李澤文，王志剛,2，穆利智，彭維馨，梁流濤

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.湖南省常德市水利局, 湖南 常德 415003)

電能的穩(wěn)定可靠供應(yīng)離不開電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行是保障電力供應(yīng)的基本要求。近幾年隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，中國逐步加大了對(duì)電網(wǎng)的投入建設(shè)，市場(chǎng)對(duì)電力供應(yīng)的需求也越來越高，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求越來越高[1-2]。然而，電力產(chǎn)業(yè)設(shè)備更換頻率高，部分檢修人員不能適應(yīng)新設(shè)備的特性，專業(yè)能力難以滿足維護(hù)和檢修的需要。電力檢修作業(yè)人員安全意識(shí)較低，失誤操作頻發(fā)造成電力系統(tǒng)震蕩、電力運(yùn)行設(shè)備燒毀、大范圍停電，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅[3]。因此，為了滿足生產(chǎn)生活用電日益增長(zhǎng)的安全性和可靠性要求，電力工程檢修、作業(yè)安全管控是當(dāng)前重要工作之一。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)安全監(jiān)控體系的研究?jī)?nèi)容多為操作流程、設(shè)備安全與風(fēng)險(xiǎn)管控等[4]。電力檢修最重要的3個(gè)因素為工作人員、電力設(shè)備、工作環(huán)境。工作人員對(duì)設(shè)備的使用具有比較強(qiáng)的主觀作用，是重點(diǎn)監(jiān)控的對(duì)象[5]?；陔娏Ξa(chǎn)業(yè)設(shè)備更換頻率高的現(xiàn)狀，可以嘗試用低風(fēng)險(xiǎn)、高效能的設(shè)備替換低效能、高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備，或使用現(xiàn)代化調(diào)節(jié)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，減少電力檢修作業(yè)中的不安全因素[6]。電力檢修作業(yè)安全管理意識(shí)對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)管理具有重要作用，通過培訓(xùn)可以提高工作人員防范重大危險(xiǎn)事故的能力[7-9]。電力安全檢查工作人員須不斷增強(qiáng)安全責(zé)任意識(shí)和專業(yè)水平，提升自身素質(zhì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)不安全因素，及時(shí)進(jìn)行處理，減少電力安全事故的發(fā)生[10]。對(duì)于在檢修過程中的安全管控方面，大部分都是從安全管理策略和企業(yè)文化等方面著手的，少有對(duì)檢修工作過程中實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)[11]。從而無法從源頭避免由于人為因素引發(fā)的電力事故。在安全技術(shù)方面，現(xiàn)在還僅限于無人機(jī)巡檢、機(jī)器人巡檢等，但是這個(gè)對(duì)于地理環(huán)境復(fù)雜多變、檢修精準(zhǔn)度要求較高的電力檢修行業(yè)，并不能做到完全的代替人工檢修。

近年來，可穿戴技術(shù)取得了重大突破，在人工智能領(lǐng)域有了長(zhǎng)足進(jìn)展。可穿戴設(shè)備的功能和種類開始多樣化。逐漸在醫(yī)療管理、安全監(jiān)護(hù)、移動(dòng)通信、運(yùn)動(dòng)健身、軍事、教育和工業(yè)[12-13]等行業(yè)展示出重要的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?。通過可穿戴技術(shù)，可以在工作人員的頭盔，手環(huán)上嵌入定位、視頻監(jiān)控、生命體征監(jiān)控、無線通訊等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員定位、實(shí)際操作的監(jiān)控、安全警示、實(shí)時(shí)指揮等多種功能；對(duì)提升工作人員的安全意識(shí)和技術(shù)水平有促進(jìn)作用，能在很大程度上避免誤操作引起的嚴(yán)重故障。

針對(duì)目前變電站檢修作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的信息化水平仍較低、安全監(jiān)管以及防范手段等方面的不足，本文進(jìn)行變電站智能安監(jiān)的可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)，以提升電力檢修過程中的安全性，為電力檢修作業(yè)的安全專業(yè)性提供支撐和傳統(tǒng)安檢系統(tǒng)智能化發(fā)展提供新思路。

