無線網(wǎng)絡(luò)下的便攜式維修輔助終端設(shè)計(jì)研究

楊曉斌 付麗偉 朱輝 陳曦 肖健

（國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司 天津市 300010）

便攜式維修輔助終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是確保處于不同區(qū)域的專業(yè)人員能夠在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)和圖像信息進(jìn)行診斷，找出故障產(chǎn)生的原因和對(duì)應(yīng)的解決方案，并且利用遠(yuǎn)程協(xié)同的方式，將每位專家給出維修方案按照多種信息形式加以整合，最終提供給維修人員經(jīng)過協(xié)調(diào)的方案。由此看出設(shè)計(jì)過程需借助CSCW技術(shù)。

1 無線網(wǎng)絡(luò)下的便攜式維修輔助終端設(shè)計(jì)的完善

1.1 整體框架

本文所設(shè)計(jì)的終端包含人機(jī)交互層、維修應(yīng)用層和維修數(shù)據(jù)層，三大模塊相輔相成，達(dá)成實(shí)時(shí)通訊、傳輸信息的目標(biāo)。在人機(jī)交互層的應(yīng)用上，在向維修人員提供工具后，借助麥克風(fēng)、軟件界面和觸摸屏等工具完成人機(jī)交互。在維修應(yīng)用層的應(yīng)用上，無線網(wǎng)絡(luò)是連接的媒介，通過提供備件信息搜索、任務(wù)下載、音頻協(xié)作、遠(yuǎn)程視頻協(xié)作的功能，在處理信息和反饋檢測數(shù)據(jù)時(shí)，通過對(duì)所傳輸?shù)男畔⒑蛿?shù)據(jù)作加密處理，對(duì)診斷的安全性加以認(rèn)證。在維護(hù)數(shù)據(jù)層應(yīng)用方面，萬用表模塊、音視頻采集設(shè)備同時(shí)工作，將數(shù)據(jù)信息的診斷與測試進(jìn)行的更為穩(wěn)定和安全，通過直接從存儲(chǔ)站點(diǎn)和手機(jī)獲取到相關(guān)信息的操作，保證將診斷測試的結(jié)果更快速更全面的展現(xiàn)。

1.1.1 系統(tǒng)功能

本文所設(shè)計(jì)的便攜式維修輔助終端所應(yīng)用的技術(shù)包括：無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、綜合網(wǎng)絡(luò)攝像技術(shù)、PDA，各中心模塊之間需要在將無線局域網(wǎng)連接后，將遠(yuǎn)程交互式診斷的結(jié)果以及技術(shù)提供中心信息傳輸、Wi-Fi技術(shù)維護(hù)、收集處理頻率信息、等多項(xiàng)功能，基本滿足便攜式維修輔助終端的功能需求[1]。其中音頻電路的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1：音頻電路的設(shè)計(jì)示意圖

1.1.2 框架設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)便攜式維修輔助終端的環(huán)節(jié)，要呈現(xiàn)出軟硬件平臺(tái)的實(shí)用性，從而保證交互的效果。便攜式維修輔助終端是以AR技術(shù)為基礎(chǔ)，將智能的可視化眼鏡作為基礎(chǔ)平臺(tái)，可在維修人員眼前形成完整的界面，從而給予良好的界面體驗(yàn)感。具體而言，在便攜式維修輔助終端的整體框架由可視化、設(shè)備識(shí)別、佩戴定位、遠(yuǎn)程交互組成，其中可視化指的是使用AR眼鏡將各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)予以顯示，具備數(shù)據(jù)開發(fā)和直觀顯示的能力，能夠?qū)⒔换?shù)據(jù)、設(shè)備信息和維修人員信息顯示在接收設(shè)備上，從而提供有力的支持，幫助現(xiàn)場進(jìn)行維修的人員能夠在獲取到信息后直接對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行清除[2]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

