基于射频识别技术的多功能安全帽的研究与设计

周加全 李志明 吴建生

摘  要：多功能安全帽依托RFID和物联网技术，内置特制RFID超高频芯片，能对进入工地后的施工人员进行身份识别和动态监控，更附有实时定位、视频监控、环境分析、人员身份绑定及人体状态监控、语音广播及对讲等新型功能。在保证安全帽安全性能的同时，为工人以及管理人员提供便利于生产、管理、通信的工具，提高了施工效率，降低了人力成本，让普通安全帽具备更加安全的属性。

关键词：射频识别技术;实时定位;温度检测;智能考勤

中图分类号：TP242       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）01-0168-03

Abstract：Multi-functional smart helmet relies on RFID （Radio Frequency Identification） and internet of things technology. It has a built-in special RFID UHF chip. This system can identify and dynamically monitor the construction personnel entering the construction site，and also has real-time positioning，video surveillance，environmental analysis，personal identity binding and human body status monitoring，voice broadcasting and intercom. While ensuring the safety performance of helmets，it provides workers and managers with tools that facilitate production，management，and communication，improving construction efficiency，reducing labor costs，and making ordinary helmets more secure.

Keywords：radio frequency identification technology;real-time positioning;temperature detection;smart attendance

0  引  言

随着世界各国经济持续快速增长，科技的发展也是日新月异。安全帽是经济生产过程中广泛使用的最重要的一种安全物品，可以应用于建筑、石油、交通等领域，大量的开发建设带来了严重的施工人员安全问题[1]。尽管随着互联网时代的崛起，人们的生活也越来越智能化，但我国市面上存在的传统的安全帽只有最基础的保护功能，科技含量不高，所以我们从创新的角度分析和设计智能安全帽，致力于满足施工人员的心理和生理需求，提高施工人员的工作质量。

目前，有关智能安全帽的设计，国外采用一种比较先进的计算方法——云计算，已有相关产品，但没有被广泛使用。而国内由于资金和技术的限制，还没有完全自主研发出新的技术产品[2]。在面对工地安全事故中，公司对施工人员的安全保护措施有限，仅限于传统的安全帽等保护措施，带来了极大的不便及安全隐患，无法较好地达到伤亡事故控制、安全达标、文明施工管理等目标，这些都是亟待解决的问题[3]。因此如果智能安全帽在原有的传统安全帽的基础上，搭载自行设计的开发板及多种传感器，能够实现良好的通信功能及安全事故预警，同时进行较为人性化的设计，关注使用人员的身体状态及所处环境状态，可以实现更高的安全可靠性。

1  RFID系统的工作原理

传统的RFID系统是非接触模式的自动识别技术。它的主要构成部分由阅读器、电子标签、应用软件系统等组成[4]。其工作原理为：首先，阅读器读出的相应的信息并产生射频信号，从而产生感应电流，由此产生一定的能量，然后把电子标签的信息传送给阅读器，这时信号处理模块对收到的信息进行处理。通过调和解码后将消息发送至中央信息系统进行数据处理，根据一定的逻辑要求，电子标签内的信息与原系统信息进行比对，如果不相同，则需要按照配置参数对收到的信息进行处理，阅读器收到处理之后的信息，完成相应的读写操作。

由电磁场产生的感应电流形成电感耦合系统，由阅读器接收到的反馈信息形成电磁反向散热耦合系统[5]。根据电磁感应定律使得空间高频交变磁场形成电感耦合;电磁波的空间传播规律通过电磁反向散射耦合形成电磁波，遇到含有相应信息的目标后形成反射[6]。电感耦合方式与电磁反向散射耦合方式采用的耦合方式不同，所以适合的场合也不同。近距离射频识别系统一般是前者，远距离射频识别系统为后者。RFID技术的基本功能原理图如图1所示。

2  基于射频识别技术的多功能安全帽的应用

2.1  实时定位

多功能安全帽采用先进的RFID技术实现实时定位功能。GPS全球定位系统是现有的最成熟也最简单易用的定位方法，具有非常明显的优势，定位精确，适用于各种室外场所[7]。然而GPS定位在室内定位时，信号较差，定位的信息不准确，主要是因为影响室内环境的因素比较多，而且信号传播性复杂，关于室内定位技术的研究仍然是目前的重点。

采用RFID技术进行室内定位无疑是一種非常稳定且定位准确的方法。因为它具有的非接触式双向通信交换数据已达到识别和定位的目的，成本低、传输范围大，非接触式和非视距的优点[8]。由于射频识别技术是采用无线射频信号自动识别物体的技术，所以能在相对复杂的条件下工作，而且可以对各种移动物体多目标进行识别。在识别过程中不需要干预，因为它通过收/发相应的射频信号获得数据。

阅读器可以对射频识别技术系统的信息进行相应的处理，电子标签中含有阅读器所处理的信息。EPC编码的不同，导致每个电子标签都是不一样的，EPC编码可以方便地对目标物体进行快速识别。阅读器和电子标签主要是通过数据处理系统进行联系，这种联系实际上是对数据进行相应的处理，同时可以为它们的通信奠定基础。