1 智能手環(huán)整體設(shè)計(jì)方案與關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 智能手環(huán)整體設(shè)計(jì)方案

智能手環(huán)系統(tǒng)整體采用的是模塊化設(shè)計(jì)，不但可以對(duì)程序進(jìn)行部分或整體調(diào)試、修改，也便于對(duì)手環(huán)進(jìn)行定期檢測(cè)維護(hù)?？纱┐魇奖O(jiān)測(cè)手環(huán)以低成本、功耗低、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)的可穿戴方式，可以實(shí)現(xiàn)利用心率檢測(cè)模塊、跌倒檢測(cè)模塊、近電告警模塊、通信模等功能模塊的相互配合來實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員在變電站檢修時(shí)的身體狀態(tài)監(jiān)測(cè)和近電告警；最后將測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖酥悄馨脖O(jiān)系統(tǒng)平臺(tái)供后臺(tái)專家以及技術(shù)人員實(shí)時(shí)查看、分析與應(yīng)急處理。

手環(huán)系統(tǒng)整體框架如圖1所示，主控芯片通過其內(nèi)部資源與各個(gè)功能模塊連接。首先，通過心率檢測(cè)、跌倒檢測(cè)及近電告警模塊進(jìn)行采集；然后，通過顯示模塊進(jìn)行各模塊功能的顯示；最后，通過通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖税脖O(jiān)系統(tǒng)，由電源模塊實(shí)現(xiàn)供電功能。其中，心率檢測(cè)模塊用來采集檢修人員的心率指標(biāo)，跌倒檢測(cè)模塊用來采集作業(yè)人員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以防不慎跌落或摔倒等意外發(fā)生造成嚴(yán)重后果，通過近電告警模塊實(shí)現(xiàn)當(dāng)檢修人員靠近高壓帶電設(shè)備時(shí)的示警功能，避免誤觸帶電設(shè)備。

圖1 手環(huán)系統(tǒng)整體框架Figure 1 Overall design of bracelet system

1.2 心率檢測(cè)技術(shù)

人體在正常情況下脈搏和心率是相同的，且不會(huì)出現(xiàn)過大的波動(dòng)，一般成年人正常心率為每分鐘60～100，而老年人的心率則在每分鐘55～60[14]。如果心率大于100，則稱為過快；如果心率小于60，則為行動(dòng)過緩。為保證智能可穿戴設(shè)備的靈活性、實(shí)用性，智能手環(huán)的設(shè)計(jì)采用非侵入式的心率檢測(cè)方法，主要有3種檢測(cè)方法：心電信號(hào)法、動(dòng)脈血壓法和光電容積脈搏波描記法。其中，光電容積脈搏波描記法即當(dāng)一束恒定光源照射人體皮膚時(shí)，人體皮膚和肌肉組織吸收的光量是恒定的，但由于心臟送血的影響人體吸收的光量將出現(xiàn)周期性的變化，于是便可以通過光源發(fā)射和接受裝置采集光電容積描記 (photoplethysmography, PPG)信號(hào)的規(guī)律變化，確定人體的心率數(shù)值。前兩種方法檢測(cè)難度大且不方便，同時(shí)設(shè)備費(fèi)用高，不適合電站檢修人員長(zhǎng)期佩戴使用；光電容積脈搏波描記法具有精確度高、功耗低、操作上更簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，更適合本文智能手環(huán)的設(shè)計(jì)需求。

PPG信號(hào)可通過透射和反射2種方式進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)心率的檢測(cè)，這2種方法都基于朗伯比爾定律和擴(kuò)散理論[15-16]。其中，透射法的光源發(fā)射和接收裝置分開放置，分別位于心率檢測(cè)模塊的兩側(cè)，一端將光束發(fā)出，另一端采集透射光。由于透射法一般要采用指夾式傳感器，夾取人體外表組織，并將光源發(fā)射和接收裝置分別擺放到人體薄組織的兩邊，因此，長(zhǎng)時(shí)間的心率檢測(cè)容易導(dǎo)致人體不適，影響佩戴者日常生活與工作。反射法的測(cè)量原理如圖2所示，該方法的光源發(fā)射和接收裝置放置在一起，接收裝置采集反射光波。相比于透射法，反射法更加靈活便捷，可以貼在額頭、手腕、頸部、腳背等身體區(qū)域的表面進(jìn)行心率檢測(cè)，避免了夾取人體組織，讓佩戴者更加舒適。因此，對(duì)于本文采用反射式的穿戴手環(huán)來獲取PPG信號(hào)更合適。