在便攜式維修輔助終端中需要加入多種軟件，應(yīng)用軟件的必要性在于主控程序的穩(wěn)定運(yùn)行，通常加入?yún)f(xié)調(diào)呼叫診斷、控制軟件、萬用表控制模塊和姿態(tài)控制軟件（圖2為語音結(jié)合姿態(tài)的操作流程圖和），并使用微軟公司所開發(fā)的多種技術(shù)，其對(duì)應(yīng)的軟件包括：visual Studio net、C#和windows CE，以上幾種軟件都能輔助軟件開展終端檢測和診斷。C/S模式對(duì)應(yīng)的是PDA軟件，其運(yùn)行位置是本地?cái)?shù)據(jù)庫，將維修輔助終端予以下載，在此過程中要保持高速的網(wǎng)絡(luò)通信水平。嵌入式服務(wù)器是處理視頻信號(hào)的主要設(shè)備，其基礎(chǔ)構(gòu)建源自TCP /IP協(xié)議，自然在達(dá)成相應(yīng)的協(xié)議要求時(shí)更為實(shí)用。經(jīng)過設(shè)計(jì)，任務(wù)終端能夠與多個(gè)接入端形成整體，依賴于嵌入式服務(wù)器WEB和HTTP將訪問Internet，在高速網(wǎng)絡(luò)、PC設(shè)備終端和IP獨(dú)立地址的輔助作用下，強(qiáng)化了軟件的使用效果。軟件設(shè)計(jì)為系統(tǒng)整體運(yùn)行添加了更具有輔助特點(diǎn)的模塊，但設(shè)計(jì)的核心應(yīng)當(dāng)放在硬件的設(shè)計(jì)上，因此根據(jù)上文內(nèi)容，下文將細(xì)致分析硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)[3]。

圖2：語音結(jié)合姿態(tài)的操作流程圖

1.3 硬件設(shè)計(jì)

目前多家企業(yè)在設(shè)計(jì)硬件的環(huán)節(jié)選用此種方式，例如在三星公司，其所使用的處理器型號(hào)是SSC2410，能夠?qū)⒕S修人員開展維修作業(yè)的具體圖像傳輸?shù)娇刂浦行?，選用高清攝像頭，借助無線網(wǎng)絡(luò)媒介，從而建立起遠(yuǎn)程維修中心和現(xiàn)場之間的橋梁?；诖?，維修人員使用麥克風(fēng)和耳機(jī)，說明需要維修的部分，控制中心將解決方案以通信的形式繼續(xù)傳輸，保證溝通的流暢性和實(shí)時(shí)性[4]。

1.3.1 電路設(shè)計(jì)

在電源電路的設(shè)計(jì)中要依據(jù)CPU內(nèi)核和外圍芯片對(duì)電壓的需求，選定芯片型號(hào)和開關(guān)頻率。對(duì)于1.3V電源電路來講，其所設(shè)計(jì)的XC9216電路原理圖為圖3所示，對(duì)應(yīng)的開關(guān)頻率、固定輸出和芯片型號(hào)為1.2MHz、1.3V和XC9216A13CMR，其中轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90%，通過外接0.1uF濾波電容的形式提升電路運(yùn)行效能。對(duì)于3.3V 電源電路設(shè)計(jì)來講，其所設(shè)計(jì)的LTC1875 電路原理如圖4所示，依照?qǐng)D示計(jì)算反饋電阻值的公式是：

