羅苗健，付曉奇，孫炳源，楊小亮，劉雨晴，張登攀

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；3.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的細(xì)分領(lǐng)域采用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)促使產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，其中由于LoRa無線通信技術(shù)在遠(yuǎn)距離、低功耗、大規(guī)模組網(wǎng)方面的優(yōu)異特性，從而使終端與LoRa基站結(jié)合的方案成為物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的理想選擇[1]。建筑業(yè)作為國家的重要支柱產(chǎn)業(yè)，其工期、質(zhì)量、成本等因素的最優(yōu)化是建筑人員不斷追求的目標(biāo)，但作為建筑施工人員，工作于作業(yè)工序復(fù)雜、危險源眾多的建筑施工現(xiàn)場，生命安全難以得到保障，近些年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，建筑業(yè)已成為僅次于礦山的傷亡率高、事故頻發(fā)的高危行業(yè)[2]。盡管行業(yè)已開始注重進(jìn)行施工安全培訓(xùn)，但是對于單獨(dú)的主動預(yù)防式安全培訓(xùn)，各級執(zhí)行效果極易出現(xiàn)大幅偏差，結(jié)合被動預(yù)警，爭取發(fā)生事故后的寶貴救援時間，降低施工人員傷亡尤為重要。與此同時，施工人員通過穿戴體征被動監(jiān)測設(shè)備，亦能保證在擁有良好身體狀態(tài)時進(jìn)行施工，出現(xiàn)不適狀態(tài)時設(shè)備及時報警，服務(wù)中心亦能參與指揮周圍施工人員及時參與救援[3]。面向建筑施工人員的安全監(jiān)測，文獻(xiàn)[4]利用圖像識別技術(shù)判斷工人的不安全行為，并通過可穿戴設(shè)備采集施工人員的心理、生理信息；文獻(xiàn)[5]通過分析建筑施工現(xiàn)狀，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊綜合評價方法建立安全管理評價體系。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計基于LoRa無線通信技術(shù)的建筑施工人員體征監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包含感知層、傳輸層、應(yīng)用層；測量體征參數(shù)的終端節(jié)點(diǎn)接收各傳感器數(shù)據(jù)，將施工人員體征信息通過LoRa模塊傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將各終端節(jié)點(diǎn)信息匯總轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器，掛載于云服務(wù)器的Web應(yīng)用在用戶訪問時提取數(shù)據(jù)庫各區(qū)域、各人員體征數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

相比于維護(hù)困難，開發(fā)成本較高的C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）架構(gòu)模式，B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)模式將主要業(yè)務(wù)邏輯放至后臺服務(wù)器處理，用戶端無需安裝，直接通過瀏覽器訪問應(yīng)用，具有更高的靈活性，維護(hù)更便捷，更適宜于建筑工地的監(jiān)控環(huán)境；盡管UDP傳輸協(xié)議具有更高的傳輸速度，但亦具有更高的不穩(wěn)定性，安全性低且易在傳輸過程中丟失數(shù)據(jù)，TCP傳輸協(xié)議具有更高的安全性與可靠性，因此于網(wǎng)絡(luò)通信中采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議；基于LoRa的節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由拓?fù)渲械木W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收并轉(zhuǎn)發(fā)各終端節(jié)點(diǎn)的信息，終端節(jié)點(diǎn)通過單跳方式于本區(qū)域網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信[6]。

依據(jù)不同功能，系統(tǒng)可分為3大層次，分別為感知層、傳輸層及應(yīng)用層。系統(tǒng)架構(gòu)層級如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)層級

感知層為終端節(jié)點(diǎn)所在層級，包括STM32主控芯片、心率血氧傳感器、溫度傳感器、GPS定位模塊、LCD顯示模塊以及負(fù)責(zé)通信的LoRa模塊。主控芯片通過各傳感器采集體征信息，處理傳感器數(shù)據(jù)并通過LoRa定時無線發(fā)送包含工號、體征信息、地址信息的數(shù)據(jù)包至該施工區(qū)域的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，完成施工人員身體狀況的采集任務(wù)。