圖2 反射式光電傳感器Figure 2 Reflective photoelectric sensor

反射法主要通過光線反射測(cè)出心率，一般多用綠光作為檢測(cè)光源。綠光有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①當(dāng)溫度變化時(shí)會(huì)引起信號(hào)失真，而綠光受到的影響最小；②人體血液對(duì)光的吸收程度不同，通常具有很強(qiáng)的綠光吸收能力，因此，采用反射式測(cè)量方法的智能手環(huán)內(nèi)部集成了2個(gè)綠色發(fā)光二極管。當(dāng)手環(huán)的內(nèi)部光源照亮人體皮膚時(shí)，光束將通過反射的方式到達(dá)光電接收器，光電接收器收集的光強(qiáng)度可以反映出人體被照射部分的組織特征。在此過程中，由于皮膚肌肉和血液對(duì)光波存在一定的吸收衰減作用，且特定皮膚、肌肉和骨骼對(duì)光的吸收數(shù)值不會(huì)改變，但皮膚中的血液量會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)性變化，因此，檢測(cè)器采集到的光強(qiáng)度也將會(huì)呈現(xiàn)周期性的變化。根據(jù)該原理，最終可以得出心率的測(cè)量方法：接收裝置將采集的PPG信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過心率檢測(cè)算法計(jì)算得到人體心率。

1.3 跌倒檢測(cè)技術(shù)

變電站結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，檢修人員意外跌倒可能會(huì)危及自身安全，所以需要引入跌倒檢測(cè)功能，對(duì)電力檢修工作人員予以監(jiān)控告警。

人體跌倒檢測(cè)主要通過3種途徑實(shí)現(xiàn)：基于視頻圖像、周圍環(huán)境的音頻或無線電信號(hào)以及可穿戴設(shè)備檢測(cè)?；谝曨l圖像的檢測(cè)方法不用額外投入檢測(cè)設(shè)備，只需利用周圍監(jiān)控視頻畫面便可以進(jìn)行檢測(cè)，但受圖像處理技術(shù)、監(jiān)控?cái)z像頭性能以及人體所處環(huán)境的光線、離攝像頭的遠(yuǎn)近等因素的影響，該方法難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)人體的跌倒檢測(cè)；基于周圍環(huán)境的音頻或無線電信號(hào)的檢測(cè)方法，需要在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)檢測(cè)信號(hào)發(fā)生裝置，檢測(cè)方案經(jīng)濟(jì)性、可行性差的同時(shí)，還可能給周圍其他設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患，且檢測(cè)過程中周圍環(huán)境的影響巨大，因此該方法適用性小、精度低；基于可穿戴設(shè)備的檢測(cè)方法，利用穿戴設(shè)備的運(yùn)動(dòng)信息采集模塊獲取人體在不同方向的加速度、旋轉(zhuǎn)角速度等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并通過運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)人體跌倒行為的檢測(cè)，該方法成本低廉、體積小巧、檢測(cè)精度高且功耗極低，因此被各種行業(yè)所廣泛采用。本文設(shè)計(jì)選用三軸加速度傳感器，如圖3所示，實(shí)時(shí)獲取3個(gè)不同方向的加速度和旋轉(zhuǎn)角速度，以實(shí)現(xiàn)人體跌倒行為的檢測(cè)。

圖3 三軸加速度傳感器Figure 3 Three-axis acceleration sensor

1.4 近電告警技術(shù)

為防止事故的發(fā)生只依靠人為的注意是不可靠的，必須采取先進(jìn)輔助手段，采用針對(duì)性的技術(shù)措施，甚至是綜合性的技術(shù)措施，才可以減小事故發(fā)生的概率。智能手環(huán)中嵌入近電告警裝置是利用電場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)開發(fā)的“帶電顯示”、“帶電警告”安全設(shè)備。

