基于無線傳感器網絡技術的智能物聯施工安全防護系統設計

收稿日期：2023-06-17

基金項目：2022年江西省教育廳科學技術研究項目（GJJ2205217）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.03.034

摘" 要：為解決傳統公路施工現場安全防護系統不能實現遠程監控的問題，提出了一種基于無線傳感器網絡技術的智能物聯施工安全防護系統，闡述了該安全防護系統的總體結構及工作原理。該系統以安全帽為智能穿戴載體，采用基于ZigBee技術的無線自組網方式，實現了施工現場的實時環境數據采集，通過無線傳感器網絡技術將環境數據采集至物聯網平臺進行分析和處理，完成對施工現場的安全監控。實驗結果表明，該系統可實現對施工現場安全情況的實時監控，其傳輸數據穩定可靠，且具備較強的抗干擾能力。

關鍵詞：智能安全帽；智能物聯；無線傳感器網絡；ZigBee技術

中圖分類號：TP274；TP212.9；TN929.5 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）03-0159-05

Design of Intelligent IoT Construction Safety Protection System Based on

Wireless Sensor Network Technology

LI Xiating， CHEN Jiejian

（Jiangxi Vocational and Technical College of Transportations， Nanchang" 330013， China）

Abstract： In order to solve the problem of traditional road construction site safety protection system's inability to achieve remote monitoring， a intelligent IoT （Internet of Things） construction safety protection system based on wireless sensor network technology is proposed. The overall structure and working principle of the safety protection system are described. This system uses safety helmets as intelligent wearable carriers and adopts a wireless self-organizing network based on ZigBee technology to achieve real-time environmental data acquisition at the construction site. Through wireless sensor network technology， the environmental data is collected to the IoT platform for analysis and processing， completing the safety monitoring of the construction site. Experimental results show that this system can achieve real-time monitoring of the safety situation at the construction site. Its transmission data is stable and reliable， and it has strong anti-interference ability.

Keywords： intelligent safety helmet; intelligent IoT; wireless sensor network; ZigBee technology

0" 引" 言

隨著我國國內基礎建設的快速發展，施工現場安全防護工作[1]越來越受到重視。傳統的安全防護系統[2]一般由安全帽、安全帶和安全網組成，需要專人在施工現場進行實時監控，若不能實現遠程監控，則很難及時發現安全隱患并采取措施。在我國，大部分的施工企業采用的都是由業主方統一采購的設備，這類設備存在著價格昂貴、性能不穩定、后期維護成本高、不具備擴展性等缺陷，不利于施工企業降低成本和提高效益。而本文設計的智能物聯施工安全防護系統，采用基于ZigBee技術[3]的無線自組網方式，能有效提高施工現場安全防護系統的穩定性和可靠性，方便施工企業實時了解施工現場安全情況并及時采取措施。該系統目前已成功應用于道路施工工程項目中。

1" 智能物聯施工安全防護系統總體結構及工作原理

智能物聯施工安全防護系統主要由傳感器網絡、控制中心及數據傳輸三部分組成。其中，傳感器網絡負責對施工現場的實時環境數據進行采集，通過ZigBee技術的無線自組網方式傳輸到控制中心，再通過對數據的分析和處理，實現對施工現場安全情況的遠程監控。無線傳感器網絡[4-6]主要包括部署在施工現場的傳感器節點和通信模塊兩部分。部署在施工現場的傳感器節點負責對施工現場環境數據進行檢測，以智能安全帽作為傳感器節點的為載體，并將檢測到的數據發送給通信模塊。通信模塊包括ZigBee模塊、GPRS模塊和5G模塊，其中5G模塊用于數據的實時傳輸，ZigBee模塊用于無線自組網和信息交換，而GPRS模塊用于向控制中心發送實時信息。控制中心負責對傳感器節點采集到的數據進行處理和分析，并根據其反饋的信息及時調整控制策略，完成對施工現場的遠程監控。