傳輸層為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)所在層級，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到感知層數(shù)據(jù)，設(shè)置串口號及波特率，通過上位機(jī)接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，在上位機(jī)界面顯示，同時設(shè)置服務(wù)器IP地址及端口號，通過TCP/IP傳輸協(xié)議將感知層數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

應(yīng)用層為云服務(wù)器所在層級，包括Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器端接收并處理由傳輸層轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，對異常體征數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警提示。用戶通過訪問Web瀏覽器，獲取各建筑工地施工人員體征信息，同身體狀況異常的施工人員聯(lián)系，視情況展開救援指揮，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 感知層結(jié)構(gòu)設(shè)計

終端節(jié)點(diǎn)由STM32F103ZET6主控芯片、溫度檢測模塊、心率血氧檢測模塊、GPS定位模塊、LoRa無線通信模塊、LCD顯示模塊及若干獨(dú)立按鍵組成，通過鋰電池供電。鑒于主控芯片優(yōu)異的工作性能，以及豐富的外設(shè)資源，各傳感器模塊以及LoRa模塊與主控芯片的數(shù)據(jù)傳輸均采用TX/RX串口通信，利用自帶的3個同步異步收發(fā)器（USART），以及2個異步收發(fā)器（UART）；LCD通過靜態(tài)存儲控制器（FSMC）進(jìn)行驅(qū)動；按鍵狀態(tài)采用通用GPIO進(jìn)行檢測。終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2 感知層硬件電路設(shè)計

結(jié)合終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，考慮到采用市面現(xiàn)有傳感器模塊，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計復(fù)雜度將極大降低，終端節(jié)點(diǎn)將采用下述硬件電路實(shí)現(xiàn)。

溫度檢測模塊為GY614V3非接觸紅外測溫傳感器，采用3～5 V供電，初始通信為串口UART模式，自動輸出數(shù)據(jù)幀，1字節(jié)地址、1字節(jié)功能碼、字節(jié)數(shù)據(jù)（包含目標(biāo)溫度與環(huán)境溫度）與校驗和。通過與主控芯片串口5連接，模塊TD口按照設(shè)置的模塊更新速率，向芯片PD2口傳遞數(shù)據(jù)幀，無需AT指令查詢。

心率血氧模塊為MAX30102心率傳感器，采用5 V供電，模塊內(nèi)嵌STM32F0低功耗芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及通信方式轉(zhuǎn)換，由I2C通信轉(zhuǎn)換為串口通信輸出心率血氧數(shù)據(jù)。模塊TX口接主控芯片PC11口，RX口接主控芯片PC10口，模塊通過主控芯片發(fā)送AT指令，被動輸出所要查詢的傳感器數(shù)據(jù)。

GPS定位模塊為ATK-S1216F8_BD北斗/GPS雙模定位模塊，采用3.3 V/5 V供電，模塊自帶IPX接口，可連接有源天線。模塊TXD口接主控芯片PA3口，RXD口接主控芯片PA2口，PPS口輸出標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖，本系統(tǒng)不采用，對應(yīng)引腳浮空。

LoRa無線通信模塊為ATK-LORA-01無線串口模塊，采用5 V供電，模塊工作頻率為410～441 MHz，以1 MHz步進(jìn)，共32個信道，擁有多種工作模式，采用SMA天線，最大傳輸距離為3 km。模塊TXD口接主控芯片PB11口，RXD口接主控芯片PB10口，AUX口接主控芯片PA4口，MDO口接主控芯片PA15口。采用定向傳輸，設(shè)置目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址、信道，以傳輸采集到的體征數(shù)據(jù)。

終端節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)硬件電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

