基于物聯網的野外工作智能頭盔系統設計

中圖分類號：TP368 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0036-06

Abstract：Aimingattheproblemsof poorcommunicationandlargeresponsedelaywhen theexistingsmart helmetforfield workisappliedinthefieldenvironment，anewdesignschemeforfieldworksmarthelmetsystemisproposed.Thesystem consistsofabasestation，ahelmetandanaplicationterminal.ThewarshipV3developmentboardwith STM32F103ZET6as thecoreisusedasthebasestationmaincontrolboard，the STM32F103C8T6minimumsystemboardisusedasthehelmetmain controlboard，andanAPPisquippdastheaplicationteminal.Thesystemadoptstwocombinedwirelesscommunication modes of \"LoRa + WIFI\"to realize \"helmet-base station -APP\"three-party communication transmission，and ensuresstable operation of the system to the greatest extent through the two operating modes of \"base station + APP\". The test results show that thecommunicationtransmissonefectofthesystemislessafectedbytheoutsideworld，andcanstablymonitorthestatusof thehelmet wearer and the working environment，which isof great significance to thesafetyoffield workers.

Keywords：smart helmet; Internet of Things;STM32MCU;LoRacommunication;WIFI communication

在勘探、開采、考古、探險、基礎設施建設等領域，有大量的工作需要在野外環境下開展。然而，由于地理、地質、自然、氣象、網絡等條件的特殊性，在野外環境中的工作人員面臨著各種各樣的風險和挑戰，嚴重威脅著工作人員的健康與生命安全。因此，借助最新的物聯網相關技術開發智能化的頭盔系統，能夠實時監測環境數據，提供預警和應急響應功能，對于保障野外工作人員的生命安全和工作效率具有重要意義[1-2]。

目前，國內對于野外工作智能頭盔的研究已取得了一定成果，在消防、礦井等場景已有一些應用[3-4，并且在非野外的其他工業領域智能頭盔也大放異彩。近年來，國外對智能頭盔的研究趨向于高度智能化與集成化，重視用戶的體驗與實用性。但是，國內外對于野外智能頭盔的通信問題研究較少，且對于傳統的指揮中心監控模式容易因為信號波動產生通信中斷問題從而帶來安全隱患。

為提升安全性和可靠性，本文設計了一種基于物聯網的野外工作智能頭盔系統。系統由基站、頭盔終端和移動端APP構成，一套系統由1個基站、若干個頭盔終端和移動應用端構成。使用時，基站在工作地附近打開，具備人機交互界面，可供值守人員監測數據。頭盔由工作人員佩戴，可監測佩戴者位置、心率和環境信息。基站與頭盔間采用LoRa通信傳輸數據，基站值守人員打開手機熱點使基站聯網，數據將通過WIFI上傳云平臺，經過云流轉可在APP端監測數據，實現“基站-頭盔-云平臺\"三方通信傳輸，在WIFI通信中斷或不可靠時基站和頭盔能正常工作。本設計創新點在于“LoRa + WIFI\"2種組合無線通信模式和“基站 +APP^′′2 種操作模式，前者可確保系統無論在何種網絡狀況下均能正常通信，后者可作為雙保險防范系統工作時出現故障導致不可用的情況。

1總體方案設計

基于物聯網的野外工作智能頭盔系統設計主要由可移動的基站、頭盔終端和移動端APP3部分組成，系統原理框圖如圖1所示。LoRa技術是美國Semtech公司提出的無線標準，作為物聯網的一種基于非授權頻譜的窄帶技術，有著通信速率可變、成本低、距離長、標準完備、功耗低、建網方式靈活等優勢。LoRa技術能有效改善野外網絡條件差通信受阻的問題，可實現大規模的網絡部署，便于工作地環境參數與頭盔佩戴者數據的監測與無線傳輸。此外，LoRa的擴頻有6個擴瀕因子可供選擇，可以在擴大帶寬的同時減少外部干擾，提高通信可靠性和利用率。本系統采用一對多透明傳輸模式對每一個頭盔終端節點進行監測，透明傳輸可以保證傳輸數據的一致性和完整性。點對多通信示意圖如圖2所示，其中A代表基站，其余各字母均代表一個頭盔（節點），與基站通信。

圖1總體方案設計圖

圖2LoRa點對多通信示意圖

基站由基站主控板、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、風速傳感器、ESP8266WIFI模塊和LoRa通信模塊組成。基站主控板采用正點原子戰艦V3開發板，自帶一塊3.5寸TFTLCD屏。基站嵌入式軟件基于 μC/OS-II 嵌入式實時操作系統進行設計，各任務調度運行，使CPU資源的利用最大化。設計LCD屏幕的操作界面，通過判斷按下位置進行相應頁面跳轉，實現人機交互的操作，不同頁面具有不同的功能，可監視不同的數據，防止數據過多導致錯亂，節省管理人員精力。

