能，通過對外界溫度的感知與穿戴者的身體溫度來調(diào)整出一個最佳溫度，這就讓使用者一年四季都可以使用。

圖3 恒溫原理

1.1.3 北斗定位系統(tǒng)

建筑行業(yè)的數(shù)據(jù)非常龐大與復(fù)雜，人員管理也比較困難，不同的工種施工員也很多，智能工作服運(yùn)用北斗定位系統(tǒng)原理就可實(shí)現(xiàn)考勤定位功能，在工作服的衣領(lǐng)后方安裝，北斗定位系統(tǒng)主要由閱讀器、后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)兩部分組成。先是利用閱讀器的自動識別功能，將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出傳遞到后臺管理數(shù)據(jù)庫。其主要數(shù)據(jù)是紀(jì)錄人員的進(jìn)/出施工現(xiàn)場的時間。從而運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和借鑒物流實(shí)施定位的原理可以準(zhǔn)確獲取人員所處的方位。

1.1.4 藍(lán)牙傳輸芯片設(shè)計(jì)

藍(lán)牙傳輸可以通過藍(lán)牙協(xié)議、藍(lán)牙Mesh 協(xié)議、Zigbee 協(xié)議連接網(wǎng)關(guān)中樞傳導(dǎo)，網(wǎng)關(guān)中樞傳導(dǎo)連接WiFi 集合至AloT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)），形成多種設(shè)備互聯(lián)信號交匯和指令傳輸。

1.2 智能工作服軟件設(shè)計(jì)

智能工作服的智能終端是在AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）平臺開發(fā)的。智能工作服會依據(jù)每個任務(wù)的功能，將每個模塊劃分為環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)模塊檢測、RFID電子標(biāo)簽原理、佩戴檢測原理。數(shù)據(jù)采集部分主要包括定位、環(huán)境信息以及佩戴檢測數(shù)據(jù)。

1.2.1 環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)模塊檢測

工作服主要負(fù)責(zé)檢測工作環(huán)境中工作服過濾廢氣和水蒸氣循環(huán)通風(fēng)的可檢測度，并且將每一個數(shù)據(jù)依次通過無線通信傳輸?shù)礁黝I(lǐng)域的地面監(jiān)控中心。當(dāng)工作服環(huán)境中的檢測濃度正常時，工作服則正常工作，如超出預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值時，則會發(fā)出報(bào)警，數(shù)據(jù)則將上傳到監(jiān)測部門，則會派監(jiān)測工作人員檢查工作服，恢復(fù)正常方可讓施工人員再次穿上進(jìn)行工作。

1.2.2 RFID 標(biāo)簽

RFID（Radio Frequency Identification）射頻識別技術(shù)是一種利用無線電射頻信號進(jìn)行通信的非接觸式自動識別技術(shù)，隨著RFID 技術(shù)不斷研究升級，其優(yōu)點(diǎn)是：可以在無觸碰下閱讀信息、在施工環(huán)境下不容易損壞、可以在復(fù)雜多目標(biāo)情況下同時多個目標(biāo)識別。RFID 標(biāo)簽進(jìn)入規(guī)定范圍磁場后，會接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借自身產(chǎn)生的感應(yīng)電流所獲得的能量再向閱讀器傳出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息；閱讀器中解讀功能讀取信息編碼并進(jìn)行解碼后，傳送至計(jì)算機(jī)終端系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

1.2.3 佩戴檢測原理

佩戴檢測原理是結(jié)合YOLO 模型（見圖4）基于特征融合和分割監(jiān)督相結(jié)合的人體檢測和衣服屬性識別兩大模塊組成，前者實(shí)現(xiàn)在圖像中準(zhǔn)確定位人體區(qū)域的功能，后者在單個人體區(qū)域的基礎(chǔ)上利用注意力學(xué)習(xí)進(jìn)一步分析人體屬性，從而判斷人是否正確佩戴裝備。測試結(jié)果表明，上述技術(shù)方案在人體佩戴裝備識別任務(wù)中，圖像級準(zhǔn)確率超過，可快速定位未按要求佩戴裝備的重點(diǎn)人員，有效解決了24 h 復(fù)雜光照、多種類型遮擋、不同距離人臉尺度、裝備款式類型多樣化等實(shí)際應(yīng)用中的難題，靈活適應(yīng)不同場景環(huán)境。

圖4 YOLO 模型工作原理

2 結(jié)語

建筑行業(yè)的生產(chǎn)安全一直都是國家關(guān)注的重點(diǎn)工程，因此也就吸引了很多大型的建筑企業(yè)在信息化的管理上，利用不斷創(chuàng)新開發(fā)建筑行業(yè)工地物聯(lián)網(wǎng)智能安全平臺的技術(shù)。針對建筑施工現(xiàn)場工作人員存在的生命安全問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和無線通信傳感網(wǎng)絡(luò)在建筑信息智能化領(lǐng)域的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種建筑信息物聯(lián)網(wǎng)終端智能安全工作服。該系統(tǒng)以STM32F103 硬件平臺為基礎(chǔ)，融入了人員定位、環(huán)境信息采集、蒸汽循環(huán)通風(fēng)、佩戴異常報(bào)警、無線通信傳輸、語音通話等多種功能，其分別對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析，并進(jìn)行了對智能工作服的系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的詳細(xì)分解。智能工作服的功能滿足及達(dá)標(biāo)了施工安全要求，對提高建筑行業(yè)工地進(jìn)行信息智能化安全管理有著很好的促進(jìn)作用，在未來，能夠減少建筑行業(yè)工作人員的安全事故的發(fā)生量，減少人員傷亡數(shù)量，在建筑行業(yè)工地信息智能化安全領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。