基于ARM的無線頭盔系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

毛俊+倪斌+吳曉軍

摘 要：無線頭盔系統(tǒng)通過在移動(dòng)作業(yè)人員的佩戴的頭盔上安裝定位裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)現(xiàn)在采集信息的同時(shí)對(duì)作業(yè)人員移動(dòng)位置和路徑的跟蹤、同時(shí)也可以輔助作業(yè)人員識(shí)別并確定正確的作業(yè)位置。在室外空曠的場地，GPS定位系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較高的定位精度。在室內(nèi)或地下空間，由于電磁波不能有效傳輸，目前還沒有功能較好的定位方式。本文針對(duì)變電站、電力、礦山的地下空間環(huán)境條件，提出了一種輕便的低功耗的無線頭盔系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了較高精度的定位和數(shù)據(jù)采集，同時(shí)建立了一個(gè)可靠的無線通信和定位系統(tǒng)。通過現(xiàn)場測試和實(shí)際應(yīng)用，表明本文方案具有較穩(wěn)定的性能，定位精度高、功耗低，可為復(fù)雜環(huán)境下的人員定位提供一種較為可靠的作業(yè)輔助、跟蹤和定位手段。

關(guān)鍵詞：無線通信；頭盔；定位；低功耗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.123

1 無線定位技術(shù)發(fā)展概況

可穿戴的信息采集系統(tǒng)可以提供一個(gè)高效的人與外界環(huán)境之間進(jìn)行信息交流的平臺(tái)，一般具有信息采集、傳輸、處理等基礎(chǔ)功能，可輔助穿戴設(shè)備的人員收集、分析和處理信息，在軍事和工業(yè)應(yīng)用中具有非常廣泛的應(yīng)用前景?？纱┐鞯男畔⒉杉到y(tǒng)的研究工作是近年的熱點(diǎn)之一，可穿戴手表、服裝、頭盔等是研究重點(diǎn)之一。所有的課穿戴設(shè)備均包含了較為先進(jìn)的微電子、計(jì)算機(jī)、結(jié)構(gòu)材料等眾多前沿科學(xué)的技術(shù)成果。

在電力、礦山等行業(yè)，作業(yè)人員經(jīng)常深入到地下封閉空間、強(qiáng)電場或具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑物內(nèi)部完成作業(yè)任務(wù)。需要監(jiān)視和處理的數(shù)據(jù)量較多，同時(shí)也與外界通信和聯(lián)絡(luò)渠道受到限制。所以有必要研制一種輔助電力或礦業(yè)工人在進(jìn)行作業(yè)的安全頭盔系統(tǒng)，幫助作業(yè)人員采集、分析和處理大量的環(huán)境信息，必要時(shí)發(fā)出提示信息；安全頭盔系統(tǒng)同時(shí)也是一套功能齊全的通信和定位裝置，可以被設(shè)計(jì)為外部人員監(jiān)視作業(yè)人員移動(dòng)路徑、作業(yè)狀態(tài)，與作業(yè)人員進(jìn)行搞笑通信聯(lián)絡(luò)的工具。本文將詳細(xì)介紹一種為實(shí)現(xiàn)上述需求設(shè)計(jì)的無線頭盔系統(tǒng)的硬件方案，在方案在必要的軟件系統(tǒng)的支持下為復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)提供了極大便利。

2 無線頭盔硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)的基本組成和功能

所有個(gè)單元固定在一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的PCB電路板上并布置在頭盔頂部。無線頭盔系統(tǒng)通過一個(gè)標(biāo)稱電壓為5.6V的電池組供電，容量3AH，可以持續(xù)工作8小時(shí)以上。

無線頭盔系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)和CPU單元，此外配置了紅外溫度測量系統(tǒng)，可通過紅外測溫原理測量目標(biāo)設(shè)備位置的溫度并自動(dòng)記錄；環(huán)境溫度檢測單元，可以監(jiān)視和測量環(huán)境溫度的變化；氧氣傳感器單元，用于測量和監(jiān)視環(huán)境中氧氣含量的變化，從而在環(huán)境氧氣不足時(shí)提醒作業(yè)人員注意并采取必要的保護(hù)措施；加速度傳感器單元，用于檢測作業(yè)人員可能出現(xiàn)的劇烈的非正常運(yùn)動(dòng)（碰撞、跌倒等）；報(bào)警單元，用戶在檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)異常是發(fā)出報(bào)警提示。

