基于紅外傳感器的配網(wǎng)作業(yè)人員生理指標數(shù)據(jù)采集與告警系統(tǒng)

摘 要：由于配網(wǎng)作業(yè)環(huán)境復雜，及時掌控作業(yè)人員的各項生理指標，可有效降低安全事故發(fā)生的概率?；诖?，利用紅外傳感器，提出了生理指標數(shù)據(jù)采集與告警系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)從總體上分為硬件和軟件部分，硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊以及告警模塊構成，各模塊之間協(xié)調(diào)作業(yè)，將采集到的生理指標數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡傳送至數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一分析和處理；軟件部分實現(xiàn)了配網(wǎng)作業(yè)人員血氧飽和度、脈搏和體動數(shù)據(jù)的計算，配合硬件實現(xiàn)各項生理指標數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)性能測試結果表明：所提系統(tǒng)可取得理想的數(shù)據(jù)采集精度，可針對異常數(shù)據(jù)發(fā)出告警提醒，同時具有超強的續(xù)航能力。

關鍵詞：紅外傳感器；生理指標數(shù)據(jù)；無線通信模塊；告警模塊；血氧飽和度

中圖分類號：TD511文獻標識碼：A

Data Acquisition and Warning System of

Physiological Indicators of Distribution Network

Operators Based on Infrared Sensors

ZHOU Miao

（Centre of Supply， State Grid Huangshi Electric Power Company， Huangshi， Hubei 435000，China）

Abstract：Due to the complex operation environment of distribution network， timely control of various physiological indicators of operators can effectively reduce the probability of safety accidents. Based on this， the design scheme of physiological index data acquisition and alarm system is proposed by using infrared sensors. The system is generally divided into hardware and software parts. The hardware part is mainly composed of a data acquisition module， a wireless communication module and an alarm module. Each module coordinates the operation and transmits the collected physiological index data to the data center through the ZigBee network for unified analysis and processing by the data center. The software part realizes the calculation of blood oxygen saturation， pulse and body movement data of distribution network operators， and realizes the collection of physiological index data with hardware.The performance testresults show that the proposed system can achieve ideal data acquisition accuracy，can issue alarm to abnormal data， and has strong endurance.

Key words：infrared sensor; physiological index data; wireless communication module; alarm module; blood oxygen saturation

近年來，國家電網(wǎng)發(fā)展速度逐步加快，需要的作業(yè)人員越來越多，安全問題始終是最受關注的話題。在執(zhí)行變電站配網(wǎng)作業(yè)時，多種不確定因素將會導致作業(yè)人員心理和身體各項生理指標下降，易產(chǎn)生疲勞感，使注意力下降、失誤率增加、面對突發(fā)事件反應過慢，從而增加配網(wǎng)作業(yè)人員事故發(fā)生的概率。配網(wǎng)作業(yè)對工作人員身心會產(chǎn)生特異性和非特異性的危害，這將會直接或間接地導致事故發(fā)生。鑒于配網(wǎng)作業(yè)的特殊性，對作業(yè)人員的各項生理指標進行實時采集、分析與告警是十分有必要的，可以及時發(fā)現(xiàn)異常，采取相應的措施從根本上避免安全事故的發(fā)生。

對此，呂學賓等[1]提出了一種施工作業(yè)人員安全管控及評價系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)整體架構為分層式，采集施工作業(yè)人員的面部信息建立個人檔案，對后續(xù)的安全培訓結果、施工作業(yè)過程是否規(guī)范以及身體生理指標是否合格等各項安全管控指標進行量化處理，從而達到對施工作業(yè)人員生理指標安全管控與評價的目的。徐一菲等[2]針對有限空間內(nèi)作業(yè)人員的生理指標數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。在作業(yè)人員手腕處選取信號采集最佳位置，利用光電容積脈搏波獲取作業(yè)人員的脈搏、心率、振幅等各項生理指標數(shù)據(jù)；將脈動生理信息監(jiān)測設備佩戴在作業(yè)人員手腕處，實時獲取并監(jiān)測作業(yè)人員的生理指標，從而降低危險發(fā)生的概率。

