0 引言

　　石油化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中使用的原料、半成品及制成品多屬易燃、易爆、有毒有害、腐蝕性的化學(xué)物質(zhì),這些化學(xué)性毒物在生產(chǎn)加工過程中，多數(shù)以氣態(tài)存在車間空氣中，比如硫化氫、苯、液化氣體等有毒氣體。雖然屬于低濃度接觸，但也可以引起機體急性或慢性病理變化；另外，生產(chǎn)過程中的噪聲污染不僅影響聽覺系統(tǒng)，還會對心血管及消化系統(tǒng)產(chǎn)生影響。有調(diào)查顯示，困擾石油職工的主要疾病情況中消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和運動器官疾病排在前四位, 各種職業(yè)病患者占總?cè)藬?shù)4.4%[1]。石油化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程的不安全因素大大超過其他行業(yè)，危險事故發(fā)生的概率較高[2]。

　　國內(nèi)外對面向石油化工安全預(yù)警系統(tǒng)進行了大量的研究，如西門子公司的SIMATIC PCS7，Matricon公司的Alarm Manager及其配套工具；戴靚等人研發(fā)的石油化工設(shè)備智能預(yù)警系統(tǒng)[3]；潘紅磊研發(fā)石油石化企業(yè)預(yù)警系統(tǒng)[4]，諸多產(chǎn)品主要應(yīng)用在設(shè)備和廠區(qū)環(huán)境等方面，對于石化廠區(qū)職工健康安全預(yù)警系統(tǒng)鮮見報道。

　　本文針對石油化工生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、存在威脅人身安全的多種環(huán)境參數(shù)的問題，設(shè)計了石化廠區(qū)職工健康安全預(yù)警系統(tǒng)。通過在普通頭盔上搭載傳感器（溫度、濕度、可燃氣、二氧化硫、硫化氫、心率、GPS定位）檢測生產(chǎn)人員周邊環(huán)境參數(shù)、生命體征以及地理位置，利用無線射頻芯片nRF24L01傳輸?shù)酵蟊砩巷@示，以供查看。同時腕表可以接收來自監(jiān)控中心的通信信息以及當(dāng)危險事故發(fā)生時的撤離警報。

1 系統(tǒng)總體框圖

　　本系統(tǒng)由安全預(yù)警頭盔、腕表以及監(jiān)控中心的PC組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。通過傳感器檢測人員周邊環(huán)境，并利用射頻技術(shù)實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵蟊怼Ｍ瑫r監(jiān)測人員的心率，通過攝像頭拍攝圖像，利用WiFi技術(shù)將心率、環(huán)境參數(shù)和視頻流發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心播放及保存?zhèn)骰氐囊曨l和環(huán)境參數(shù)，可發(fā)送信息到腕表顯示以及觸發(fā)頭盔上的語音報警。數(shù)據(jù)傳輸采用WiFi無線傳輸模塊以及nRF24L01無線射頻傳輸模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 安全預(yù)警頭盔硬件設(shè)計

　　安全預(yù)警頭盔的硬件框圖如圖2所示，設(shè)備以STM32F103芯片為主要處理芯片，在主處理芯片上搭載了如圖所示的各種傳感器模塊，主處理芯片將傳感器模塊的數(shù)據(jù)采集了之后由nRF24L01無線射頻模塊和RT5350 WiFi模塊發(fā)送出去。同時，主處理芯片接收來自無線射頻模塊的LED照明燈的控制命令和來自RT5350 WiFi模塊的語音報警控制命令。

　　2.2 腕表硬件設(shè)計

　　同樣以STM32F103芯片為主要處理芯片，由主處理芯片控制TFT_LCS觸摸屏模塊，并根據(jù)nRF24L01無線射頻模塊接收到的數(shù)據(jù)，在TFT_LCD觸摸屏上顯示出相應(yīng)數(shù)據(jù)。nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9 mA；接收時，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便[5]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計整體圖如圖3所示。