頭盔由頭盔主控板、溫濕度傳感器、北斗/GPS雙定位模塊、心率血氧傳感器、語音模塊、LoRa通信模塊組成。可實時采集工作人員的位置信息、心率血氧信息和所處環境信息，并將其通過LoRa通信傳輸給基站。通過語音模塊可與頭盔使用者進行語音交互，可以播報溫濕度，當心率過低時發出報警，幫助使用者在工作過程中更加方便地知曉周圍情況，提升工作效率。

應用端APP的數據監測通過云產品流轉實現。基站通過ESP8266模塊將開發板配網，連接阿里云平臺，然后將數據上傳阿里云平臺。阿里云平臺可以直接解析數據并通過云產品流轉將數據下發給APP，使APP顯示基站所獲得的傳感器數據，實現應用端的遠程監測。

2 系統硬件設計

2.1基站硬件設計

2.1.1 基站主控板

基站要起到監測環境數據，接收頭盔開發板傳輸來的數據，向云平臺發送數據這樣一個通信樞紐的作用，基站主控板需要有較強的數據處理能力，對內存、I/O接口、定時器等系統資源的數量也有一定要求。基站主控板選用ALIENTEKSTM32F103ZET6戰艦V3開發板，該開發板采用STM32F103ZET6作為MCU，STM32F103ZET6擁有64KBSRAM、512KBFLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口及112個通用IO口。并且還帶外部總線（FSMC）可以用來外擴SRAM和連接LCD等，通過FSMC驅動LCD可以顯著提高LCD的刷屏速度，是STM32F1常用型號里面最高配置的芯片，具有強大的處理功能，能滿足較大系統開發的需求。

2.1.2 溫濕度傳感器模塊

不同野外工作環境的溫濕度可以反映不同的問題，在礦井、考古等野外工作環境下的溫濕度數據與工作質量有緊密的聯系。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件，并與1個高性能8位單片機相連接。體積小，功耗低，封裝為3個引腳，VCC接 3.3V 供電端，GND接地，DATA為數據通信引腳端口，接單片機的PG11接口。采用1-Wire單總線協議輸出數據，一次完整的數據傳輸為 40bit ，高位先出。數據包格式為：8bit濕度整數數據 ⁺⁸ bit濕度小數數據 +8bit 溫度整數數據 +8bit 溫度小數數據 +8bit 校驗和，其中校驗和數據為前4個字節相加。

2.1.3 煙霧傳感器模塊

在野外工作中，煙霧濃度過大或者有可燃煙霧產生都會威脅野外工作人員的生命安全。MQ-2可燃煙霧傳感器基于半導體氣敏元件的電阻變化，用于檢測空氣中的煙霧濃度。當煙霧氣體進入傳感器時，它會與氣敏元件表面的敏感材料發生化學反應，導致電阻值發生變化，通過電阻值的變化轉化為煙霧濃度的大小。該傳感器封裝為4個引腳，VCC接3.3V供電端，GND接地，AO模擬輸出端接單片機PF6接口，PF6接口設置模擬輸入模式，D0數字輸出端空接。通過A/D轉換輸出煙霧數值。

2.1.4 ESP8266 WIFI模塊

ATK-ESP8266是ALIENTEK推出的一款高性能的UART-WiFi（串口-無線）模塊，ATK-ESP8266模塊采用串口與MCU通信，兼容3.3V和5V單片機系統。工作時通過發送AT指令控制模塊聯網和連接云平臺，并將單片機數據以指定格式發送到云平臺。本系統中采用連接基站管理人員手機熱點的方式聯網。該模塊有6個封裝引腳，分別為IO_0、RST、TXD、RXD、VCC和GND。其中，IO_O和RST是模塊燒寫固件和復位的接口，使用時不需接線。VCC接單片機5V供電端，GND接地。TX為輸出引腳，與單片機US-ART2的RX（PA3）引腳相連，RX為輸入引腳，與單片機USART2的TX（PA2）引腳相連。

2.1.5 LoRa模塊

ATK-LORA-O1是ALIENTEK推出的一款體積小、微功率、低功耗、高性能遠距離的LORA無線串口模塊。設置各LoRa模塊通信的信道、速率、波特率等參數相同，并配置各模塊間通信方式為透明傳輸。接收的數據即為基站發送的數據，所發即所得。該模塊有6個封裝引腳，分別為MDO、AUX、TXD、RXD、VCC和GND。其中，MDO和AUX是配置模塊工作參數和工作狀態的接口。VCC接單片機5V供電端，GND接地。TX為輸出引腳，與單片機USART3的RX（PB11）引腳相連，RX為輸入引腳，與單片機USART3的TX（PB10）引腳相連。