控制中心采用雙機熱備模式[7]，以保障通信的穩定性和可靠性。在智能物聯施工安全防護系統中，控制中心與移動終端之間采用無線網絡進行數據傳輸，控制中心與現場終端之間采用有線網絡進行數據傳輸。控制中心通過GPRS模塊將現場終端設備收集到的數據傳輸到服務器中，通過對數據的分析和處理完成對施工現場安全情況的遠程監控。在移動終端上安裝有定位模塊，在施工現場有危險區域時，可通過GPS模塊自動獲取施工現場位置信息。如圖1所示，智能物聯施工安全防護系統由智能安全帽、傳感器網絡、控制中心及遠程監控組成。智能安全帽可實現對現場環境數據的采集，并通過無線自組網傳輸到控制中心。當施工人員進入危險區域時，智能安全帽將檢測到現場環境信息并自動發送至控制中心。控制中心接收到數據后可根據反饋的信息自動調整控制策略。

圖1" 智能物聯施工安全防護系統結構示意圖

在施工現場的中央控制室中，可通過訪問控制中心的高清攝像頭管理平臺實時觀察現場情況。當施工人員進入到危險區域時，控制中心會觸發傳感器網絡，通過ZigBee無線自組網傳輸到智能安全帽上。智能安全帽內嵌的智能芯片會自動檢測并采集現場的溫度、濕度、風速等信息，然后通過無線網絡傳輸到中央控制室的高清攝像頭中。當現場情況發生異常時，視頻監控系統將自動啟動，控制中心會自動將視頻畫面傳送到手機端，并通過無線網絡傳輸到遠程控制中心，實現對施工現場安全情況的遠程監控，如圖2所示。

2" 無線傳感器網絡技術原理

無線傳感器網絡是由大量的具有感知能力的傳感器節點和一個或多個由通信模塊組成的網絡，通過無線通信方式組成的分布式自組織網絡[8]。在無線傳感器網絡中，無線傳感器節點是網絡的核心，負責感知和采集網絡節點所覆蓋區域內的信息。ZigBee技術是一種專門為低速率、低功耗、短距離無線通信設計的一種全新的信息傳輸技術，采用樹型網絡拓撲結構，數據傳輸方式為自組網和廣播傳輸[9]。在ZigBee協議棧中，節點內有一個主控制器和若干個從控制器，其通過一定的通信協議將數據轉發給其他節點，并且每個節點都具有MAC層、路由層和應用層。ZigBee協議棧主要包括三個組成部分：數據包處理子系統、無線傳感器網絡路由子系統和應用子系統。數據包處理子系統是基于ZigBee協議棧實現數據包處理功能的核心部件。它主要完成ZigBee網絡中的物理層、MAC層和應用層的數據包處理功能，并對網絡中的數據進行分析和處理，把數據包轉換成數字信號發送給接收設備。路由子系統是ZigBee協議棧中重要的組成部分，主要完成網絡拓撲結構的建立、網絡中節點的移動以及網絡中數據傳輸過程中路由信息的選擇等工作，同時還負責對協議棧各層發送過來的數據進行轉發，以實現網絡路由功能。應用子系統是由ZigBee協議棧提供的一個功能模塊，它主要完成對網絡中的各種數據進行分析和處理，并將處理后的結果通過應用層發送給用戶。

圖2" 智能物聯施工安全防護系統施工現場視頻監測

圖3" ZigBee協議棧組成

無線傳感器網絡路由子系統中主要有兩種類型的節點：普通節點和路由節點。普通節點主要包括主用和備用兩類，其可以被配置為一個或多個路由節點，當主用節點檢測到新數據時，則會觸發路由算法進行數據轉發。而路由節點主要包括三類：工作于喚醒狀態、休眠狀態和非休眠狀態下的主用和備用路由節點。其中主用和備用路由節點根據不同情況選用，非休眠狀態下主用路由節點可以實現多跳傳輸，而備用路由則通過輪詢來完成數據傳輸；主用路由節點可以將數據轉發給網絡中的任何一個路由節點，而備用路由則僅向網絡中所有符合條件的路由中選一條，其工作在喚醒狀態下。通過上述分析可知，無線傳感器網絡采用樹型網絡結構來構建網絡，將ZigBee技術應用到施工現場安全防護系統中可提高施工現場環境監測精度，實現施工現場安全防護系統智能化[10]。

