【应用】EFM32TG11在智慧工地人员安全帽中的应用，提高对施工人员的安全保障
在野外道路施工的场合（属于智慧工地的一部分），对施工安全的监测非常重要。本文介绍一种安全帽在智慧工地中的应用，通过该安全帽可以监测人员是否处于施工区域、在施工区域是否佩戴安全帽、人员是否摔倒等情况，还可以接收总控台控制下发的相关提示（施工区域会布置电子围栏，通过电子围栏检测非允许车辆是否进入施工区域，当非允许车辆冲入施工区域时提醒施工人员注意避让）。
该智能安全帽主要由主控MCU、陀螺仪加速度计、红外距离检测组件、电池及电源管理、定位及通讯模组、声音与振动组件几大部分组成，其构成框图如下图1所示。
图1 智能安全帽主要构成框图
在本智能安全帽中，主要通过多轴陀螺仪加速度计检测佩戴安全帽的施工人员是否摔倒，通过红外距离检测传感器来检测施工人员是否正确佩戴安全帽，通过定位模组定位施工人员的位置，然后将传感器的检测数据通过通讯模组传递到总控平台，同时接收总控平台端下发的相关提示消息，并将此信息通过声音与振动的方式提醒施工人员。
因本安全帽是在传统安全帽基础上进行智能化设计改造，可归于穿戴设备，因此增加的电子设备首先就需要做到体积小、重量轻，设计中传感器及元器件选型也需要考虑小型化及轻量化，因此本设计中选用Silicon Lab的EFM32TG11B型芯片（选用QFN32封装）作为扩展转换的主控（具体型号为EFM32TG11B120，128KB Flash型），选择MPU6050型6轴陀螺仪加速度计（I2C接口）传感器，选用AVAGO的APDS-9930数字型接近和环境光传感器（I2C接口），定位模组则采用杭州中科微的ATGM336H-5N31型定位模组（UART接口，该型号支持GPS和BDS），考虑到通讯模组功耗及国内三大运营商的2G网络退网计划，本设计中选用MEIGSMART的SLM152型UART接口NB-IOT模组，电池则采用3.7V标准的可充电锂电池（电池与控制板之间采用分离连接的方式，根据用户要求可灵活的配置不同容量的电池组）。整体的系统原理图设计分配框图如下图2所示。
图2 智能安全帽设计原理图系统框图总览
EFM32TG11B型芯片采用ARM Cortex-M0+内核（频率48MHz），节能模式功耗为37uA/MHz，EM2睡眠电流低至1.3uA/MHz，具有1路低能耗UART接口（UART0）、4组USART接口（UASRT0、USART1、UASRT2、USART3），还有两组I2C接口（I2C0、I2C1），IO引脚可配置为推挽、开漏、上拉/下拉等功能，且IO引脚具备5V容差性能。
图3 EFM32TG11系列芯片系统构成框图
本设计中选用的EFM32TG11B型芯片为QFN32封装，设计中将USART0(PE10、PE11)接口连接卫星定位模组（ATGM336H-5N31），将USART1(PC0、PC1)用于与NB-IOT模组（SLM152）相连接；将EFM32TG11剩余的两组I2C接口用于EEPROM芯片以及两个主要的传感器连接，这里使用I2C0（PD6、PD7）接口与MPU6050型陀螺仪加速度计以及APDS-9930数字型接近和环境光传感器连接实现本安全帽中两种主要的传感器接入，而I2C1(PD4、PD5)接口则专用于EEPROM芯片（可选诸如24C02/04/08之类的芯片）连接进行设备配置参数及总控平台下发指令等数据存储，EFM32TG11B引脚分配及主要外围电路设计如下图4所示。
图4 EFM32TG11B型应用原理图
本设计中电池组与控制板之间采用分开放置的方式（电池组中设计集成电量检测及充放电管理），采用连接线的方式进行连接，设计接口中放置一组ADC接口用于获取电池组电量状态，在主板上采用圣邦微的SGM2019型低静态电流的LDO芯片用于给主控MCU及传感器部分供电，同时加上一颗I2C接口的EEPROM芯片即可完成主控芯片的主要外围电路设计。
接下来则完成传感器电路、声音与振动报警电路设计。MPU6050型6轴陀螺仪加速度传感器和APDS-9930数字型接近和环境光传感器，这两种传感器均为I2C接口，因此可以两个传感器可以连接到同一组I2C接口线上；通过APDS-9930和MPU6050传感器组合检测的方式检测施工人员是否正确佩戴安全帽，然后通过MPU6050持续的检测安全帽的姿态，从而判断出施工人员是否发生意外（如摔倒等），然后通过通讯模组将相关的检测数据上传到总控平台，实现总控平台对施工人员的异常情况监控。而声音和振动报警电路则采用外接集成的方式，主要用于安全帽在接收到总控平台下发的提示指令之后对安全帽佩戴人员作出相应的提示，在本设计中只需要设计上控制电路及对应的接口即可，根据传感器数据手册设计如下图5的传感器应用电路，并设计出入下图6所示的声音和振动报警器接口电路。
图5 传感器电路原理图
图6 声音与振动报警器控制与接口电路原理图
至此，本设计中主要传感器及报警执行器电路已经设计完成。
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SILICON LABS 32-bit Microcontroller选型表
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产品型号
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品类
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系列
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Frequency（MHz）
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Flash (kB)
|
RAM (kB)
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Vdd min（V）
|
Vdd max（V）
|
Package Type
|
Package Size (mm)
|
Internal Osc.
|
Debug Interface
|
Cryptography
|
Dig I/O Pins
|
ADC 1
|
DAC
|
USB
|
Cap Sense
|
LCD
|
Temp Sensor
|
Timers (16-bit)
|
UART
|
USART
|
SPI
|
I2C
|
I2S
|
EMIF
|
RTC
|
Comparators
|
|
EFM32GG290F512-BGA112
|
32位MCU
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EFM32 Giant Gecko
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48
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512
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128
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1.98
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3.8
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BGA112
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10x10
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±2%
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ETM; SW
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AES-128 AES-256
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90
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12-bit, 8-ch., 1 Msps
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12-bit, 2 ch.
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-
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Cap Sense
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-
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Temp Sensor
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4
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7
|
3
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3
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2
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1
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0
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RTC
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2
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选型表 - SILICON LABS 立即选型
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产品型号
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品类
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Frequency（MHz）
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Flash (kB)
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RAM (kB)
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Dig I/O Pins
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ADC 1
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DAC
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Cap Sense
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Temp Sensor
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Timers (16-bit)
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UART
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USART
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SPI
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I2C
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I2S
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EMIF
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RTC
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Comparators
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Vdd min（V）
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Vdd max（V）
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Package Type
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Package Size (mm)
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Internal Osc.
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Debug Interface
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EFM32TG108F16-QFN24
|
microcontroller
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32
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16
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4
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17
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—
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12-bit
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Cap Sense
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Temp Sensor
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2
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2
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1
|
1
|
1
|
1
|
0
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RTC
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2
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1.98
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3.8
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QFN24
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5x5
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±2%
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SW
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选型表 - SILICON LABS 立即选型
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