1)檢測(cè)方法概述。

由于變電站作業(yè)電磁環(huán)境非常復(fù)雜，簡(jiǎn)單地測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)并不能有效地起到預(yù)警監(jiān)護(hù)的作用，因此，提出一種采用可應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下梯度電場(chǎng)的多電極電場(chǎng)強(qiáng)度梯度檢測(cè)方法。多電極如圖4所示。

圖4 多電極Figure 4 Multielectrode

通過同時(shí)采集各個(gè)電極上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可計(jì)算各電極之間的差值來屏蔽電阻，獲得較為精準(zhǔn)的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)梯度值，根據(jù)梯度值的變化來判斷具體電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小。在方向識(shí)別上，由于各個(gè)采集電極分布的區(qū)域不盡相同其在電場(chǎng)中所處的位置也不相同，借此可以通過多電極的不同場(chǎng)強(qiáng)來預(yù)估電場(chǎng)發(fā)生源的方向。在高壓帶電體的周圍，其電場(chǎng)梯度更穩(wěn)定，多電極電場(chǎng)梯度檢測(cè)法可以很好地減輕人體感應(yīng)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾，可以更有效、更精確地預(yù)估被測(cè)帶電體的距離。

2)檢測(cè)方法原理。

假設(shè)在三維空間中p點(diǎn)存在一個(gè)電偶極子源，其偶極矩為P，坐標(biāo)為rp(xp,yp,zp)。根據(jù)相關(guān)理論推導(dǎo)，可以得到電偶極子源在o處產(chǎn)生的電勢(shì)：

(1)

式中ex、ey、ez為三維直角坐標(biāo)系下的單位方向向量；P=(Px，Py，Pz)。

同理，可得另一觀測(cè)點(diǎn)k電勢(shì)為

(2)

假設(shè)布置接受電極數(shù)量為n+1的接收電極，且以o點(diǎn)作為電勢(shì)參考點(diǎn)，令φi=φi-φ0(i=1,2,…,n)。為此將得到n個(gè)電壓值構(gòu)建成矩陣形式：

(3)

由于放置的接收電極位置已知，故易知式(3)中的V(rp,P)僅與電偶極子源的位置和其電偶極矩有關(guān)。因此，可以將多電極電場(chǎng)測(cè)距問題歸結(jié)為最小化目標(biāo)函數(shù)J(rp,P)，估計(jì)電偶極子的位置參數(shù)與電偶極矩參數(shù)(rp,P)的非線性優(yōu)化問題。多電極檢測(cè)示意如圖5所示。

J(rp,P)=‖V(rp,P)測(cè)-V(rp,P)‖2

(4)

式中V(rp,P)測(cè)為實(shí)際測(cè)量的電壓矩陣；V(rp,P)為估計(jì)電壓矩陣。

圖5 多電極檢測(cè)示意Figure 5 Schematic diagram of multi-electrode detection

2 智能手環(huán)硬件設(shè)計(jì)

智能手環(huán)的硬件設(shè)計(jì)需要考慮各模塊的數(shù)據(jù)處理能力與信號(hào)采集精度能否實(shí)現(xiàn)各功能的要求，綜合各模塊的功耗、接口方式及運(yùn)行條件等參數(shù)對(duì)各模塊進(jìn)行硬件選型和電路設(shè)計(jì)，保證手環(huán)能夠準(zhǔn)確采集佩戴者的心率信號(hào)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息及周邊電場(chǎng)數(shù)據(jù)。同時(shí)，還要保證手環(huán)能夠?qū)?shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控。智能手環(huán)硬件總體設(shè)計(jì)包括微處理器、心率檢測(cè)、跌到檢測(cè)、近電告警、電源模塊顯示和通信模塊。智能手環(huán)硬件總體框架和樣機(jī)分別如圖6、7所示。