2.2 CPU單元設(shè)計(jì)

無線頭盔系統(tǒng)采用ARM7系列芯片 STM32F103CBT6作為主要的運(yùn)算處理單元；CPU核心系統(tǒng)的電路如圖2所示。STM32系列芯片具有較低的功耗，支持超低功耗工作模式，同時(shí)在片上集成了豐富的外部設(shè)備接口單元，如SPI，I2C和通用串行接口等，非常適合無線頭盔的應(yīng)用需求，有利于降低設(shè)備擴(kuò)展的復(fù)雜度，降低設(shè)備重量和功耗。在CPU系統(tǒng)基本的時(shí)鐘、電源系統(tǒng)基礎(chǔ)上，CPU單元通過串口連接了外部的WIFI通信單元、通過模擬通道直接測量外部的溫度和氧氣含量，通過I2C接口連接紅外溫度傳感器和數(shù)字加速度傳感器。從而將系統(tǒng)各個(gè)部分的模擬和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)在CPU單元中，為實(shí)現(xiàn)定位和參數(shù)測量建立了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 紅外溫度測量單元設(shè)計(jì)

無線頭盔系統(tǒng)通過MLX90614傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸測溫功能。MLX90614 是一種無接觸式的紅外線溫度感應(yīng)芯片. 內(nèi)部整合了紅外熱電堆感應(yīng)器和信號(hào)調(diào)節(jié)芯片。 MLX90614使用了先進(jìn)的低噪音放大器，可以實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測量。MLX90614具有SMBus 和 PWM 兩種數(shù)字輸出方式，本文采用了SMBus接口和ARM系統(tǒng)連接， MLX90614 可測量 -20…120 ?C 溫度范圍，可以達(dá)到0.01?C的解析度，滿足絕大多數(shù)的測溫需求。

為了便于指示和調(diào)節(jié)測溫點(diǎn)，和傳感器同方向布置了一個(gè)激光二極管。用于指示當(dāng)前的測溫位置。激光二極管的開關(guān)受單片機(jī)系統(tǒng)通過一個(gè)場效應(yīng)管Q2控制。

2.4 環(huán)境溫度測量回路

在無線頭盔系統(tǒng)中集成了環(huán)境溫度的測量功能，通過集成的NTC溫度傳感器實(shí)現(xiàn)。NTC溫度傳感器屬于熱敏電阻型溫度傳感器，其電阻值隨著溫度上升而下降。環(huán)境溫度傳感器電路，RT1選用高精度金屬膜電阻，以保證較高的測量精度。

2.5 WIFI 通信和定位單元

在無線頭盔系統(tǒng)中遠(yuǎn)程通信和無線定位功能是非常關(guān)鍵的。主要通過集成WIFI無線通信單元實(shí)現(xiàn)。在本文的設(shè)計(jì)方案中WIFI 通信和定位單元選用USR-C322模塊，該模塊是為實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低功耗802.11 b/g/n模塊。通過該模塊，客戶可以將物理設(shè)備連接到WiFi網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的控制與管理USR-C322無線模塊，該模塊支持UART- WIFI（串口--無線網(wǎng)）通信，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、無線網(wǎng)（WIFI）2個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。通過USR-C322模塊，CPU單元可非常方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

CPU單元可通過串口操作和控制WIFI通信模塊，也可以通過串口獲取WIFI通信模塊的參數(shù)和外部網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)WIFI較為重要的是，可以通過AT指令wifi_Scan獲取外部無線通信連接點(diǎn)的位置和信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)于實(shí)現(xiàn)定位具有非常重要的作用。

WIFI通信和定位單元的硬件電路如圖5所示。WIFI無線單元集成度非常高，除了模塊供電、復(fù)位等基本電路外，主要通過兩個(gè)串口連接到CPU單元中。為了保證模塊具有穩(wěn)定的性能和較強(qiáng)的抗干擾能力，在WIFI外圍電路設(shè)計(jì)和布局時(shí)需要注意采取適當(dāng)?shù)母綦x和抗干擾措施，圖中與電源引腳連接的電感和電容都具有高頻隔離和去耦作用。

2.6 三維運(yùn)動(dòng)測量單元設(shè)計(jì)

在作業(yè)人員穿戴頭盔進(jìn)行行駛過程中，測量頭盔的三維運(yùn)動(dòng)具有如下作用：

（1）識(shí)別用戶特殊的頭部動(dòng)作，作為輸入控制采集和測量的控制輸入手段。例如連續(xù)點(diǎn)頭或偏頭等動(dòng)作可以和某些測量監(jiān)視行為關(guān)聯(lián)；

（2）識(shí)別用戶的異常行為，例如跌倒、碰撞等，對(duì)人身安全進(jìn)行監(jiān)視。

（3）作為輔助定位措施，提高定位的精度。

在本文設(shè)計(jì)的無線頭盔中，集成了一款超低功耗的3軸加速度傳感器ADXL345；ADXL345具有13位的分辨率，測量范圍可達(dá)± 16g，非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。ADXL345的低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測和運(yùn)動(dòng)加速度測量。ADXL345既可在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)的重力加速度，也可被用于測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度，最高分辨率（3.9mg/LSB），在傾斜角度變化小于1.0°時(shí)仍可輸出信號(hào)。ADXL345還支持多種特殊的檢測功能：

