許志松，張楠川，張貴鵬，鮑小鋒，聶鼎，羅貴平，周帥，崔勇

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650011；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，云南 昆明 653100；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011）

0 前言

聚焦配網(wǎng)巡檢痛點(diǎn)，主要是作業(yè)內(nèi)容繁雜，需攜帶的通訊工具、巡視終端、紅外熱成像檢測(cè)儀、工器具等設(shè)備種類(lèi)及數(shù)量多，作業(yè)內(nèi)容極易漏項(xiàng)，操作過(guò)程繁瑣，作業(yè)效率低等。擬研制一種基于穿戴式的紅外熱成像智能巡檢終端，該設(shè)備將集通訊工具、巡視終端、紅外熱成像檢測(cè)儀等電子化作業(yè)工具于一體，最大限度提升作業(yè)人員的作業(yè)能力，新研制設(shè)備將具備虛擬成像顯示（AR 顯示）、紅外熱成像測(cè)溫、語(yǔ)音識(shí)別、視頻通話(huà)、拍照、錄像、短視頻、配電巡視測(cè)溫檢測(cè)、紅外熱成像故障識(shí)別、手電筒、激光校準(zhǔn)定位、電量顯示等功能，實(shí)現(xiàn)最大程度的智能巡檢作業(yè)。

1 終端功能設(shè)計(jì)

基于紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)的穿戴式智能終端，硬件電子電路設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)部分：電池電源管理模組、無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理智能模組、紅外熱成像測(cè)溫傳感器模組、雙目可見(jiàn)光攝像頭模組、電量顯示模組、雙麥克風(fēng)及雙喇叭模組及近目虛擬成像顯示模組，如圖1終端硬件組成框架圖所示。

圖1 終端硬件組成框架

1.1 電池電源管理模組設(shè)計(jì)

終端采用的電池是聚合物純鈷高壓可充鋰電池，額定電壓3.80 V，滿(mǎn)電狀態(tài)電壓4.35 V；電池容量5200 mAh。該模組主要為無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理智能模組提供穩(wěn)定電源。電源電壓輸入范圍為3.55～4.4 V，推薦值為3.8 V。電源的性能，比如負(fù)載能力、紋波的大小等，都會(huì)直接影響模塊的性能和穩(wěn)定性。極限情況下，模塊耗流可能達(dá)到3 A 的瞬時(shí)峰值,若供電能力不足則會(huì)導(dǎo)致輸出電壓下降，如果輸出電壓在3.1 V 以下，會(huì)造成模塊掉電關(guān)機(jī)，如圖2所示。

圖2 電源電壓下降示例

為保證電源電壓不會(huì)下降到3.1 V 以下，在靠近模塊電源輸入端，設(shè)計(jì)并聯(lián)一個(gè)低ESR(ESR=0.7Q) 的100 μF 鉭電容，以及100 nF、33 pF(0603 封裝)和10 pF(0603 封裝)濾波電容，并且電源的PCB 走線(xiàn)盡量短且足夠?qū)?，以減小電源走線(xiàn)的等效阻抗，確保在最大發(fā)射功率時(shí)大電流下不會(huì)產(chǎn)生太大的電壓下降。為抑制電源波動(dòng)沖擊,確保輸出電源的穩(wěn)定，在電源前端加了一個(gè)額定功率在0.5 W 以上的TVS 管，并靠近模塊的電源輸入端擺放，以起到浪涌防護(hù)的作用。

1.2 無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理智能模組設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理智能模組，根據(jù)目前的軟硬件平臺(tái)資源以及開(kāi)源程度，采用產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟的高通625 模組方案，基于開(kāi)源的安卓系統(tǒng)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出適合電力系統(tǒng)應(yīng)用的微型智能系統(tǒng)。該智能模組是一款基于高通平臺(tái)、工業(yè)級(jí)高性能、可運(yùn)行安卓操作系統(tǒng)的4G 智能模塊。無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理智能模組技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于高通基帶技術(shù)成熟，眾多品牌的安卓智能手機(jī)都于基于此基帶開(kāi)發(fā)，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，實(shí)現(xiàn)容易。