圖6 手環(huán)硬件總體框架Figure 6 General framework of smart bracelet hardware

圖7 智能手環(huán)樣機(jī)Figure 7 Smart bracelet prototype

其中，微處理器模塊采用Nordicnrf51822作為主控核心對(duì)智能手環(huán)采集到的作業(yè)人員的心率、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及電場(chǎng)強(qiáng)度等信息進(jìn)行解析處理；心率檢測(cè)模塊選用物理光電傳感器HX3313，利用PPG光學(xué)信號(hào)將人體脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)；跌倒檢測(cè)模塊以六軸傳感器MPU6050為核心，利用3個(gè)方向的加速度和角速度實(shí)現(xiàn)佩戴人員運(yùn)動(dòng)步數(shù)和跌倒?fàn)顩r的檢測(cè)；近電告警模塊采用JW0828芯片，通過電極陣列檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度梯度和方向?qū)崿F(xiàn)近電告警功能。手環(huán)配置有一個(gè)4.5 V的鋰電池，通過穩(wěn)壓電路為手環(huán)的各個(gè)模塊穩(wěn)定供電。顯示模塊選用一個(gè)0.96寸的有機(jī)電激光顯示屏，實(shí)現(xiàn)手環(huán)各種信息的直觀顯示；通信模塊以芯片ESP8266為核心，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)監(jiān)控端。

2.1 主控芯片模塊

本文選用嵌入藍(lán)牙協(xié)議的Nordicnrf51822為主控芯片對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。Nordicnrf51822配有256kB flash+16kB RAM的32位ARM處理器，不僅集成度高、片上資源豐富，而且功耗低、價(jià)格低廉、代碼運(yùn)行速度快且占用內(nèi)存資源小。

Nordicnrf51822芯片支持非并行多協(xié)議運(yùn)行，具備靈活的電源管理以及豐富的外設(shè)模塊和接口，具體包括：2.4GHz無線收發(fā)器，31個(gè)通用I/O，1個(gè)32 位和2個(gè)16位帶計(jì)數(shù)模式的定時(shí)器，2個(gè)可配置SPI主端、雙線主端(兼容I2C)、UART以及10位ADC等，充裕的引腳數(shù)量和端口使得Nordicnrf51822配置靈活。

2.2 心率檢測(cè)模塊

本文采用物理光電傳感器HX3313作為心率檢測(cè)模塊，該模塊是一款包含PPG心率傳感器以及接近傳感器功能的光學(xué)傳感器，可以采集PPG的光學(xué)心率信號(hào)(一般采用綠光二極管作為PPG的激發(fā)光)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化為光強(qiáng)的數(shù)值，再通過I2C接口供CPU/MCU等設(shè)備讀取，最后，通過心率檢測(cè)算法解析得到人體心率值。

2.3 跌倒檢測(cè)模塊

MPU6050是一種非常流行的空間運(yùn)動(dòng)傳感器芯片，整合了六軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)組件，可以實(shí)時(shí)獲取3個(gè)不同方向的加速度和旋轉(zhuǎn)角速度。MPU6050由于解決了在焊接過程中陀螺儀和加速度計(jì)的軸間差問題，體積小巧便于手環(huán)的整體設(shè)計(jì)，同時(shí)配備了數(shù)字可編程低通濾波器，信號(hào)采集與濾波能力突出，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置程序?yàn)V除高頻振動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于便攜式智能設(shè)備。為此，本文采用MPU6050作為跌倒檢測(cè)硬件模塊，以實(shí)現(xiàn)步數(shù)統(tǒng)計(jì)、里程計(jì)算、卡路里消耗計(jì)算以及跌倒檢測(cè)等功能，其電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 MPU6050電路設(shè)計(jì)Figure 8 MPU6050 circuit design

2.4 近電告警模塊

變電站內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，檢修工作環(huán)境內(nèi)存在誤觸帶電設(shè)備的可能，從而帶來安全隱患。為此，手環(huán)設(shè)計(jì)了近電告警模塊，以提高檢修工作的安全性，降低誤觸電風(fēng)險(xiǎn)。

該模塊采用JW0828芯片，引入多電極組陣技術(shù)，通過電極陣列檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度梯度和方向，通過設(shè)定不同閾值可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的近電報(bào)警，電路調(diào)試模塊如圖9所示。

當(dāng)具備近電告警功能的智能手環(huán)靠近帶電設(shè)備時(shí)，芯片檢測(cè)到電場(chǎng)超過閾值開始震動(dòng)報(bào)警并發(fā)出蜂鳴聲音，同時(shí)上傳報(bào)警信息、位置等。

