熊益多 馬博翔 周弋

摘要：為在作業(yè)中實(shí)時(shí)掌握電纜運(yùn)檢人員的位置信息與身體健康狀態(tài)，設(shè)計(jì)一種電纜運(yùn)檢人員穿戴設(shè)備。設(shè)計(jì)的電纜運(yùn)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(gòu)成;軟件模塊為行走姿態(tài)模塊，能夠?qū)﹄娎|運(yùn)檢人員的行走姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為驗(yàn)證基于嵌入式微處理器的電纜運(yùn)檢人員穿戴設(shè)備的性能，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該設(shè)備的運(yùn)行功耗與待機(jī)功耗都較低，實(shí)現(xiàn)了性能提升。

關(guān)鍵詞：嵌入式微處理器;電纜運(yùn)檢;運(yùn)檢人員穿戴設(shè)備;光電傳感器

中圖分類號(hào)：TB472文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1電纜運(yùn)檢人員穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的電纜運(yùn)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(gòu)成[2]。該模塊能夠通過藍(lán)牙連接內(nèi)網(wǎng)移動(dòng)終端，從而向電纜精益化平臺(tái)傳輸采集信息，對(duì)采集信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、展示。

嵌入式微處理器是一種SOC藍(lán)牙嵌入式芯片，選擇的型號(hào)為BYCL10753，是賽普拉斯的藍(lán)牙低功耗芯片。該嵌入式微處理器能夠利用相關(guān)固件來實(shí)現(xiàn)鏈路控制、主機(jī)控制接口等關(guān)鍵協(xié)議元素，提供一種直接測(cè)試模式，即通過藍(lán)牙測(cè)試儀對(duì)藍(lán)牙芯片進(jìn)行測(cè)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(gòu)成，能夠在2.4GHz頻率的ISM頻段上對(duì)BLE數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收和發(fā)送，且其速率可達(dá)1Mbps。在進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)，芯片執(zhí)行的是GFSK調(diào)制，在利用天線進(jìn)行BLE分組發(fā)送之前能夠?qū)鶐Х纸M數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變成射頻信號(hào)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)包的接收時(shí)，芯片能夠?qū)μ炀€的RF信號(hào)實(shí)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(luò)對(duì)天線端子進(jìn)行匹配驅(qū)動(dòng)。該嵌入式微處理器能夠利用配置寄存器對(duì)輸出功率進(jìn)行設(shè)置，以對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景中功耗與距離的平衡進(jìn)行控制。該芯片還支持電容式觸摸。

光電傳感器能夠?qū)﹄娎|運(yùn)檢人員進(jìn)行身體指標(biāo)監(jiān)測(cè)，包括心率監(jiān)測(cè)等。選擇的光電傳感器型號(hào)為AMS7000，集成了光學(xué)傳感器的關(guān)聯(lián)軟件算法，其計(jì)算原理為光電容積描記，在人體血管收縮與擴(kuò)張時(shí)獲取光吸收值，對(duì)調(diào)制光進(jìn)行測(cè)量而獲取電纜運(yùn)檢人員的身體指標(biāo)數(shù)值。該光電傳感器提供心率變化測(cè)量、光學(xué)心率測(cè)量等多種指標(biāo)測(cè)量方式，并且測(cè)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(cuò)誤的PPG信號(hào)進(jìn)行濾除。

加速度三軸定位傳感器能夠?qū)﹄娏λ淼乐蠷FID標(biāo)簽進(jìn)行讀取，對(duì)電纜運(yùn)檢人員的實(shí)際位置坐標(biāo)軌跡進(jìn)行定位，并獲取電纜運(yùn)檢人員運(yùn)動(dòng)中的方位矢量。

電源管理芯片選用NSTS01型號(hào)，該芯片采取意法半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)電池的充電。

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

1.2軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的電纜運(yùn)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(yùn)檢人員的行走姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。人在行走過程中會(huì)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(shí)現(xiàn)電纜運(yùn)檢人員的行走姿態(tài)監(jiān)測(cè)。利用行走姿態(tài)算法能夠?qū)﹄娎|運(yùn)檢人員的行走軌跡峰值進(jìn)行計(jì)算和檢測(cè)，確定其加速度閾值，從而實(shí)現(xiàn)電纜運(yùn)檢人員的行走姿態(tài)監(jiān)測(cè)。

2實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證基于嵌入式微處理器的電纜運(yùn)檢人員穿戴設(shè)備的性能，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中，電纜運(yùn)檢人員穿戴設(shè)計(jì)的手環(huán)進(jìn)行電力隧道巡檢。參與實(shí)驗(yàn)的共10名電纜運(yùn)檢人員，測(cè)試設(shè)計(jì)手環(huán)的功耗作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2結(jié)果分析

獲取的手環(huán)運(yùn)行功耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體如表1所示。

獲取的手環(huán)待機(jī)功耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體如表2所示。

根據(jù)表1的手環(huán)運(yùn)行功耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與手環(huán)待機(jī)功耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的基于嵌入式微處理器的電纜運(yùn)檢人員穿戴設(shè)備的運(yùn)行功耗與待機(jī)功耗都偏低。

3結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

[1]趙延昇，王仲杰.可穿戴設(shè)備用戶持續(xù)使用意愿研究——基于ECM-IS的拓展模型[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2018.

[2]董琴，郭清，袁貞明.一種改進(jìn)可穿戴設(shè)備的血氧測(cè)量精度的傳感器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2018.

[3]沈天毓，王計(jì)平，郭立泉，等.利用可穿戴設(shè)備對(duì)帕金森病患者運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行量化評(píng)估[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2018.

[4]尚猛，李輝，萬只鵬，等.海外用戶對(duì)智能健康穿戴設(shè)備持續(xù)使用意愿的模型構(gòu)建及實(shí)證研究——以小米運(yùn)動(dòng)手環(huán)在韓用戶群為例[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，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(yùn)維檢修;國(guó)網(wǎng)北京電纜公司。