2.2 頭盔硬件設計

頭盔由頭盔主控板、溫濕度傳感器、北斗/GPS雙定位模塊、心率血氧傳感器、語音模塊和LoRa通信模塊組成。本節只介紹頭盔主控板、北斗/GPS雙定位模塊、心率血氧傳感器、語音模塊，其余2種傳感器與基站硬件設計相同，不再介紹。

2.2.1 頭盔主控板

頭盔由于要佩戴在頭部，要保證在工作中方便使用，需要同時兼備體積小，功耗低，較強的處理功能的特點。頭盔主控板選用STM32F103C8T6最小系統板，MCU采用高性能的ARMCortex-M3內核，主頻高達72MHz ，能夠快速處理復雜的計算任務。并且，微控制器本身采用了低功耗設計，支持多種低功耗模式，包括睡眠模式、停正模式和待機模式。在這些模式下，微控制器可以根據實際需求關閉未使用的外設和時鐘，從而顯著降低能耗。同時，最小系統板的體積非常小巧，通常僅包含運行STM32微控制器所需的最基本組件。這種緊湊的設計使得它在空間受限的應用場景中具有顯著優勢，例如在便攜式設備、小型傳感器節點或嵌入式控制系統中，能夠有效節省空間，便于集成，滿足系統開發需求。

2.2.2 北斗/GPS雙定位模塊

ATK-S1216F8-BDGPS/北斗模塊是一款高性能

GPS/北斗雙模定位模塊。采用NMEA-0183協議傳輸幀。傳輸的幀信息主要包括：GPS定位信息、可見衛星數、地面速度信息等。模塊有5個封裝引腳，分別為PPS、TXD、RXD、VCC和GND。其中，PPS是顯示工作狀態的接口。VCC接單片機5V供電端，GND接地。TXD為輸出引腳，與單片機USART1的RX（PA10）引腳相連，RXD為輸入引腳，與單片機USART1的TX（PA9）引腳相連。

2.2.3 心率血氧模塊

心率血氧模塊選用MAX30102心率血氧傳感器，是一個集成的脈搏血氧儀和心率監測模塊，通過光學測量原理，利用紅外光和紅光的反射特性來獲取心率和血氧飽和度數據。模塊有8個封裝引腳，只有5個引腳需要接線。VCC接單片機3.3V供電端，GND接地。SCL為連接I2C總線的時鐘引腳，與單片機的PB7相連。SDA為連接I2C總線的數據引腳，與單片機的PB8相連，INT為中斷引腳與PB9相連。

2.2.4 語音模塊

語音模塊選用SU-03T語音模塊，是一個低功耗、小體積的離線語音識別模組，支持離線開發。該模塊由用戶在平臺上自行設置喚醒詞、檢測數據等參數并將配置自動生成代碼壓縮包，通過燒錄固件的方式直接下載至模塊中，可不斷更新迭代配置，符合系統開發需求。該模塊封裝引腳較多，其中：SPK是連接喇叭的引腳；MIC是連接麥克風的引腳；VCC和GND接電源轉換模塊，防止模塊燒毀;BO為TX（串口輸出引腳）接單片機USART2的RX（PA3）引腳相連；B1為RX（串口輸入引腳）接單片機USART2的TX（PA2）引腳相連。

3 系統軟件設計

根據總體設計方案，該系統軟件由基站軟件、頭盔軟件、APP（云平臺）3部分組成。基站與頭盔均使用KeiluVision5軟件作為開發環境，采用C語言編程；APP使用DevEcoStudio5.0.3軟件，采用ArkTs語言編程，基于鴻蒙系統進行開發。程序設計開發采用模塊化編程思想，3部分間既能相互獨立又能協同工作。

3.1基站軟件設計

基站需要完成的任務較多，為避免常規開發中設計一個主循環運行導致程序運行效率低下的情況，選用 μC/OS-II 嵌入式實時操作系統，將每一個功能封裝為一個任務，采用基于優先級的任務調度，即先運行任務優先級最高的任務，并且在這個任務一次運行結束時設置延時等待，在延長時間內可調度優先級次高的任務運行，如此調度任務來最大化利用CPU的資源，提高基站運行效率。操作系統任務設計表見表1。

