周加全 李志明 吳建生

摘? 要：多功能安全帽依托RFID和物聯(lián)網技術，內置特制RFID超高頻芯片，能對進入工地后的施工人員進行身份識別和動態(tài)監(jiān)控，更附有實時定位、視頻監(jiān)控、環(huán)境分析、人員身份綁定及人體狀態(tài)監(jiān)控、語音廣播及對講等新型功能。在保證安全帽安全性能的同時，為工人以及管理人員提供便利于生產、管理、通信的工具，提高了施工效率，降低了人力成本，讓普通安全帽具備更加安全的屬性。

關鍵詞：射頻識別技術;實時定位;溫度檢測;智能考勤

中圖分類號：TP242? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著世界各國經濟持續(xù)快速增長，科技的發(fā)展也是日新月異。安全帽是經濟生產過程中廣泛使用的最重要的一種安全物品，可以應用于建筑、石油、交通等領域，大量的開發(fā)建設帶來了嚴重的施工人員安全問題[1]。盡管隨著互聯(lián)網時代的崛起，人們的生活也越來越智能化，但我國市面上存在的傳統(tǒng)的安全帽只有最基礎的保護功能，科技含量不高，所以我們從創(chuàng)新的角度分析和設計智能安全帽，致力于滿足施工人員的心理和生理需求，提高施工人員的工作質量。

目前，有關智能安全帽的設計，國外采用一種比較先進的計算方法——云計算，已有相關產品，但沒有被廣泛使用。而國內由于資金和技術的限制，還沒有完全自主研發(fā)出新的技術產品[2]。在面對工地安全事故中，公司對施工人員的安全保護措施有限，僅限于傳統(tǒng)的安全帽等保護措施，帶來了極大的不便及安全隱患，無法較好地達到傷亡事故控制、安全達標、文明施工管理等目標，這些都是亟待解決的問題[3]。因此如果智能安全帽在原有的傳統(tǒng)安全帽的基礎上，搭載自行設計的開發(fā)板及多種傳感器，能夠實現(xiàn)良好的通信功能及安全事故預警，同時進行較為人性化的設計，關注使用人員的身體狀態(tài)及所處環(huán)境狀態(tài)，可以實現(xiàn)更高的安全可靠性。

1? RFID系統(tǒng)的工作原理

傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)是非接觸模式的自動識別技術。它的主要構成部分由閱讀器、電子標簽、應用軟件系統(tǒng)等組成[4]。其工作原理為：首先，閱讀器讀出的相應的信息并產生射頻信號，從而產生感應電流，由此產生一定的能量，然后把電子標簽的信息傳送給閱讀器，這時信號處理模塊對收到的信息進行處理。通過調和解碼后將消息發(fā)送至中央信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)一定的邏輯要求，電子標簽內的信息與原系統(tǒng)信息進行比對，如果不相同，則需要按照配置參數(shù)對收到的信息進行處理，閱讀器收到處理之后的信息，完成相應的讀寫操作。

由電磁場產生的感應電流形成電感耦合系統(tǒng)，由閱讀器接收到的反饋信息形成電磁反向散熱耦合系統(tǒng)[5]。根據(jù)電磁感應定律使得空間高頻交變磁場形成電感耦合;電磁波的空間傳播規(guī)律通過電磁反向散射耦合形成電磁波，遇到含有相應信息的目標后形成反射[6]。電感耦合方式與電磁反向散射耦合方式采用的耦合方式不同，所以適合的場合也不同。近距離射頻識別系統(tǒng)一般是前者，遠距離射頻識別系統(tǒng)為后者。RFID技術的基本功能原理圖如圖1所示。

2? 基于射頻識別技術的多功能安全帽的應用

2.1? 實時定位

多功能安全帽采用先進的RFID技術實現(xiàn)實時定位功能。GPS全球定位系統(tǒng)是現(xiàn)有的最成熟也最簡單易用的定位方法，具有非常明顯的優(yōu)勢，定位精確，適用于各種室外場所[7]。然而GPS定位在室內定位時，信號較差，定位的信息不準確，主要是因為影響室內環(huán)境的因素比較多，而且信號傳播性復雜，關于室內定位技術的研究仍然是目前的重點。

采用RFID技術進行室內定位無疑是一種非常穩(wěn)定且定位準確的方法。因為它具有的非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)已達到識別和定位的目的，成本低、傳輸范圍大，非接觸式和非視距的優(yōu)點[8]。由于射頻識別技術是采用無線射頻信號自動識別物體的技術，所以能在相對復雜的條件下工作，而且可以對各種移動物體多目標進行識別。在識別過程中不需要干預，因為它通過收/發(fā)相應的射頻信號獲得數(shù)據(jù)。