由于芯片本身計算資源有限，本系統(tǒng)設(shè)計對實(shí)時性要求并非很高，由此程序采用分時方法執(zhí)行各個任務(wù)[6]。系統(tǒng)首先對變量、串口2～5、定時器等進(jìn)行初始化配置，接著對GPS定位模塊、LoRa無線通信模塊進(jìn)行狀態(tài)檢測，如若狀態(tài)正常則進(jìn)入程序循環(huán)，否則等待一段延時時間后繼續(xù)自檢。TIM3作為時基定時器，每200 ms進(jìn)入定時器中斷，改變程序執(zhí)行狀態(tài)，同時通過中斷內(nèi)部程序設(shè)置5 s定時，作為統(tǒng)一數(shù)據(jù)發(fā)送時刻，即一個時間間隔為5 s。每200 ms采集一次溫度、心率血氧傳感器數(shù)據(jù)，由于GPS采集信息時間較長，由此每5 s采集一次地址信息。將近2個時間間隔內(nèi)采集到的傳感器數(shù)據(jù)保存在對應(yīng)數(shù)組中，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理剔除由于環(huán)境噪聲干擾，傳感器自身工作異常而接收的極端異常數(shù)據(jù)。本時間間隔數(shù)據(jù)采集完畢后，通過禁止串口中斷，暫停接收傳感器數(shù)據(jù)，分別求得本時間間隔內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)平均值作為最終的發(fā)送數(shù)據(jù)，通過LCD在本節(jié)點(diǎn)處顯示數(shù)據(jù)。由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)不斷在各層次間傳遞，為方便數(shù)據(jù)傳輸以及后方的數(shù)據(jù)處理，通過cJSON庫進(jìn)行JSON格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[7-9]，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳遞給LoRa定向傳輸數(shù)據(jù)緩存，等待數(shù)據(jù)發(fā)送。待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后進(jìn)入下一時間間隔循環(huán)。終端節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.2 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計

通過采集到的體征參數(shù)，結(jié)合醫(yī)學(xué)人體正常標(biāo)準(zhǔn)，判別施工人員體征狀況。與此同時，考慮到高處跌落于建筑施工環(huán)境的意外狀況的占比，采用GPS定位模塊所采集的海拔高度與速度作為預(yù)警參數(shù)，對快速的高度變化及過快的速度做出提前預(yù)警。系統(tǒng)傳感器有效參數(shù)見表1所列。

表1 傳感器有效參數(shù)

由于噪聲干擾，傳感器采集的數(shù)據(jù)常常出現(xiàn)個別值的極端偏差，對于本系統(tǒng)而言，若不對此進(jìn)行處理，將會時常產(chǎn)生誤報，浪費(fèi)人力物力資源。受屈世甲處理巷道風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)中剔除異常數(shù)據(jù)所應(yīng)用的拉伊達(dá)準(zhǔn)則啟發(fā)[10]，做出適合于本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的修正，先剔除極端數(shù)據(jù)，后采用拉伊達(dá)準(zhǔn)則剔除置信區(qū)間外的異常數(shù)據(jù)。事實(shí)上，由于不同人體質(zhì)有差異，限定范圍也會有一定的差別。使用拉依達(dá)準(zhǔn)則既可以去除這些錯誤數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)個人體質(zhì)特征得到具有個性化的正確區(qū)間限制。

拉伊達(dá)準(zhǔn)則需要假設(shè)獲取得到足夠的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)多時間間隔所采集的歷史數(shù)據(jù)數(shù)量符合。

令數(shù)據(jù)為x=(x1, x2, ..., xm)，μ為x的均值，σ為其標(biāo)準(zhǔn)差。

依據(jù)經(jīng)典拉依達(dá)準(zhǔn)則可以認(rèn)為：當(dāng)|xj-μ|≥3σ時，xj數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)。