圖3：XC9216A13CMR電路原理圖

圖4：LTC1875電路原理圖

1.3.2 AMR主板

作為一種常用手持工具，ARM的使用為視頻和音頻提供了可作用的平臺(tái)，從本質(zhì)上講，此種工具發(fā)揮作用要借助平板電腦，屬于電腦軟件的范疇。視頻數(shù)字視碼板塊是ARM主板上的主要應(yīng)用功能，并在融合萬應(yīng)表板塊后，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理，提升了維修的質(zhì)量，對(duì)于現(xiàn)場檢測與實(shí)時(shí)處理起到了積極地促進(jìn)作用，值得在多種技術(shù)的支撐下繼續(xù)深入探究。以上所設(shè)計(jì)的硬件模塊是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的延伸應(yīng)用，在經(jīng)過信息交流后，將外界信息傳輸?shù)絻?nèi)部系統(tǒng)中，而后硬件模塊負(fù)責(zé)對(duì)信息收集加工，充分借助視頻處理技術(shù)，在無線連接作用下實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)。通過對(duì)硬件模塊的分析可以看出，要想保證服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)提升對(duì)模塊功能深度的要求程度，需要其具備維持移動(dòng)VOIP穩(wěn)定作用的功能，從而篩選出安全性能高、可漫游的高質(zhì)量模塊。IEEE80211和80211是常見的協(xié)議類型，所設(shè)計(jì)的模塊要能夠支撐協(xié)議的正常使用，說明模塊中各項(xiàng)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格進(jìn)行篩選。

現(xiàn)階段所推行的無線局域網(wǎng)規(guī)范性技術(shù)是：IEEE802和Wi-Fi，使用以上技術(shù)的原因是其能夠在有線局域網(wǎng)作為基礎(chǔ)的背景下，在節(jié)點(diǎn)處借助于無線HUB完成訪問計(jì)劃。常見的可實(shí)現(xiàn)無線通信的設(shè)備包括無線網(wǎng)橋和無線網(wǎng)卡，都符合技術(shù)規(guī)范。經(jīng)過IEEE802所規(guī)定的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)需要具備速率變化可利用的特征，能夠在不同的速率下保持正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，本文所設(shè)計(jì)的終端可兼容1Mb/s和10Mb/s，正常工作狀態(tài)下將網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍拓展到100m，最近距離為80m，基本符合設(shè)備信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)[5]。

1.3.3 姿態(tài)設(shè)計(jì)

在頭部姿態(tài)檢測電路的設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)頭搖頭替代手部運(yùn)動(dòng)的效果。按照上文中圖3的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使用ADXL345加速度傳感器和MSP430F149微控制器，在獲取加速度后計(jì)算具體值，進(jìn)而形成與動(dòng)作相呼應(yīng)的控制碼，從而在RS485 通信電路的傳輸下將控制碼傳遞給主機(jī)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)操作。按照標(biāo)準(zhǔn)的流程，設(shè)計(jì)姿態(tài)檢測程序。獲取信號(hào)的傳感器要經(jīng)過選型處理，表1給出傳感器選型的對(duì)比結(jié)果。通過對(duì)比選擇ADXL345加速度傳感器，其可降低功耗，同時(shí)選用的MSP430F149微處理器，其對(duì)應(yīng)的功耗為1.6mW。

表1：傳感器選型對(duì)比

1.4 無線數(shù)據(jù)交換與安全性方案

數(shù)據(jù)的下載和上傳構(gòu)成了數(shù)據(jù)交換和傳輸，SQL Server CE作為本地?cái)?shù)據(jù)庫選取上主要應(yīng)用種類，其能夠在Microsoft Windows CE NET上正常運(yùn)行，并轉(zhuǎn)移Microsoft SQT server的儲(chǔ)存作用。通過比對(duì)，發(fā)現(xiàn)SQL server與本地?cái)?shù)據(jù)庫所起到的作用十分類似，因此SQL server也可提供處理器查詢和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫的功能。交換信息的媒介是SQL serve CE，其能夠?yàn)橹行臄?shù)據(jù)庫和本地?cái)?shù)據(jù)庫搭建橋梁，各項(xiàng)數(shù)據(jù)和信息可直接實(shí)現(xiàn)連接，體現(xiàn)了交互。訪問網(wǎng)絡(luò)要在無線網(wǎng)上進(jìn)行，將網(wǎng)絡(luò)連接置于任務(wù)計(jì)算機(jī)上，加入Web Service，體現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)。與下載數(shù)據(jù)較為類似，數(shù)據(jù)上傳的過程也要經(jīng)過請(qǐng)求服務(wù)器，在服務(wù)器名稱和服務(wù)地址都要借助WEB，上傳的參數(shù)與數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，可直接傳輸?shù)狡脚_(tái)上，進(jìn)而傳送到中心服務(wù)器中。