由于上述兩種方法僅僅實現(xiàn)了作業(yè)人員生理指標數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測，對于異常數(shù)據(jù)并沒有相應的告警系統(tǒng)。基于此，本文提出了基于紅外傳感器的配網(wǎng)作業(yè)人員生理指標數(shù)據(jù)采集與告警系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分實現(xiàn)了生理指標數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析，軟件部分則實現(xiàn)了血氧飽和度、脈搏以及體動數(shù)據(jù)的計算。兩部分相互配合，實現(xiàn)對配網(wǎng)作業(yè)人員生理指標數(shù)據(jù)的采集與告警。通過展開系統(tǒng)性能測試，結果驗證了本文系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)采集精度，同時針對異常數(shù)據(jù)可及時發(fā)生告警提醒，從而降低安全事故發(fā)生的概率。

1 配網(wǎng)作業(yè)人員生理指標數(shù)據(jù)采集與告警系統(tǒng)設計

配網(wǎng)作業(yè)人員生理指標數(shù)據(jù)采集與告警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、無線通信模塊以及告警模塊組成，各模塊之間協(xié)調(diào)作業(yè)，實現(xiàn)對配網(wǎng)作業(yè)人員生理指標數(shù)據(jù)的采集與告警，具體架構如圖1所示。

配網(wǎng)作業(yè)人員在執(zhí)行任務時，都會佩戴1個數(shù)據(jù)采集終端，該終端主要由血氧飽和度傳感器[3]、脈搏傳感器以及體動傳感器組成。三個傳感器將采集到的生理指標數(shù)據(jù)，通過無線通信模塊中的ZigBee網(wǎng)絡[4]上傳到工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)中，整合后最終傳送至數(shù)據(jù)中心；由數(shù)據(jù)中心的服務器實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的分析處理、異常檢測以及告警等功能。

1.1 系統(tǒng)硬件設計

1.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用是采集配網(wǎng)作業(yè)人員的各項生理指標數(shù)據(jù)，然后經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡傳送至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)采集模塊的主要構成如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊的血氧飽和度傳感器、脈搏傳感器和體動傳感器采用了模塊化[5]的設計思路，即每個傳感器之間互不干擾，刪除其中一個任意傳感器均不會對其他兩個傳感器產(chǎn)生任何影響。

1.1.2 無線通信模塊

無線通信模塊主要憑借ZigBee網(wǎng)絡在采集模塊與數(shù)據(jù)中心之間進行信息傳輸，是配網(wǎng)作業(yè)人員與系統(tǒng)后臺管理者之間溝通的橋梁，可以及時獲取作業(yè)人員的各項生理指標數(shù)據(jù)，當發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后，及時告知數(shù)據(jù)中心工作人員，采取相應的處理措施。

無線通信模塊將紅外傳感器采集到的配網(wǎng)作業(yè)人員生理指標數(shù)據(jù)進行實時傳輸，形成一個遠程監(jiān)控網(wǎng)絡。與此同時，無線通信模塊還與告警模塊進行連接，將告警信息實時傳送至數(shù)據(jù)中心。無線通信模塊結構圖如圖3所示。

1.1.3 告警模塊

鑒于變電站配網(wǎng)作業(yè)的特殊性[6]，告警模塊要實現(xiàn)的主要功能就是遠程報警。為達到遠距離且不影響告警性能的目的，本文在告警模塊中應用了GSM（全球移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡[7]中的移動通信技術。該技術不僅可以高效率地傳送告警信號，同時還能進行文字和語音的交換。告警模塊電路主要采用的是TC351 GSM模塊，電路圖如圖4所示。

圖4中，1KUF的主要作用是儲存電源能量，在告警模塊電源告急時提供電流支持；C2和C3二者均為去耦電容[8]，可以有效降低電路中電源波動對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響；R3表示電阻，與NPN三極管Q1和LED（發(fā)光二極管）共同構成燈光電路，為告警模塊以及整體系統(tǒng)起到指示作用[9]。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 血氧飽和度數(shù)據(jù)采集