　　3.1 頭盔軟件設(shè)計

　　頭盔開機啟動后，初始化硬件，并開始監(jiān)測各個傳感器參數(shù)，通過nRF24L01發(fā)送到腕表上，同時將數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送到監(jiān)控中心上。當(dāng)監(jiān)控中心發(fā)來信息時，頭盔便進入了最高優(yōu)先級的中斷，以監(jiān)控中心的命令為最高優(yōu)先級，實時地將監(jiān)控中心命令反饋給頭盔穿戴者。

　　3.2 腕表軟件設(shè)計

　　腕表啟動時，優(yōu)先初始化nRF24l01，準(zhǔn)備接收頭盔發(fā)送過來的信息，然后開啟屏幕并監(jiān)聽nRF24l01是否收到數(shù)據(jù)。一旦收到數(shù)據(jù)則判斷其數(shù)據(jù)的類型，用以更新顯示。腕表啟動后不停地輪詢監(jiān)聽是否有信息發(fā)送到，有則顯示，沒有則繼續(xù)輪詢。

　　3.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

　　監(jiān)控中心的應(yīng)用軟件使用Qt中心編寫，Qt是一個跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，具有優(yōu)良的跨平臺特性、面向?qū)ο?、豐富的API等優(yōu)點。運行監(jiān)控中心應(yīng)用軟件時，當(dāng)有數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議上行至監(jiān)控中心軟件監(jiān)聽的網(wǎng)絡(luò)端口時，觸發(fā)接收信號槽，就會執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)端口讀取數(shù)據(jù)的操作。接收完數(shù)據(jù)后校驗數(shù)據(jù)的完整性以及正確性，如果數(shù)據(jù)正確，則執(zhí)行數(shù)據(jù)分類存儲及分析；如果校驗接收的數(shù)據(jù)是錯誤的，則將數(shù)據(jù)丟棄。接著進行數(shù)據(jù)分析、存儲，對達到報警條件的數(shù)據(jù)進行報警。

4 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

　　4.1 nRF24L01無線射頻模塊設(shè)計

　　頭盔與腕表之間的通信使用nRF24L01無線射頻模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸，頭盔為通信主機，配置為發(fā)射模式。腕表為通信從機，配置為接收模式。

　　當(dāng)發(fā)射數(shù)據(jù)時，首先通過配置模塊的寄存器位PRIM_RX為低電平，當(dāng)要進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，通過SPI接口將接收的節(jié)點地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)(TX_PLD)寫入nRF-24L01模塊，把發(fā)送數(shù)據(jù)的長度寫入TX_FIFO。當(dāng)CSN為低電平時，數(shù)據(jù)會一直寫入發(fā)送端直到發(fā)送完成。之后將通道設(shè)置為接收模式來接收應(yīng)答信號，接收地址(RX_ADDR_P0)應(yīng)與接收端地址(TX_ADDR)相同，否則無法接受信號。最后，將CE設(shè)置為高電平，啟動發(fā)射。CE高電平持續(xù)時間最小為10 s。發(fā)送部分關(guān)鍵代碼如下：

　　while(1) {

　　Transmit(Tx_Buf);

　　Delay(10);

　　sta=SPI_Read(READ_REG +  STATUS);

　　if(TX_DS){

　　Status=sta;     //當(dāng)前發(fā)送的STATUS狀態(tài)

　　Delay(100);

　　SPI_RW_Reg(WRITE_REG + STATUS,sta);

　　}

　　if(MAX_RT){  //如果是發(fā)送超時

　　Status = false;   //發(fā)送超時時是false

　　Delay(150);

　　SPI_RW_Reg(WRITE_REG + STATUS,sta);