2 無線網(wǎng)絡(luò)下的便攜式維修輔助終端設(shè)計(jì)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)的完善（表2、表3給出關(guān)鍵芯片與外設(shè)溫度測試結(jié)果以及維修輔助終端運(yùn)行狀態(tài)的功耗）為最終的應(yīng)用服務(wù)，因此為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的成果是否能夠輔助檢修工作，下文將從具體的應(yīng)用過程出發(fā)，說明應(yīng)用的實(shí)際價(jià)值。

表2：關(guān)鍵芯片與外設(shè)溫度測試結(jié)果表

表3：維修輔助終端運(yùn)行狀態(tài)的功耗表

2.1 設(shè)備巡檢

便攜式維修輔助終端應(yīng)用于維修作業(yè)中的重要環(huán)節(jié)是設(shè)備巡檢，工作人員佩戴好可視化眼鏡，在眼鏡的附近將控制器予以連接，其能夠及時(shí)收集巡檢圖像，將音視頻信息準(zhǔn)確記錄。佩戴好眼鏡后，后臺(tái)將實(shí)時(shí)獲取到來自于攝像頭所采集的信息，此過程的媒介是無線網(wǎng)絡(luò)。后臺(tái)操控室內(nèi)的人員不僅可以獲取設(shè)備的整體運(yùn)行狀態(tài)，還能對(duì)維修人員的行進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行管理，提升了對(duì)人與設(shè)備共同管控的效果，節(jié)省了大量的資源。通過跟蹤維修人員的實(shí)時(shí)位置，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)能夠準(zhǔn)確定位，及時(shí)采取有力措施，保障設(shè)備和人員的安全，避免出現(xiàn)大范圍的損失。在相關(guān)設(shè)備上貼好二維碼，便攜式終端上的攝像頭具備掃描的功能，在出現(xiàn)二維碼識(shí)別框后將其中所包含的信息調(diào)取，維修人員能夠知曉設(shè)備的作業(yè)指導(dǎo)書，便于維護(hù)工作的開展。以電力設(shè)備為例，在巡檢階段，掃描二維碼后將會(huì)出現(xiàn)與其關(guān)聯(lián)的保護(hù)屏柜信息，給出正常運(yùn)行情況下的壓板信息，基于此，管理人員將形成空間位置和設(shè)備信息的總體記錄內(nèi)容。

對(duì)比傳統(tǒng)的辦法，雖然在數(shù)據(jù)傳輸和安全性的控制上體現(xiàn)出了一定的價(jià)值，但實(shí)際應(yīng)用中難以做到解放雙手。對(duì)于維修人員來講，多數(shù)時(shí)間需要采取雙手作業(yè)的方式才能將故障清除，使用便攜式終端能夠在雙手以外的部分收集信息，極大程度上節(jié)約了人力資源。以為設(shè)備測溫為例，傳統(tǒng)模式下需要兩人完成以上操作，其中一人查看平板電腦信息，一人對(duì)準(zhǔn)設(shè)備測溫，而使用便攜式終端兩項(xiàng)作業(yè)可同時(shí)完成，攝像頭對(duì)準(zhǔn)檢修設(shè)備，可將溫度數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)竭h(yuǎn)端并記錄在數(shù)據(jù)庫中，提升了作業(yè)的效率。