圖9 JW0828調(diào)試模塊Figure 9 JW0828 debug module

2.5 其他模塊硬件設(shè)計(jì)

1)電源模塊。

充電電路控制芯片選擇BQ24040充電芯片，該芯片主要應(yīng)用于硬件空間較小的鋰離子線性充電器上。一般使用交流適配器或通過USB端口進(jìn)行充電操作。

在放電電路設(shè)計(jì)上，為了保證足夠的電源效率，設(shè)計(jì)使用了高效率、帶輕載優(yōu)化的DC-DC芯片TPS62260。因主控芯片Nordicnrf51822內(nèi)有低壓差線性穩(wěn)壓器，故為了提高工作效率，系統(tǒng)電壓應(yīng)該越低越好，最終確定的系統(tǒng)電壓為2.8 V。在完成充電后，智能手環(huán)能夠連續(xù)工作2～3 d，續(xù)航能力滿足電力檢修的工作需求。

2)顯示模塊。

顯示模塊有液晶顯示器(liquid crystal display，LCD))和有機(jī)電激光顯示(organic light-emitting diode，OLED)2種選擇模塊。相比于LCD，OLED厚度僅為L(zhǎng)CD的1/3，分辨率高、顯示效果好、適用溫度范圍較大、構(gòu)造簡(jiǎn)單；同時(shí)具備自發(fā)光、高對(duì)比度、廣視角以及反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。OLED是當(dāng)前主流的顯示屏解決方案。本文從手環(huán)硬件的整體設(shè)計(jì)出發(fā)，綜合考慮顯示模塊的重量、厚度、功耗、尺寸以及接口，最終選用0.96寸的OLED顯示屏作為智能手環(huán)的顯示模塊。

顯示模塊內(nèi)置SSD1306點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)芯片，能夠驅(qū)動(dòng)有機(jī)/聚合發(fā)光二極管點(diǎn)陣圖形顯示系統(tǒng)，具有顯示RAM、晶振、對(duì)比度控制器等多個(gè)單元，可以根據(jù)用戶的功耗要求和外部電路設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)亮度的256級(jí)調(diào)節(jié)。

3)通信模塊。

實(shí)時(shí)通信是手環(huán)與后端安監(jiān)系統(tǒng)平臺(tái)的通信重要橋梁，按照合適的通信協(xié)議方式，將佩戴智能手環(huán)的檢修工作人員的生命體征信息、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息、體溫信息等發(fā)送給后端監(jiān)控系統(tǒng)。

本文選擇ESP8266芯片做為通信模塊的核心芯片。通信模塊能在后端安監(jiān)系統(tǒng)平臺(tái)與智能手環(huán)之間實(shí)現(xiàn)無線通信。該芯片不僅性能穩(wěn)定而且性價(jià)比高，片上處理能力強(qiáng)大，前期開發(fā)和運(yùn)行中占用系統(tǒng)資源少。ESP8266具有完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持IEEE 802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通信頻率為2.4 GHz，最大傳輸速率為54 Mbps，穩(wěn)定通訊距離達(dá)40 m，不僅能構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器，還能嵌入其他系統(tǒng)，協(xié)助設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)。

3 智能手環(huán)軟件設(shè)計(jì)

C語言表達(dá)能力強(qiáng)，可以分模塊進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)出來的程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、表達(dá)簡(jiǎn)潔，可以實(shí)現(xiàn)程序的高效率運(yùn)行。本文將采用C語言作為程序設(shè)計(jì)語言，對(duì)各個(gè)硬件模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

在軟件開發(fā)環(huán)境的選擇上，本文選用與主控芯片Nordicnrf51822內(nèi)核相配套的Keil Uvision5開發(fā)軟件進(jìn)行軟件的編譯。Keil Uvision5擁有強(qiáng)大的程序編譯和調(diào)試功能，可以提供多種不同工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的組件以及安裝包芯片種類，滿足實(shí)際生產(chǎn)中不同用戶的具體需求。

3.1 心率檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

HX3313是一個(gè)光學(xué)數(shù)字式心率傳感器，通過I2C接口讀取原始數(shù)據(jù)，在MCU的程序中計(jì)算出心率的值。心率檢測(cè)整體流程如圖10所示，手環(huán)實(shí)現(xiàn)心率檢測(cè)的具體過程如下。