　　}

　　}

　　當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，首先通過設(shè)置寄存器中PRIM_RX位為高電平來選擇，使能EN_RXADDR寄存器打開準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)通道，以及使能EN_AA寄存器來啟動數(shù)據(jù)通道的自動應(yīng)答功能，通過設(shè)置RX_PW_Px寄存器來設(shè)置有效數(shù)據(jù)寬度。之后，設(shè)置CE為高電平來啟動接收模式，等待130 s后開始檢測信號。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后，進行地址匹配以及CRC檢驗，若正確時，將數(shù)據(jù)存儲在RX_FIFO中，并將RX_DR位置為高電平，產(chǎn)生中斷通知處理器。相應(yīng)的通道信息會存儲在狀態(tài)寄存器RX_P_NO中。最后，如果有使能EN_AA寄存器，則會自動發(fā)送確認(rèn)接收的信號；若沒有使能，則直接退出接收。

　　4.2 WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

　　本設(shè)計采用OpenWrt系統(tǒng)來進行WiFi路由器開發(fā)，OpenWrt可以被描述為一個嵌入式的Linux發(fā)行版，而不是試圖建立一個單一的、靜態(tài)的系統(tǒng)。OpenWrt的包管理提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)，從應(yīng)用程序供應(yīng)商提供的選擇和配置，并允許自定義的設(shè)備，以適應(yīng)任何應(yīng)用程序。由于OpenWrt具有以上優(yōu)點，故采用該系統(tǒng)進行WiFi數(shù)據(jù)傳輸。

　　由于OpenWrt系統(tǒng)是基于Linux的，在進行數(shù)據(jù)讀寫時完全和Linux下的設(shè)備讀寫一樣。首先定義一個句柄，用于TCP socket通信的控制以及判斷，開辟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并定義目標(biāo)設(shè)備IP地址以及端口。接著客戶程序發(fā)起連接請求，若成功才可以進行讀寫操作，失敗則返回負值。

　　部分關(guān)鍵代碼如下：

　　sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)；

　　//客戶程序開始建立 sockfd描述符

　　connect(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof

　　(struct sockaddr)；//客戶程序發(fā)起連接請求

　　write(sockfd,sendData,strlen(sendData)；//寫入數(shù)據(jù)

　　nbytes=read(sockfd,buffer,1024)；//讀取數(shù)據(jù)

　　4.3 基于QT監(jiān)控中心模塊設(shè)計

　　4.3.1 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)以及查詢數(shù)據(jù)流程

　　在構(gòu)造函數(shù)里，首先定義一個數(shù)據(jù)庫對象，并創(chuàng)建相應(yīng)數(shù)目的表和表中的各項元素及其類型，使用數(shù)據(jù)庫命令：create table 表名(類型 元素)建立表；當(dāng)需要插入數(shù)據(jù)到對應(yīng)的表，使用命令：insert into表名values(元素)來插入數(shù)據(jù)到對應(yīng)的表；查詢數(shù)據(jù)時，使用命令：select 元素from表名where元素 查詢條件；若有符合條件的元素時，會以鏈表的形式返回，直接獲得數(shù)據(jù)的地址。

　　4.3.2 視頻播放使用開源項目Opencv進行視頻數(shù)據(jù)處理以及顯示

　　使用mingw32-make編譯套件編譯出適合Qt使用的工具插件，便可以供Qt調(diào)用。文字通信功能和緊急撤離現(xiàn)場警報使用WiFi技術(shù)實現(xiàn)，發(fā)送特定的字符串到頭盔上，頭盔接收后判斷，采取相應(yīng)的操作。

　　監(jiān)控中心部分關(guān)鍵代碼如下：

　　tcpServer->listen(QHostAddress::Any,10008)；

　　//監(jiān)聽任何連接上本機10008端口的設(shè)備

　　connect(tcpServer,SIGNAL(newConnection()),this,SLOT

　　(newConnect()));//連接建立信號槽

　　tcpSocket = tcpServer->nextPendingConnection();

