基于嵌入式微處理器的電纜運檢人員穿戴設備研究

熊益多 馬博翔 周弋

摘要：為在作業(yè)中實時掌握電纜運檢人員的位置信息與身體健康狀態(tài)，設計一種電纜運檢人員穿戴設備。設計的電纜運檢人員穿戴式智能手環(huán)的硬件模塊為處理器模塊，具體由嵌入式微處理器、電源管理芯片、加速度三軸定位傳感器、光電傳感器、OLED顯示屏、觸摸按鍵等構成;軟件模塊為行走姿態(tài)模塊，能夠?qū)﹄娎|運檢人員的行走姿態(tài)進行監(jiān)測。為驗證基于嵌入式微處理器的電纜運檢人員穿戴設備的性能，對其進行實驗驗證。實驗結果證明該設備的運行功耗與待機功耗都較低，實現(xiàn)了性能提升。

關鍵詞：嵌入式微處理器;電纜運檢;運檢人員穿戴設備;光電傳感器

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

1電纜運檢人員穿戴設備設計

1.1硬件設計

設計的電纜運檢人員穿戴式智能手環(huán)的硬件模塊為處理器模塊，具體由嵌入式微處理器、電源管理芯片、加速度三軸定位傳感器等構成[2]。該模塊能夠通過藍牙連接內(nèi)網(wǎng)移動終端，從而向電纜精益化平臺傳輸采集信息，對采集信息進行統(tǒng)計、分析、展示。

嵌入式微處理器是一種SOC藍牙嵌入式芯片，選擇的型號為BYCL10753，是賽普拉斯的藍牙低功耗芯片。該嵌入式微處理器能夠利用相關固件來實現(xiàn)鏈路控制、主機控制接口等關鍵協(xié)議元素，提供一種直接測試模式，即通過藍牙測試儀對藍牙芯片進行測試的無線性能，該嵌入式微處理器的物理層由RF收發(fā)器與調(diào)制解調(diào)器構成，能夠在2.4GHz頻率的ISM頻段上對BLE數(shù)據(jù)包進行接收和發(fā)送，且其速率可達1Mbps。在進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送時，芯片執(zhí)行的是GFSK調(diào)制，在利用天線進行BLE分組發(fā)送之前能夠?qū)鶐Х纸M數(shù)字信號進行轉(zhuǎn)換，使其變成射頻信號。在進行數(shù)據(jù)包的接收時，芯片能夠?qū)μ炀€的RF信號實施GFSK解調(diào)，獲取比特流數(shù)字信息[3]。其中RF收發(fā)器中配置了集成Balun，集成Balun能夠提供RF端口單端引腳，利用π形網(wǎng)絡對天線端子進行匹配驅(qū)動。該嵌入式微處理器能夠利用配置寄存器對輸出功率進行設置，以對不同應用場景中功耗與距離的平衡進行控制。該芯片還支持電容式觸摸。

光電傳感器能夠?qū)﹄娎|運檢人員進行身體指標監(jiān)測，包括心率監(jiān)測等。選擇的光電傳感器型號為AMS7000，集成了光學傳感器的關聯(lián)軟件算法，其計算原理為光電容積描記，在人體血管收縮與擴張時獲取光吸收值，對調(diào)制光進行測量而獲取電纜運檢人員的身體指標數(shù)值。該光電傳感器提供心率變化測量、光學心率測量等多種指標測量方式，并且測量精度極高，集成了模擬前端、光敏器件、HRM算法與微處理器MO。其中集成的算法能夠?qū)﹀e誤的PPG信號進行濾除。

加速度三軸定位傳感器能夠?qū)﹄娏λ淼乐蠷FID標簽進行讀取，對電纜運檢人員的實際位置坐標軌跡進行定位，并獲取電纜運檢人員運動中的方位矢量。

電源管理芯片選用NSTS01型號，該芯片采取意法半導體，集成了充電管理系統(tǒng)與穩(wěn)壓器，能夠通過CV/CC算法實現(xiàn)電池的充電。

OLED顯示屏用于顯示電纜運檢人員的各種收集指標，而觸摸按鍵則用于對電纜運檢人員穿戴式智能手環(huán)進行功能選擇。

1.2軟件設計

設計的電纜運檢人員穿戴式智能手環(huán)的軟件模塊為行走姿態(tài)模塊，能夠?qū)﹄娎|運檢人員的行走姿態(tài)進行監(jiān)測[4]。人在行走過程中會產(chǎn)生加速度上的周期性變化。行走姿態(tài)模塊主要通過行走姿態(tài)算法實現(xiàn)電纜運檢人員的行走姿態(tài)監(jiān)測。利用行走姿態(tài)算法能夠?qū)﹄娎|運檢人員的行走軌跡峰值進行計算和檢測，確定其加速度閾值，從而實現(xiàn)電纜運檢人員的行走姿態(tài)監(jiān)測。

2實驗研究

2.1實驗設計

為驗證基于嵌入式微處理器的電纜運檢人員穿戴設備的性能，對其進行實驗驗證。在實驗中，電纜運檢人員穿戴設計的手環(huán)進行電力隧道巡檢。參與實驗的共10名電纜運檢人員，測試設計手環(huán)的功耗作為實驗數(shù)據(jù)。

2.2結果分析

獲取的手環(huán)運行功耗實驗數(shù)據(jù)具體如表1所示。

獲取的手環(huán)待機功耗實驗數(shù)據(jù)具體如表2所示。

根據(jù)表1的手環(huán)運行功耗實驗數(shù)據(jù)與手環(huán)待機功耗實驗數(shù)據(jù)可知，設計的基于嵌入式微處理器的電纜運檢人員穿戴設備的運行功耗與待機功耗都偏低。

3結束語

基于嵌入式微處理器的電纜運檢人員穿戴設備能夠以較低功耗實現(xiàn)電纜運檢人員作業(yè)中的身體數(shù)據(jù)與位置數(shù)據(jù)監(jiān)測，對于減少運檢事故有很大的意義。

參考文獻

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[2]董琴，郭清，袁貞明.一種改進可穿戴設備的血氧測量精度的傳感器設計與驗證[J].傳感技術學報，2018.

[3]沈天毓，王計平，郭立泉，等.利用可穿戴設備對帕金森病患者運動功能進行量化評估[J].生物醫(yī)學工程學雜志，2018.

[4]尚猛，李輝，萬只鵬，等.海外用戶對智能健康穿戴設備持續(xù)使用意愿的模型構建及實證研究——以小米運動手環(huán)在韓用戶群為例[J].數(shù)學的實踐與認識，2019.

作者介紹：

熊益多（1988.09.22-）;男;湖北;漢;碩士;工程師;研究方向：高壓電纜運維檢修;國網(wǎng)北京電纜公司。