本文中采用基于RSSI的定位算法来实现相应的定位功能。根据接收到的信号强度的不同，可以得到无线信号在传输过程中的损失也是不同的。因此可以根据传输过程中的损失来判断信号衰减强度，并把它们转化为接收和发送信息之间的实际距离。由于RFID技术能够根据上述原理实现相应的实时定位，这样可以为用户提供进一步的便利。

2.2  智能考勤

将非接触射频IC卡内置于多功能安全帽中，当用户穿过或者靠近考勤机时，能够有效地考勤并进行记录数据，在电脑端可以获取考勤的数据等。

由于非接触射频IC卡的序列号具有唯一性和独立性，所以它能够很好地解决条形码、磁卡等所存在的问题[9]。在进行相应的数据交换时，要对身份合法性进行相应的认证，这种认证主要基于非接触射频IC卡与读写器之间的双向鉴别机制。

由考勤机和计算机软件来共同组成一种基于射频识别技术的考勤系统。考勤机能够长时间地保存考勤数据的内容，其中一些相关数据的采集工作则有计算机来实现。

根据已有的资源，通过使用C/S（client/server）系统，可以实时地对相应的考勤数据进行审核和分析。还可以实现网络上资源共享。这种系统是以Delphi7为开发工具，采用C/S架构，以SQL Server为后台数据库。它可以在现有的系统平台上运行。根据智能IC卡以及采集的原始数据，然后使用UML面向对象方法对系统进行分析和建模，用ADO方式把原始数据库连接起来，在计算机上通过使用Windows API函数实现串口通信，这样可以实现考勤管理的自动化和科学化。

根据该功能设计了考勤信息管理系统框架图，如图3所示。

3  温度报警

射频识别系统采用一种基于树莓派和Java语言编译的系统。该系统含有温度报警的功能，主要有客户端、服务端、温度测试模块三层硬件架构[10]。计算机可以作为客户端使用，GUI界面与人进行交互获得指令后，通过网络发送给由嵌入式系统树莓派组成的服务器。由服务器接入网络，并接受来自客户端的指令，并对其进行操作，控制温度测试模块工作并将数据传给客户端，当达到某一温度值时发出警报。温度测试模块通过通用I/O接口与树莓派通讯，按照要求进行测量。从而实现当室外温度过高时发出警报、提醒用户注意休息的功能。

根据该功能，可将软件系统分为如下几个模块，如图4所示。

4  实现与测试

将多功能安全帽戴在员工头上，并通过装有识频器的门，可以在电脑端看到打卡记录，记录如表1所示：

树莓派的引脚与温度模块连接起来内置在多功能安全帽中，当温度值达到一定的阈值时便会发出声响，提醒工人注意休息。树莓派引脚与温度模块的连接方式如图7所示。

5  结  论

本文通过采用了先进RFID技术设计的多功能安全帽具有相对较高的可靠性和集成性，而且相对来说具有体积比较小的优点，经过相应的测试发现，多功能安全帽能够有效解决考勤麻烦和室内定位不够精准的问题，方便实现安全监督，同时还可以进行室外测温，能够让安全帽在室外达到一定温度时报警，以及时提醒工人们进行适当的休息，保证了人员的安全。本文提出的多功能安全帽及其平台都具有通用性，如果在此基础上稍加改进就可以在多个场合进行使用，应用前景广阔。

参考文献：

[1] 俞岳南，陈海达.我国安全帽行业现状和发展趋势 [J].现代职业安全，2010（9）：31-33.

[2] 刘渊.融合射频识别的无线传感网定位关键技术研究 [D].南京：东南大学，2018.

[3] 史伟光.基于射频识别技术的室内定位算法研究 [D].天津：天津大学，2012.

[4] 张伯昆，陈卓.面向物联网的RFID安全策略与技术研究 [J].中国新通信，2018，20（19）：135-136.

[5] 陈敏.基于射频能量收集的结构健康监测系统设计与研究 [D].杭州：浙江大学，2017.

[6] 王小飞.基于物联网的实验室管理平台的设计与实现 [D].济南：山东大学，2016.

[7] 郭亮，叶爱民，林涛，等.基于树莓派和Java语言的温湿度远程实时测量系统的设计 [J].计算机测量与控制，2017，25（6）：4-8+20.

[8] 邬剑飞，周路明.基于RFID技术的移动临床护理系统研究 [J].自动化与仪器仪表，2016（10）：104-106.

[9] 余海洋，曹志良，刘绍波.基于射频识别技术（RFID）的汽车防盗系统开发设计 [J].计算机测量与控制，2016，24（2）：144-146+150.

[10] 司禹，馮鹏，于双铭，等.基于无源超高频RFID温度标签的温度监测系统 [J].传感器与微系统，2017，36（1）：78-80+86.

作者简介：周加全（1988.11-），男，汉族，山东滕州人，助教，硕士研究生，研究方向：智能控制，控制理论与控制工程。