2.2 故障檢修

設(shè)備檢修在便攜式維修輔助終端的支持下將使得整體流程更為有序，后臺(tái)接收到控制器發(fā)來的異常狀態(tài)信號(hào)后，細(xì)致的分析設(shè)備故障程度，找準(zhǔn)缺陷的位置，并啟用流程化的管理系統(tǒng)，將信息傳遞到調(diào)度申請(qǐng)上，將檢修單下發(fā)。在此過程中，調(diào)度可獲得同步信息，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況和缺陷位置，從而衡量是否應(yīng)當(dāng)采取停電措施。結(jié)合故障位置及其可能造成的影響，確定需要停電的設(shè)備數(shù)量，確保維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

如若穿戴便攜式終端的人員難以直接給出解決方案，則可將故障設(shè)備信息上傳后，等待專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)，以此保證最終給出的整修方案更為精準(zhǔn)。維修工作并非獨(dú)立進(jìn)行，不僅在時(shí)間上具備著時(shí)間跨度大的特征，而且在周期上還具備著全生命周期的特點(diǎn)，因而將每次維修的具體情況如實(shí)記錄十分必要。設(shè)計(jì)維修知識(shí)庫，通過總結(jié)專業(yè)人士對(duì)故障維修提出的解決方案并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的形式，可在后續(xù)開展維修工作遇到類似的問題時(shí)節(jié)省分析和處理的時(shí)間。維修數(shù)據(jù)庫中需要加入處理流程、整修辦法、處理意見等，在之后的維修中可避免因?qū)＜衣?lián)系不及時(shí)導(dǎo)致故障影響擴(kuò)散的情況發(fā)生，調(diào)取經(jīng)驗(yàn)信息便可完成初步維護(hù)[6]。

2.3 價(jià)值分析

通過對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)下的便攜式維修輔助終端的具體應(yīng)用的闡述不難發(fā)現(xiàn)其對(duì)于設(shè)備維修質(zhì)量的作用，能夠帶來極大的社會(huì)效益[7]。從維修工作整體來看，維修人員穿戴便攜式裝置可提高檢修的水平和可視化程度，遠(yuǎn)端控制人員也能得到現(xiàn)場情況的反饋，有助于二者聯(lián)動(dòng)解決問題。從人員管理方面來看，在傳統(tǒng)的維修工作中管理人員難以確定設(shè)備是否都經(jīng)過嚴(yán)密的檢查，相關(guān)人員所給出的初步處理辦法是否奏效等，以上影響因素都不利于對(duì)人員進(jìn)行科學(xué)管理，而便攜式終端完美的解決了這一問題。通過實(shí)時(shí)視頻和數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的手段，對(duì)維修人員的操作和行動(dòng)區(qū)域都能準(zhǔn)確掌握，方便考核維修人員的工作能力和態(tài)度。從故障維修的效果來看，便攜式維修輔助終端與遠(yuǎn)程控制端直接連接，消除了時(shí)間和空間的限制，專家無需到達(dá)現(xiàn)場即可根據(jù)上傳的音視頻信息確定故障原因和解決方案，提升了障礙排除的質(zhì)量，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[8]。

3 結(jié)束語

綜上所述，維修作為日常運(yùn)維系統(tǒng)中的重要組成部分，其對(duì)于設(shè)備的正常使用和管理都起到了不可替代的作用，因此針對(duì)維修這一作業(yè)開展技術(shù)升級(jí)和應(yīng)用十分必要。在智能化和人機(jī)交互的背景下，遠(yuǎn)端控制和終端直接作用的技術(shù)形式屢見不鮮，但因受到技術(shù)難度的限制，目前在便攜式維修輔助終端設(shè)計(jì)領(lǐng)域仍舊有很大的作用空間，由此本文從無線網(wǎng)絡(luò)的角度給出了優(yōu)化嘗試。通過設(shè)計(jì)整體框架、硬件和軟件等給出一種可縮短維修反應(yīng)時(shí)間的設(shè)計(jì)成果，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來看值得全面推廣。