閱讀器可以對射頻識別技術系統(tǒng)的信息進行相應的處理，電子標簽中含有閱讀器所處理的信息。EPC編碼的不同，導致每個電子標簽都是不一樣的，EPC編碼可以方便地對目標物體進行快速識別。閱讀器和電子標簽主要是通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行聯(lián)系，這種聯(lián)系實際上是對數(shù)據(jù)進行相應的處理，同時可以為它們的通信奠定基礎。

本文中采用基于RSSI的定位算法來實現(xiàn)相應的定位功能。根據(jù)接收到的信號強度的不同，可以得到無線信號在傳輸過程中的損失也是不同的。因此可以根據(jù)傳輸過程中的損失來判斷信號衰減強度，并把它們轉化為接收和發(fā)送信息之間的實際距離。由于RFID技術能夠根據(jù)上述原理實現(xiàn)相應的實時定位，這樣可以為用戶提供進一步的便利。

2.2? 智能考勤

將非接觸射頻IC卡內置于多功能安全帽中，當用戶穿過或者靠近考勤機時，能夠有效地考勤并進行記錄數(shù)據(jù)，在電腦端可以獲取考勤的數(shù)據(jù)等。

由于非接觸射頻IC卡的序列號具有唯一性和獨立性，所以它能夠很好地解決條形碼、磁卡等所存在的問題[9]。在進行相應的數(shù)據(jù)交換時，要對身份合法性進行相應的認證，這種認證主要基于非接觸射頻IC卡與讀寫器之間的雙向鑒別機制。

由考勤機和計算機軟件來共同組成一種基于射頻識別技術的考勤系統(tǒng)?？记跈C能夠長時間地保存考勤數(shù)據(jù)的內容，其中一些相關數(shù)據(jù)的采集工作則有計算機來實現(xiàn)。

根據(jù)已有的資源，通過使用C/S（client/server）系統(tǒng)，可以實時地對相應的考勤數(shù)據(jù)進行審核和分析。還可以實現(xiàn)網絡上資源共享。這種系統(tǒng)是以Delphi7為開發(fā)工具，采用C/S架構，以SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫。它可以在現(xiàn)有的系統(tǒng)平臺上運行。根據(jù)智能IC卡以及采集的原始數(shù)據(jù)，然后使用UML面向對象方法對系統(tǒng)進行分析和建模，用ADO方式把原始數(shù)據(jù)庫連接起來，在計算機上通過使用Windows API函數(shù)實現(xiàn)串口通信，這樣可以實現(xiàn)考勤管理的自動化和科學化。

根據(jù)該功能設計了考勤信息管理系統(tǒng)框架圖，如圖3所示。

3? 溫度報警

射頻識別系統(tǒng)采用一種基于樹莓派和Java語言編譯的系統(tǒng)。該系統(tǒng)含有溫度報警的功能，主要有客戶端、服務端、溫度測試模塊三層硬件架構[10]。計算機可以作為客戶端使用，GUI界面與人進行交互獲得指令后，通過網絡發(fā)送給由嵌入式系統(tǒng)樹莓派組成的服務器。由服務器接入網絡，并接受來自客戶端的指令，并對其進行操作，控制溫度測試模塊工作并將數(shù)據(jù)傳給客戶端，當達到某一溫度值時發(fā)出警報。溫度測試模塊通過通用I/O接口與樹莓派通訊，按照要求進行測量。從而實現(xiàn)當室外溫度過高時發(fā)出警報、提醒用戶注意休息的功能。

根據(jù)該功能，可將軟件系統(tǒng)分為如下幾個模塊，如圖4所示。

4? 實現(xiàn)與測試

將多功能安全帽戴在員工頭上，并通過裝有識頻器的門，可以在電腦端看到打卡記錄，記錄如表1所示：

樹莓派的引腳與溫度模塊連接起來內置在多功能安全帽中，當溫度值達到一定的閾值時便會發(fā)出聲響，提醒工人注意休息。樹莓派引腳與溫度模塊的連接方式如圖7所示。

5? 結? 論

本文通過采用了先進RFID技術設計的多功能安全帽具有相對較高的可靠性和集成性，而且相對來說具有體積比較小的優(yōu)點，經過相應的測試發(fā)現(xiàn)，多功能安全帽能夠有效解決考勤麻煩和室內定位不夠精準的問題，方便實現(xiàn)安全監(jiān)督，同時還可以進行室外測溫，能夠讓安全帽在室外達到一定溫度時報警，以及時提醒工人們進行適當?shù)男菹?，保證了人員的安全。本文提出的多功能安全帽及其平臺都具有通用性，如果在此基礎上稍加改進就可以在多個場合進行使用，應用前景廣闊。

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作者簡介：周加全（1988.11-），男，漢族，山東滕州人，助教，碩士研究生，研究方向：智能控制，控制理論與控制工程。