由于血氧飽和度數(shù)據(jù)采集的特殊性，本文引入Lambert Beer定律，針對紅光區(qū)和紅外光區(qū)的脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白的光吸收系數(shù)差異[10]進行計算，即可得到具體的血氧飽和度數(shù)值。正常狀態(tài)下，人體的脈搏頻率為1～2 Hz，為了取得更高的采集精度，將數(shù)據(jù)采集模塊的采樣頻率設定為250 Hz。血氧飽和度數(shù)據(jù)采集過程如圖5所示。

利用線性函數(shù)經(jīng)驗公式對血氧飽和度展開計算，如式（1）所示：

S=M1+M2L （1）

式中，M1、M2分別表示經(jīng)驗常數(shù)項，通過實際應用環(huán)境定標確定；L表示血氧飽和度的特征值[11]，可通過線性回歸算法計算得到。

對于人體血氧飽和度的紅光光強信號和紅外光透射光強信號，紅外傳感器可實現(xiàn)全方位采集。從本質(zhì)上來說，這兩個信號是存在某些相關性的獨立序列[12]，分別用R=（r1，r2，…，rN）和I=（i1，i2，…，iN）進行表示，其中，rN表示經(jīng)過N次采樣后，獲得的紅光光強信號，iN表示經(jīng)過N次采樣后，得到的紅外光透射光強信號。為使2個序列整合在一起，本文引入一元線性回歸方程[13]，計算公式為：

I=A+BR（2）

式中，A、B均表示回歸系數(shù)。

通過最小二乘法計算A和B的具體值：

A=－B（3）

B=∑NN=1（rN－）（iN－）∑NN=1（rN－）2（4）

式中，、分別表示I和R的均值[14]。

進一步整理得到：

L=B∑NN=1iN∑NN=1rN （5）

將M1、M2和L的值代入到式（1）中，即可計算得到血氧飽和度的精確數(shù)值，配合硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

2.2 脈搏數(shù)據(jù)采集

本文利用極值法獲取配網(wǎng)作業(yè)人員脈搏跳動數(shù)據(jù)。為了精準獲取人體脈搏跳動數(shù)據(jù)，在序列I中，憑借極值法[15]可以找到相鄰的2個極大值點，分別用P1和P2來表示。考慮到配網(wǎng)作業(yè)人員工作環(huán)境的特殊性，認定脈搏正常起伏區(qū)間為60～150次/min。設定數(shù)據(jù)采集模塊的采樣頻率為250 Hz，當滿足條件P2－P1≥100時，認定該點為脈搏有效采集位置。對于配網(wǎng)作業(yè)人員脈搏跳動數(shù)據(jù)的計算，本文通過式（6）來實現(xiàn)：

ρ=60×250P2－P1（6）

將計算得到的脈搏數(shù)據(jù)配合硬件設備，實現(xiàn)對脈搏數(shù)據(jù)的采集。

2.3 體動數(shù)據(jù)采集

人體加速度與運動狀態(tài)下的能量消耗呈現(xiàn)很好的線性關系，因此，本文利用加速度傳感器計算配網(wǎng)作業(yè)人員的能量消耗，以此判斷作業(yè)人員是否疲勞作業(yè)，明確工作強度。加速度a與能量消耗E之間的線性關系，用式（7）表示為：

E=1.294a+77.988 （7）

a的值通過加速度傳感器確定，代入式（7）即可計算得到配網(wǎng)作業(yè)人員的能量消耗情況。如果計算結果高于預先設定的有效能耗閾值，則判斷該次動作有效，計算一分鐘內(nèi)發(fā)生有效動作的次數(shù)，進而得到配網(wǎng)作業(yè)人員的能耗，通過分析固定時間內(nèi)作業(yè)人員的能耗情況即可判斷其工作強度。