3.3 服務(wù)器軟件設(shè)計

服務(wù)器為租賃的云服務(wù)器，通過Socket套接字設(shè)置TCP/IP通信協(xié)議[11]。服務(wù)器端進(jìn)行通信監(jiān)聽，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上位機(jī)端進(jìn)行通信請求，若成功建立兩者通信鏈路連接后，便開始接收數(shù)據(jù)，此時其他網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳遞來的通信請求將進(jìn)入通信等待隊列。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而來的為其匯總的各終端節(jié)點(diǎn)采集到的體征數(shù)據(jù)及地址數(shù)據(jù)。通過對節(jié)點(diǎn)標(biāo)號的識別，將相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，之后對各終端節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的體征數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測，若在安全范圍之中則僅顯示各體征信息，如若出現(xiàn)體征異常數(shù)據(jù)則發(fā)送安全預(yù)警。在該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收完畢后，結(jié)束當(dāng)前通信連接。服務(wù)器軟件流程如圖5所示。

圖5 服務(wù)器軟件流程

4 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗

本系統(tǒng)應(yīng)用考慮到建筑工地的分布差別，由于LoRa無線信號傳輸距離基本固定，且采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對于密集型施工建筑，如小區(qū)居民樓等，可通過一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場全覆蓋。以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為中心，半徑約2 km，但對于一些分布較為分散的工地，如大學(xué)校園，可視現(xiàn)場情況規(guī)劃節(jié)點(diǎn)位置，增加網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)量[12]。

終端節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)可粘貼在建筑施工人員安全帽或衣物上，各傳感器布置在身體各位置，采集體征信息，單一網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)本區(qū)域各施工人員特征信息的匯總。通過無線方式上傳到云服務(wù)器，監(jiān)控中心通過瀏覽器對各建筑區(qū)域施工人員信息進(jìn)行訪問。系統(tǒng)應(yīng)用布置如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)應(yīng)用布置圖

由于試驗環(huán)境有限，系統(tǒng)設(shè)計完成后僅在兩地分別開展運(yùn)行測試，系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行LCD顯示所測體征數(shù)據(jù)及位置信息、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收終端節(jié)點(diǎn)傳遞信息、通過訪問瀏覽器頁面查看各終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)情況。系統(tǒng)測試場景包含終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行情況、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上位機(jī)、用戶訪問瀏覽器情況，如圖7所示。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，終端節(jié)點(diǎn)體征數(shù)據(jù)采集正常，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)正常，且云服務(wù)器成功接收到由外觀節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而來的信息。測試時所測得的體征數(shù)據(jù)為實(shí)驗者的身體數(shù)據(jù)，若檢測到異常體征數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁端將產(chǎn)生警戒信號，監(jiān)控中心管理人員在檢查警戒信號后亦可根據(jù)所屬異常體征人員所屬的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工地區(qū)域，聯(lián)系現(xiàn)場人員，積極開展救援行動，提供具體地理位置，參與救援指揮，加強(qiáng)建筑施工人員的安全保障。

圖7 系統(tǒng)測試

5 結(jié) 語

經(jīng)濟(jì)繁榮伴隨著建筑業(yè)的發(fā)展，但現(xiàn)階段建筑施工人員作為高危行業(yè)，工作人員生命安全難以保障。建筑人員體征監(jiān)測系統(tǒng)作為建筑施工人員被動安全預(yù)警的一種方式，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過終端節(jié)點(diǎn)采集施工人員體征信息，將采集的信息通過LoRa無線通信技術(shù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將各終端節(jié)點(diǎn)信息統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，建筑管理人員通過瀏覽器查看施工人員體征信息，身體狀況異常的施工人員可自動預(yù)警并通知本人和附近的施工人員進(jìn)行救治。本系統(tǒng)投入使用后，一方面可以將施工人員意外事件的風(fēng)險降到最低，另一方面亦可提高建筑施工人員的管理效率，具有重要的應(yīng)用價值，同時系統(tǒng)本身亦擁有廣闊的發(fā)展空間。