3" 智能安全帽硬件設計

智能安全帽的硬件平臺設計主要包括兩個部分，分別是ZigBee傳感器數據采集節點和數據傳輸節點。其中，ZigBee傳感器節點模塊如圖4所示，包括電源模塊、中央處理器模塊和通信模塊。ZigBee傳感器節點的中央處理器模塊采用Cortex-M3內核的STM32芯片，其時鐘頻率為125 MHz，具有四個工作模式（正常工作、睡眠、休眠、喚醒）。數據傳輸節點由CC2530芯片組成，CC2530是TI公司推出的一款低功耗的低速率無線數據傳輸芯片，具有較高的數據傳輸速率和很強的抗干擾能力。CC2530芯片的工作頻率為2.4 GHz，工作電壓為3.3～4.5 V。模塊接口部分包括電源接口、復位開關、串口、USB接口等。

圖4" ZigBee節點模塊

本系統中智能安全帽的傳感器節點由電源模塊、中央處理器模塊、通信模塊、存儲模塊和報警模塊組成。智能安全帽的硬件平臺設計主要是以stm32芯片為信息數據處理中心，將多傳感器設備做為數據監測終端進行環境數據感知監測，以ZigBee無線通信設備作為不同安全帽環境信息數據通信媒介，整個系統的硬件電路原理圖如圖5所示。

智能安全帽的傳感器節點主要包括溫度傳感器、光照強度傳感器、風向風速傳感器等，由無線通信芯片CC2530組成的ZigBee無線通信設備，實現對現場環境數據的采集和無線傳輸，并通過ZigBee無線通信設備與安全帽內的微控制器進行數據交互。智能安全帽的中央處理器模塊主要負責信息數據處理、運行控制和人機交互，主要包含MCU（Motorola Controller Unit），Flash RAM（Flash memory RAM）和PWM（Pulse Width Modulation），其中MCU采用Cortex-M3內核的STM32F103芯片。通信模塊主要是將ZigBee無線通信設備與智能安全帽內的微控制器進行通信，并將傳感器節點采集到的環境數據傳輸給ZigBee無線通信設備。存儲模塊主要是將傳感器節點采集到的數據進行存儲，并通過串口發送給上位機。報警模塊主要是實現對現場環境數據異常情況的報警，智能安全帽硬件系統功能如圖6所示。ZigBee無線通信設備與智能安全帽內的微控制器進行通信，向其發送數據請求，由微控制器響應并接收數據，通過串口發送給上位機。在系統中加入了電源管理模塊，通過該模塊對系統中所有傳感器節點進行充電和休眠等操作，降低了系統功耗。

圖6" 智能安全帽硬件系統功能示意圖

4" 智能安全帽監控終端軟件設計

智能安全帽監控終端軟件主要包括兩個部分：一是數據采集，主要完成對現場環境中溫濕度、二氧化碳濃度、風速等信息的采集；二是數據傳輸，通過ZigBee網絡將現場采集的數據發送到基站，再由基站通過 GPRS網絡發送到數據服務器。在整個智能物聯施工安全防護系統中，數據采集部分主要完成環境數據的采集，傳感器節點采集到的數據通過ZigBee網絡發送至基站。基站根據數據發送周期不同，分別發送至前端節點和后端節點。前端節點將收集到的環境參數通過 GPRS網絡發送至手機客戶端，完成對施工現場環境數據的采集，后端節點根據所收集到的環境參數進行分析和處理，以實現對施工現場安全情況的實時監控。后端節點主要完成數據分析和處理，在數據分析處理的過程中，需要對采集到的數據進行預處理。首先，根據預先設定的閾值判斷是否觸發報警。根據系統的應用需求，可以將報警閾值分為三個等級：如果傳感器檢測到數據達到報警閾值，則認為出現了異常情況，報警系統會自動報警；如果傳感器檢測到數據沒有達到報警閾值，則認為數據異常，需要對其進行進一步處理；如果傳感器檢測到數據達到報警閾值但仍未超過報警閾值，則認為該情況屬于正常情況，不需要進行報警。其次，在對數據進行預處理后，將預處理后的數據上傳至云端服務器。云端服務器主要負責接收前端節點發送來的數據并進行分析處理。