1)初始化。對(duì)I2C通信進(jìn)行初始化處理，并將芯片上電請(qǐng)求延時(shí)5 ms。

2)檢查傳感器工作狀態(tài)。若傳感器不能穩(wěn)定采集到心電信號(hào)，顯示“請(qǐng)正確佩帶手環(huán)”，并計(jì)算時(shí)延的時(shí)間。

3)通過定時(shí)器設(shè)置2 ms溢出，采用中斷方式配置高電平或上升沿中斷，高電平寬度為10 μs，實(shí)現(xiàn)每隔2 ms的中斷，在定時(shí)器中斷時(shí)觸發(fā)AD采樣，達(dá)到每2 ms進(jìn)行一次采樣。將每個(gè)采樣值與其前、后采樣值進(jìn)行比較，得出當(dāng)前脈搏信號(hào)幅值呈現(xiàn)上升或下降趨勢(shì)。當(dāng)信號(hào)由上升轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)時(shí)，則檢測(cè)為一次心跳波峰，并記錄此刻時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)到下一個(gè)心跳波峰后，計(jì)算與上一心跳波峰的時(shí)間差，則為一次心跳的時(shí)間，并通過各個(gè)數(shù)據(jù)的對(duì)比確定心率的變化趨勢(shì)，最終判定每次心跳的時(shí)長(zhǎng)。

4)停止心率測(cè)試，判斷心率是否在正常范圍內(nèi)。當(dāng)心率過快時(shí)，顯示“心率過快，請(qǐng)注意休息！”，并顯示結(jié)果，將結(jié)果上傳至后臺(tái)。當(dāng)心率正常時(shí)，直接顯示檢測(cè)結(jié)果，并將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)。

圖10 心率檢測(cè)流程Figure 10 Flow chart of heart rate detection

3.2 跌倒檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

人在正常行走的情況下，其3個(gè)方向加速度之和約為1.0～2.5倍重力加速度。但當(dāng)人不慎跌倒時(shí)，其垂直方向的加速度以及人體俯仰角必然會(huì)產(chǎn)生巨大變化。在此期間，人體加速度先變小、再增大(最大可達(dá)6.6倍重力加速度)，最后趨于平穩(wěn)。

跌倒過程中人體的姿態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，通過采集人體俯仰角和側(cè)翻角數(shù)據(jù)，將加速度變化和人體姿態(tài)變化進(jìn)行綜合整定，便可以更加準(zhǔn)確地檢測(cè)手環(huán)佩戴者的行走狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)精確的跌倒感知。本文設(shè)有觸發(fā)和持續(xù)閾值2個(gè)判定閾值。其中，觸發(fā)閾值為2.5 g，用于檢測(cè)方向加速度和角加速度的突然增加，讓手環(huán)在人體跌倒初始時(shí)刻進(jìn)入判定流程；進(jìn)行50個(gè)周期的加速度大小檢測(cè)，若是超過80%的采樣數(shù)據(jù)都大于持續(xù)閾值2.2 g，則最終判定人體出現(xiàn)跌倒的情況。

本文的跌倒檢測(cè)流程如圖11所示，具體檢測(cè)流程如下：

1)完成初始化后加速度傳感器開始采集數(shù)據(jù)；

2)判斷檢測(cè)加速度是否大于跌倒閾值，若結(jié)果小于跌倒觸發(fā)閾值，則繼續(xù)采集加速度數(shù)據(jù)；若結(jié)果大于跌倒觸發(fā)閾值，則開始計(jì)算之后50個(gè)周期內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)；

3)判斷50周期內(nèi)的加速度檢測(cè)數(shù)據(jù)，若有超過80%的時(shí)間檢測(cè)加速度結(jié)果超過跌倒閾值，則判斷佩戴者發(fā)生跌倒；否則返回加速度傳感器，繼續(xù)采集加速度數(shù)據(jù)；

4)判斷發(fā)生跌倒后立即將結(jié)果上傳至后臺(tái)并示警，由后臺(tái)監(jiān)控人員完成后續(xù)聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)工作人員及救助事宜。