1）活動(dòng)和非活動(dòng)檢測功能，主要通過比較任意軸上的加速度與用戶預(yù)先設(shè)置的閾值來檢測有無運(yùn)動(dòng)發(fā)生并發(fā)出信號(hào)。

2）敲擊檢測功能，通過檢測任意測量方向上出現(xiàn)的具有一定間隔的單振和雙振動(dòng)作，輸出動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)。

3）自由落體檢測功能，用于檢測物體是否處于自由下落狀態(tài)。

ADXL345輸出數(shù)字信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，支持CPU單元通過SPI（3/4線）或I2C數(shù)字接口訪問傳感器。本文設(shè)計(jì)的無線頭盔系統(tǒng)通過I2C接口連接ARM系統(tǒng)的CPU單元和加速度傳感器。

2.7 組合定位單元

為了實(shí)現(xiàn)地表面定位和地下運(yùn)行過程中的輔助定位；無線頭盔定位系統(tǒng)采用了組合導(dǎo)航定位單元IG-500N。IG-500N時(shí)一種體積小、重量輕的帶有GPS輔助定位的姿態(tài)航向參考系統(tǒng)，內(nèi)部設(shè)計(jì)有嵌入式的擴(kuò)展卡爾曼濾波器，即使在高速動(dòng)態(tài)條件下仍能夠提供較為準(zhǔn)確度姿態(tài)和方位測量精度。

IG-500N主要包括3個(gè)功能部分，即：基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的慣性測量單元（IMU）、GPS接收器和壓力傳感器。能夠在非常長的時(shí)間范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的姿態(tài)信息和位置信息。計(jì)算方向、位置和速度信息的刷新頻率可以達(dá)到100 Hz。

IG-500N主要通過串行接口連接到ARM系統(tǒng)的CPU單元。

2.8 氧氣傳感單元

氧氣傳感器選用KE-25型傳感器，該傳感器由鉛陽極、鍍金陰極及特定的酸液組成，其測量的基本原理為：氧分子通過不滲水的樹脂薄膜進(jìn)入電化學(xué)電池在金電極發(fā)生還原反應(yīng)，在兩電極間的電流同被測混合氣中的氧氣濃度成正比，輸出電壓信號(hào)通過溫度補(bǔ)償后可與氧氣濃度成比例。該類型的傳感器成本低，信號(hào)輸出穩(wěn)定，不需要外部供電或加熱，使用非常方便。輸出信號(hào)連接到ARM單元的AD采樣通道，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到實(shí)際的氧氣濃度。

2.9 聲音提示單元設(shè)計(jì)

在所設(shè)計(jì)的無線頭盔中，集成了一個(gè)聲音提示單元，該單元通過一個(gè)場效應(yīng)管Q1控制蜂鳴器，二極管D1主要起續(xù)流和保護(hù)作用，避免關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)反向高電壓。

在程序控制作用下，聲音提示單元可以用作到達(dá)預(yù)定作業(yè)位置、環(huán)境或作業(yè)行為異常的提示。

3 系統(tǒng)集成和測試

根據(jù)本文提出的硬件設(shè)計(jì)方案，制作了玩整的無線頭盔頭系統(tǒng)。在KEIL環(huán)境下利用C語言編寫參數(shù)采集、測量、控制和通信處理程序，根據(jù)文獻(xiàn)[9，10]的算法編寫基于WIFI的無線通信定位程序。設(shè)計(jì)了配套的安全頭盔結(jié)構(gòu)，制作了玩整的樣機(jī)。電子系統(tǒng)及傳感器總重量380g（含電池）。

經(jīng)過在敞開式變電站、封閉式變電間、地下室等地方的連續(xù)測試，表明本文提供的方案具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在容量3AH的電池組的支持下，可以持續(xù)工作8小時(shí)，具有顯著的節(jié)能效果。在地下和地表均具有人員定位功能。

4 結(jié)語

結(jié)合電站、礦井和礦山安全作業(yè)和巡檢的需求，本文提出了一種針對(duì)現(xiàn)有頭盔的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。頭盔系統(tǒng)集成了紅外測溫、氧氣濃度測量、三維加速度測量等傳感器，支持GPS、慣性和電羅經(jīng)組合定位，具有無線通信功能?，F(xiàn)場實(shí)際使用效果良好，基本滿足作業(yè)需求。由于傳感器和電路工藝限制，現(xiàn)有的測量監(jiān)視系統(tǒng)重量380g，略微偏重，可以在批量制造前繼續(xù)優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場需求，在無線頭盔方案中擴(kuò)展視頻圖像采集、紅外圖像的采集和自動(dòng)分析具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，均可作為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)和繼續(xù)發(fā)展的方向。

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