若未觸發報警，則直接將預警信息通過短信或語音等形式發送至現場安全監管人員手機上；若觸發了預警信息，則根據預先設定的規則判斷是否需要報警。最后，云端服務器通過GPRS網絡將前端節點發送來的數據傳輸至服務器端。在傳輸過程中，所有經過 GPRS網絡的節點都會同步接收到云端服務器發送來的數據包。由于每個節點都會記錄自己的位置信息以及當前所處的環境信息，因此可以根據接收到的位置信息以及當前所處環境信息判斷出網絡中是否存在其他節點，若存在則直接將其發送至云端服務器，否則將其發送至安全帽上進行報警提示。智能安全帽監控終端軟件主頁面如圖7所示。

5" 實驗測試及結果分析

為驗證該系統的有效性和實用性，對系統的通信性能、功耗、實時性等方面進行了實驗測試。本系統采用ZigBee協議棧，采用CC2530處理器，通過對ZigBee模塊和通信模塊的軟件編程，實現了各傳感器節點數據采集、信息處理和網絡通信功能。本系統在實驗室內搭建了無線傳感器網絡測試環境，并通過安裝在施工現場的3個無線傳感器節點進行了數據采集和傳輸功能測試，以及各節點的實時傳輸能力測試。其中，節點1、2、3的最大傳輸距離分別為120 m、110 m和70 m，分別對三個節點進行了無線傳輸測試，結果如表1所示。由圖7可知，節點1、2、3均滿足傳輸要求，并且其平均功耗分別為0.54 mW、0.35 mW和0.20 mW。節點1、2、3均滿足實時數據傳輸要求，但在數據采集時功耗存在較大的誤差，經過多次測試各節點的傳輸數據穩定可靠，其平均待機功耗均小于0.1 mW。實驗結果表明：該系統具有較強的網絡穩定性和抗干擾能力，其傳輸數據穩定可靠，且實時性好。實驗結果表明該系統能夠穩定可靠地實現施工現場安全數據的實時采集、傳輸和處理，能夠滿足施工現場安全防護的需求。

表1" 無線傳感器網絡測試結果

測試指標 節點1 節點2 節點3

最大傳輸距離/ m 120 110 70

平均工作功耗/ mW 0.54 0.35 0.2

平均待機功耗/ mW ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1

數據傳輸結果 未丟包 未丟包 未丟包

6" 結" 論

針對施工現場安全防護系統不能實現遠程監控的問題，提出了一種基于無線傳感器網絡技術的智能物聯施工安全防護系統，該系統以安全帽為智能穿戴載體，采用基于ZigBee技術的無線自組網方式，對施工現場實時環境數據進行采集，通過無線傳感器網絡技術對數據進行分析和處理，完成對施工現場的安全監控。實驗結果表明，該系統能夠實現對施工現場安全情況的實時監控，在數據傳輸穩定可靠的前提下，其傳輸數據穩定性強、抗干擾能力強。

參考文獻：

[1] 鞏博方.橋梁工程施工安全管理措施分析 [J].交通世界，2023（15）：182-184.

[2] 徐家寬.交通工程道路安全防護施工技術研究 [J].中小企業管理與科技：上旬刊，2020（12）：180-181.

[3] 馮文健.采空區溫度監測Zigbee無線自組網技術研究 [J].裝備制造技術，2021（8）：162-165.

[4] 錢志鴻，王義君.面向物聯網的無線傳感器網絡綜述 [J].電子與信息學報，2013，35（1）：215-227.

[5] 司海飛，楊忠，王珺.無線傳感器網絡研究現狀與應用 [J].機電工程，2011，28（1）：16-20+37.

[6] 王秀明.基于無線傳感器網絡的油井監測系統組網的研究與實現 [J].網絡安全技術與應用，2023（6）：79-81.

[7] 史文路.雙機熱備份系統的研究與設計 [D].南京：南京工業大學，2006.

[8] 李淳.無線傳感器網絡智能信息處理研究 [J].中國新通信，2023，25（2）：19-21.

[9] 方旺盛，彭美平，胡中棟.分區域的樹型多鏈的無線傳感器網絡路由算法 [J].現代電子技術，2022，45（4）：55-60.

[10] 左晨，高倫.建筑施工安全管理研究 [J].磚瓦，2023（1）：114-116.

作者簡介：李霞婷（1979.06—），女，漢族，江西奉

新人，教授，本科，研究方向：計算機技術；陳杰建（1984.08—），

男，漢族，江西上饒人，初級職稱，研究方向：交通信息和通信工程。