對比采集結果和設定閾值，如果超過閾值則通過告警模塊向外界發(fā)出報警。

3 系統(tǒng)性能測試

為了驗證本文系統(tǒng)在實際應用中是否同樣合理有效，與引言中的提到的安全管控及評價系統(tǒng)和脈動生理信息監(jiān)測設備進行了系統(tǒng)性能測試。

3.1 系統(tǒng)續(xù)航能力測試

首先，從系統(tǒng)續(xù)航能力方面對三種算法展開性能測試。實驗中，利用三種系統(tǒng)分別采集施工作業(yè)人員的各項生理指標，當采集數(shù)據(jù)總量均為4.0×109 T時，對比三種系統(tǒng)的續(xù)航能力，結果如圖6所示。

通過觀察圖6可以看出，本文系統(tǒng)的續(xù)航時間明顯高于其他兩種系統(tǒng)，同時高于理想極值，最高達到了55 h，其他兩種系統(tǒng)均低于理想極值，安全管控及評價系統(tǒng)最高為34.8 h，脈動生理信息監(jiān)測設備最高為34 h。

不僅如此，從圖中還可以看出，生理指標數(shù)據(jù)采集的數(shù)量并不會影響采集系統(tǒng)的續(xù)航能力。因此得出結論，無論采集數(shù)據(jù)總量怎樣變化，本文系統(tǒng)的續(xù)航能力是最強的。這是由于本文方法配置了生理信號控制器模塊，可自動調(diào)節(jié)采集模塊啟動模式，在一定程度上提高了數(shù)據(jù)采集效率和數(shù)量，以此提高系統(tǒng)續(xù)航時間。

3.2 采集數(shù)據(jù)精準度測試

接下來對三種系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精準度進行測試，采集數(shù)據(jù)主要為血氧飽和度、脈搏和體動數(shù)據(jù)。為了實驗的公平性和合理性，選取10位測試人員，分別佩戴專業(yè)設備和三種實驗設備進行運動。實驗共進行100次，結果取平均值。將體動數(shù)據(jù)轉換為能耗，測試結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，本文系統(tǒng)測量結果與專業(yè)設備測量結果完全相同，而其他兩種系統(tǒng)均出現(xiàn)了不同程度的誤差。因此得出結論，利用本文系統(tǒng)采集作業(yè)人員生理指標數(shù)據(jù)，可保證其具有較高的精準度。

3.3 系統(tǒng)告警功能測試

最后對本文系統(tǒng)的告警功能展開測試。選取8位測試人員（4男4女），利用本文系統(tǒng)分別測量正常狀態(tài)下和慢跑15 min后測試人員的血氧飽和度、脈搏和能耗，告警結果如表1所示。

通過表1可以看出，在正常狀態(tài)下，本文系統(tǒng)測量得到的血氧飽和度、脈搏和體動數(shù)據(jù)均在正常范圍內(nèi)，不會發(fā)生任何告警提醒；而在慢跑15 min后，脈搏數(shù)據(jù)變化最為明顯，逐漸超出正常值范圍，系統(tǒng)發(fā)出告警提醒；而血氧飽和度和能耗在慢跑15 min后，部分測試人員出現(xiàn)異常，本文系統(tǒng)發(fā)出告警提醒，并傳送至數(shù)據(jù)中心，提醒工作人員多加關注，避免發(fā)生安全事故。

4 結 論

由于變電站配網(wǎng)作業(yè)的特殊性，本文在紅外傳感器的基礎上，提出了生理指標數(shù)據(jù)采集與告警系統(tǒng)設計方案。本文系統(tǒng)共分為硬件部分和軟件部分，兩部分相互協(xié)作，采集配網(wǎng)作業(yè)人員各項生理指標數(shù)據(jù)，經(jīng)由無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一處理分析，對異常數(shù)據(jù)及時發(fā)出告警提醒。系統(tǒng)性能測試結果表明，本文系統(tǒng)測量結果與專業(yè)設備測量結果非常接近，同時具有非常理想的續(xù)航能力，為配網(wǎng)作業(yè)人員提供了安全保障。

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