智能安全头盔的研究与设计

贵州健康职业学院人文基础部 廖 博

随着瓦斯煤气层的开采，生产技术的提高，在很多煤矿附近新建了瓦斯发电站。瓦斯发电站是一个危险系数非常高的工作环境。工作人员随时都会有身处危险环境的可能，传统的安全头盔已经不能满足瓦斯发电站特定工作环境的需要。因此，对传统安全头盔进行改进升级，以计算机技术、物联网技术、无线传感器技术、无线通信技术为核心，在传统安全头盔上集成多种传感器，设计并实现一款适合于瓦斯发电站的智能安全头盔，使它具备实时感知周围环境信息、掌握工作人员运动轨迹、对瓦斯发电站进行安全实时预警等功能。

安全头盔、安全带、安全网普遍为工业广大职工公认的安全“三宝”。特别是安全头盔，在防冲击事故、人员高出坠落、物体坠落打击中起到了极大的防护作用，是保护施工作业人员头部不受伤害的安全用品。安全帽虽小，但安全事大。这是每个人都该有的常识。在任何时候进入施工作业区域，都应该按照安全规范要求，认真佩戴安全帽。这不仅是对自己的安全负责，还是对规章制度的敬畏，更是对施工作业人员和自己工作的尊重。

安全头盔作为瓦斯电站施工作业过程中用于个体头部防护的安全保护用品，是进行瓦斯发电站工作必不可少的设备。传统的安全头盔只能通过减震及硬度设计优化头部防护作用，功能单一，不能预防瓦斯泄露，不能预测危险的发生。

1 总体设计

现如今国内外的安全头盔的发展仍然还停留在头盔的基本功能层面，对工作人员的头部进行防护，功能单一，技术单一，结构简单，安全头盔的价值还没有完全体现出来，对头盔的利用率很低，工作人员也不是很依赖于安全头盔进行自我保护，安全头盔的很智能都有待开发。在头盔上可以实现很多安全防护功能，头盔仅仅只是一个载体，体积不大，但是可以在上面集成诸多新的技术，满足各种应用环境的需求。

根据查阅相关文献对比得出，选用ZigBee技术作为智能安全头盔的通讯核心技术，智能安全头盔是在传统安全头盔的基础上集成现代电子计算机技术，使其具备特定的功能，其中的电子器件主要包括ZigBee无线通信芯片，微控制器，传感器，报警器、电源等基础部分。在传统安全头盔上嵌入信息技术，通信技术，无线定位技术，最大程度上保证瓦斯工作电站人员的生命财产安全。

智能安全头盔是一个完整的通信系统，头盔包含有控制器模块，示警模块与通信模块，是在传统的安全头盔的基础上增了电子元器件，包括有以单片机为主的控制器模块，ZigBee无线通信模块，信号灯报警模块，环境信息数据采集模块，电源模块等。传感器采集到的数据信息和实时位置经过ZigBee无线网络传输到网关，再由Internet上传至服务器。

智能安全头盔的数据采集系统是在路由器节点和安全头盔终端节点上集成各类传感器，通过无线网络把采集到的信息上传至服务器控制中心。还可以保存采集到的信息。数据一旦异常就会触发智能安全头盔上的信号灯发出报警信号。

2 智能安全头盔的硬件设计

本文设计的智能安全头盔选用TI公司的单芯片集成SOC片上系统CC2530作为控制核心的ZigBee模块作为终端节点的无线通信模块。通过ZigBee网络扩展连接传感器节点进行数据的实时监测。数据监测模块主要由监测环境数据的传感器节点、无线网关通信模块等组成。传感器节点实时采集环境数据，将采集到的数据通过ZigBee无线传感网络发送给网关。网关经过简单处理之后发送给控制中心，网关将收到的数据进行处理，将数据封装之后通过Internet网络上传至控制中心，并在控制中心实时显示，节点模块图如图1所示。

图1 节点模块图

智能安全头盔上位机设计，采用C#进行设计并实现，其中包括定位信息的显示，温度、湿度、一氧化碳、甲烷的实时数据显示。终端节点完成前端数据采集发送到ZigBee网关节点完成终端节点各模块的硬件设计，将各设计模块集成实现。

3 智能安全头盔的软件设计

智能安全头盔在ZigBee无线通信中选取Z-Stack协议栈，将IDE作为开发环境，首先对ZigBee进行无线组网，将系统进行初始化，其中包含ZigBee各层初始化、MAC地址初始化以及终端ZigBee传感器节点初始化等，通过相应的函数对操作系统发出响应指令，然后进行注册任务、初始化及开始任务。最后对任务进行中断处理，管理和分配存储器。Z-Stack执行流程如图2所示。

图2 Z-Stack执行流程图

软件设计，包括网关服务程序软件设计、Z-Stack协议栈、ZigBee组网、ZigBee网关、ZigBee终端节点以及上位机的软件设计。

本系统是在ZigBee无线通信技术的基础上设计并实现的应用于瓦斯发电站的智能安全头盔，通过采用当代电子信息技术，ZigBee无线通信技术，数据分析技术以及传感器技术等，以独立的设计，编程，反复调试等为根基，对于传统头盔进行一次全面的技术改革，设计出这款具有传感器信息采集，瓦斯电站工作人员位置信息监测，瓦斯电厂安全隐患实时预测的无线传输大规模作业的监测系统的智能安全头盔，ZigBee无线网络的实现减少了电厂大面积铺设电缆的设备传输。本系统所提出的智能安全头盔能够准确实时采集瓦斯发电站工作人员周围环境信息以及危险预测报警，更充分的发挥安全头盔的性能及作用。