圖11 跌倒檢測(cè)流程Figure 11 Flow chart of fall detection

3.3 近電告警軟件設(shè)計(jì)

近電告警以JW0828芯片為核心，在不同的電壓等級(jí)下設(shè)置不同的示警閾值。近電告警程序流程如圖12所示，具體檢測(cè)流程如下：

1)初始化；

2)手動(dòng)設(shè)定當(dāng)前工作環(huán)境下的近電告警電壓等級(jí)；

3)基于電極陣列檢測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度梯度和方向數(shù)據(jù)；

4)判斷數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，若數(shù)值正常則繼續(xù)計(jì)算電場(chǎng)數(shù)據(jù)；否則進(jìn)行蜂鳴示警；

5)示警后繼續(xù)檢測(cè)并計(jì)算電場(chǎng)數(shù)據(jù)，直到電場(chǎng)強(qiáng)度、梯度數(shù)據(jù)小于設(shè)定值后，停止蜂鳴示警，并將數(shù)據(jù)信息上傳至后臺(tái)。

圖12 近電告警流程Figure 12 Flow chart of near-electricity alarm

4 智能手環(huán)功能測(cè)試

4.1 心率檢測(cè)測(cè)試

分別用電子心率檢測(cè)儀和手環(huán)測(cè)量佩戴者心率，通過檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比判斷手環(huán)心率檢測(cè)的準(zhǔn)確性。手環(huán)心率檢測(cè)功能測(cè)試結(jié)果如表1所示，可知手環(huán)與電子心率檢測(cè)儀檢測(cè)的結(jié)果相差不大，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出佩戴者心率。手環(huán)設(shè)定的正常心率范圍為60～120次/min，當(dāng)佩戴者心率上升至120次/min以上時(shí)，手環(huán)能及時(shí)在后臺(tái)示警，并提示佩戴者注意休息。

表1 心率檢測(cè)功能測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of heart rate detection function

4.2 跌倒檢測(cè)測(cè)試

在室外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有保護(hù)措施的情況下進(jìn)行跌倒檢測(cè)測(cè)試。不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下佩戴者手環(huán)跌倒檢測(cè)功能測(cè)試結(jié)果如表2所示，可知手環(huán)的跌倒檢測(cè)模塊能夠從慢走、快走、奔跑、爬樓梯和跌倒等常見的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中區(qū)分出跌倒的狀態(tài)，并將結(jié)果上傳至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。在檢測(cè)到跌倒發(fā)生后，能及時(shí)將相關(guān)的信息上傳至后臺(tái)示警，提醒后臺(tái)監(jiān)控人員注意。

表2 跌倒檢測(cè)功能測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of heart rate detection function

4.3 近電告警測(cè)試

在做好絕緣安全防護(hù)后，本文利用不同電壓等級(jí)帶電物體，對(duì)手環(huán)的近電告警功能進(jìn)行一系列測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示，可知在不同的電磁環(huán)境中，手環(huán)均能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)近電告警。不同電壓等級(jí)下告警的距離有所差異，電壓等級(jí)越高，預(yù)警距離越大。在警示佩戴者距離帶電物過近時(shí)，手環(huán)還能夠及時(shí)將示警信息傳輸至后臺(tái)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，提醒后臺(tái)監(jiān)控人員。

5 結(jié)語

智能手環(huán)的使用能大幅度地提升電力檢修人員的安全意識(shí)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工安全監(jiān)管，減少安全事故的發(fā)生，對(duì)加強(qiáng)電力設(shè)備運(yùn)維檢修具有重要價(jià)值。同時(shí)，還能提醒檢修人員注意自身身體狀態(tài)，及時(shí)休息，能促進(jìn)提升檢修工作的工作質(zhì)量。運(yùn)用變電站智能安監(jiān)系統(tǒng)，能夠?qū)⑹汁h(huán)采集到的信息及時(shí)上傳至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，提高檢修人員的人身安全監(jiān)控能力。這對(duì)提升檢修工作安全性、保證檢修工作高質(zhì)量完成以及促進(jìn)變電站安全監(jiān)控系統(tǒng)智能化有重要意義。