　　//建立新的連接

　　tcpSocket->readAll();//讀取所有數(shù)據(jù)

5 系統(tǒng)調(diào)試運行

　　開啟上位機，設(shè)置串口1波特率9 600 b/s；串口2波特率19 200 b/s；定時器采用8位的定時器3，操作模式采用Clear Timer On Compare，通道模式采用Output Compare比較輸出模式，設(shè)置每1 ms產(chǎn)生一次定時中斷，中斷中實現(xiàn)Count變量的累加，當(dāng)累加到設(shè)定的值時便產(chǎn)生一個任務(wù)事件，實現(xiàn)定時采集數(shù)據(jù)、定時發(fā)送數(shù)據(jù)、定時進入休眠、定時喚醒等一系列有序的工作。實驗裝置由智能腕表、智能頭盔和計算機三部分組成。系統(tǒng)調(diào)試分為數(shù)據(jù)接收測試和監(jiān)控中心測試。

　　5.1 智能腕表數(shù)據(jù)測試

　　腕表是通過nRF24l01接收來自頭盔的數(shù)據(jù)，頭盔每隔1 s就會發(fā)送一次數(shù)據(jù)給腕表，這個信息是可能包含著傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，也可能是包含著時間信息的數(shù)據(jù)包，也可能是監(jiān)控中心通過WiFi發(fā)送到頭盔有頭盔轉(zhuǎn)發(fā)的通信數(shù)據(jù)包。測試結(jié)果表1所示。

　　從表1數(shù)據(jù)看出，數(shù)據(jù)接收雖然有丟包，但是丟包率在可承受的范圍內(nèi)，不影響使用效果。

　　5.2 監(jiān)控中心測試

　　監(jiān)控中心支持實時視頻播放、視頻錄制、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、文字通信功能以及緊急撤離現(xiàn)場警報等功能。監(jiān)控中心效果圖如圖4所示。圖4（a）清晰顯示頭盔攝像頭傳來的視頻，并有視頻錄制、自動保存的功能；圖4（b）顯示溫度、濕度、CO、可燃氣體、體征參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，當(dāng)心率出現(xiàn)異常時，會發(fā)生報警信息；圖4（c）顯示歷史數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)查詢時間。

　　6 結(jié)束語

　　系統(tǒng)在成功研發(fā)后，在廣東石油化工學(xué)院工業(yè)安全實驗室運行1年，實現(xiàn)了預(yù)期功能，主要包括：(1)實時監(jiān)測佩戴頭盔的生產(chǎn)人員周邊的環(huán)境參數(shù)、生命體征參數(shù)、運動軌跡、視頻等信息，當(dāng)某種危險參數(shù)超過正常范圍時，進行報警；(2)實時地將人員前方的情況畫面通過WiFi發(fā)送至生產(chǎn)監(jiān)控中心，管理人員在監(jiān)控軟件上進行實時視頻瀏覽、監(jiān)控以及存儲管理；(3)職工與生產(chǎn)監(jiān)控中心雙向通信，可接收來自監(jiān)控中心的撤離生產(chǎn)現(xiàn)場的警報信息，實現(xiàn)監(jiān)控中心與生產(chǎn)人員的聯(lián)系；(4)佩戴頭盔的的生產(chǎn)人員能通過腕表觀察當(dāng)前自身存在的環(huán)境和身體的狀況，以對自身的狀況做出正確的判斷。

　　本設(shè)計為石化廠區(qū)的生產(chǎn)人員提供安全保障和及時報警信息，更好地保護生產(chǎn)人員的健康安全。同時也為石化廠處理危險情況提供了一定的參考價值，可以通過在廠區(qū)布置無線網(wǎng)絡(luò)，將每一個安全預(yù)警頭盔聯(lián)網(wǎng)，可以在危險情況發(fā)生時及時的通知疏散人員，準(zhǔn)確地找出事故發(fā)生原因，將危險和損失降低。

　　參考文獻

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