基站開始工作時，首先進行外設、字庫、內存等初始化，然后進行操作系統初始化。初始化完成后，屏幕顯示基站主頁面，系統正常啟動。然后，操作系統中的各任務開始調度運行。通過任務調度，可在最短時間內完成傳感器監測、與頭盔通信、與云平臺通信等任務。同時，通過判斷使用者在屏幕上按下的位置，跳轉對應頁面，分別為：環境監測頁面實現對環境數據的監測；頭盔佩戴者信息頁面顯示現在每個頭盔佩戴者得到基本信息；頭盔情況頁面顯示各頭盔佩戴者的心率和位置；警示信息頁面展示野外工作的公益警示語；故障檢測頁面實現屏幕校準功能。基站工作流程圖如圖3所示。

表1任務設計表

圖3基站工作流程圖

3.2 頭盔軟件設計

頭盔主控板上電后，首先進行各外設的初始化，包括定時器、串口等資源，接著，系統進行溫濕度監測、心率血氧檢測和GPS定位，然后，系統將心率血氧數據以固定幀格式通過串口2發送給語音模塊，語音模塊自動解析幀，當心率數據低于閾值進行語音報警。當佩戴者詢問溫濕度時，通過命令詞喚醒語音模塊，語音模塊向單片機發送一個事件標志位，單片機接收到該標志位之后，語音模塊以此時發送給語音模塊的幀數據為準，進行幀解析獲取溫濕度數據并播報。頭盔LoRa模塊與基站的LoRa模塊建立聯系后，可傳輸心率和定位數據。頭盔主控板工作流程圖如圖4所示。

圖4頭盔主控板工作流程圖

3.3 APP軟件設計

APP僅用于基站值守人員在移動端監測頭盔佩戴者相關數據，整個APP的設計以實用為主。為方便基站值守人員使用，設置一個登錄界面，輸入正確的賬號密碼進行登錄。登陸成功后就是數據監測頁面，主要監測的數據為工作地溫濕度、可燃氣體濃度及頭盔佩戴者心率數據。主要使用了Column、Row及Stack的組合布局，設計出層次疊放的頁面。APP顯示的數據是單片機系統實時上報給云平臺并經過云產品流轉傳遞給APP的數據，APP與云平臺間通信過程如圖5所示。

圖5APP與云平臺通信過程

4系統測試

完成硬件設計與軟件設計及代碼編寫，將代碼下載到STM32開發板中，對整個系統進行聯調。測試項目主要有：硬件基礎功能測試、LoRa通信距離及穩定性測試、APP通信功能測試。測試的目的是為了驗證系統功能是否實現，以及系統在不同距離、不同自然環境與網絡正常情況下的通信穩定性與有效性。

4.1硬件基礎功能測試

頭盔及基站開發板全部上電，待初始化完成，所有傳感器已經開始運行后，開始進行測試。經測試，數據都能正常采集，顯示延遲小，數據準確且穩定。基站按鍵報警，頭盔語音交互功能等均一切良好。系統主界面如圖6所示。

圖6基站主界面

4.2LoRa通信距離及穩定性測試

此項測試選擇在戶外進行，使用控制變量法。選擇在相同的通信條件下不斷增加距離，統計延遲時間，測試通信距離對通信穩定性的影響。然后選擇在相同距離下不斷增加障礙物，測試障礙物對通信穩定性的影響。經測試，在室外溫度 13^qC 時，傳輸數據穩定的時間平均為4.32s，且隨距離增加，達到穩定的時間越久。在 2km 以上幾乎沒有數據更新。在通信距離固定為 200m 時，障礙物越茂密通信穩定性越差，近似成正比關系。

4.3 APP通信功能測試

在正常的網絡條件下，基站和頭盔開始正常工作后，打開APP觀察數據顯示情況。經測試，數據顯示存在一定延遲，但是可以正常顯示。APP頁面如圖7所示。

圖7APP數據監測頁面

5 結束語

本文提出了一種基于物聯網的新型野外工作智能頭盔系統設計方案，基站值守人員可使用基站和APP兩種操作模式遠程監控工作人員的生命體征和環境數據。該系統借助“LoR ^a+ WIFI\"的組合無線通信模式，使系統在有無網絡環境下均可使用，受網絡條件影響小。同時，基于LoRa通信距離遠的特點，該系統可在空曠地覆蓋相對較大的面積。本系統適用于各種復雜的野外工作環境，能為野外工作人員生命安全保駕護航。本系統也存在一些不足之處，在有障礙物時通信性能下降，實際使用時可將基站位置選擇在高處以減少阻擋。另外，為使系統覆蓋面積更大可使用組網方案設置一級、二級網關，逐層傳遞數據，使其具有更好的實用性。

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