通過(guò)采用該智能模組方案設(shè)計(jì)（如圖3所示），能勝任實(shí)現(xiàn)智能巡檢終端的音頻功能、視頻功能、圖像視頻采集功能、通信功能、成像顯示功能等需求。

圖3 智能模組功能框圖

1.3 紅外熱成像測(cè)溫傳感器模組設(shè)計(jì)

智能巡檢終端紅外熱成像測(cè)溫模組是基于陶瓷封裝非制冷氧化釩紅外探測(cè)器開(kāi)發(fā)的一款高性能紅外熱成像測(cè)溫模組。該模組分辨率：384×288；測(cè)溫范圍：-20℃～+400℃；測(cè)溫精度：±3℃/ 量程的±3%。該模組與智能模組的通信方式是高速USB 總線(xiàn)通信。通過(guò)使用紅外熱成像測(cè)溫傳感器模組，并在無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理智能模組嵌入紅外成像算法和溫度識(shí)別算法，可以實(shí)現(xiàn)最大值/最小值及中心點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)在屏幕顯示；紅外熱成像拍照（帶溫度顯示），并能上傳到管理平臺(tái)；紅外熱成像實(shí)時(shí)錄像（帶溫度顯示）；支持紅外熱成像及可見(jiàn)光成像同屏預(yù)覽顯示。

紅外熱成像測(cè)溫傳感器模組及其接口電路設(shè)計(jì)如圖4，通過(guò)采用ESD 抗靜電管ESDBL5V0Y 和抗EMI 干擾芯片SDCW2012-2-900 方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)紅外熱成像測(cè)溫傳感器模組與無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理智能模組通信，穩(wěn)定可靠。

圖4 紅外熱成像測(cè)溫傳感器模組及其接口電路

1.4 雙目可見(jiàn)光攝像頭模組設(shè)計(jì)

該模組采用雙可見(jiàn)光攝像頭設(shè)計(jì)，其中一個(gè)是主攝頭，采用Sony 的傳感器，1300萬(wàn)像素，分辨率4160×3120，主要負(fù)責(zé)清晰拍照和錄像，支持快速自動(dòng)對(duì)焦，視頻支持1280×720(720P)/30 幀；另一個(gè)是副攝像頭，采用OV 的傳感器，500 萬(wàn)像素，分辨率2592×1944，主要負(fù)責(zé)輔助拍攝。該模組與智能模組的通信方式是兩路高速CSIMIPI 總線(xiàn)通信。

雙目可見(jiàn)光攝像頭模組接口電路設(shè)計(jì)如圖5，通過(guò)采用ESD 抗靜電管ESDBL5V0Y 和抗EMI 干擾芯片ICMEF112P900MFR 方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙目可見(jiàn)光攝像頭模組與無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理智能模組通信，穩(wěn)定可靠。

圖5 雙目可見(jiàn)光攝像頭模組接口電路

1.5 近目虛擬成像顯示模組設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用近目虛擬成像顯示方案，技術(shù)參數(shù)為：分辨率1024×768；亮度1000 cd/m2；顯示面積0.39 英寸；成像尺寸77 英寸@3 m；視覺(jué)：雙目顯示；視場(chǎng)角：36°。該模組與智能模組的通信方式是高速LVDS 和HDMI 總線(xiàn)通信。近目虛擬成像顯示模組的結(jié)構(gòu)件如圖6。

圖6 近目虛擬成像顯示模組的結(jié)構(gòu)件

相關(guān)接口電路設(shè)計(jì)如圖7，通過(guò)采用抗EMI干擾芯片ICMEF112P900MFR 方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)近目虛擬成像顯示模組與無(wú)線(xiàn)通信及數(shù)據(jù)處理智能模組通信，穩(wěn)定可靠。

圖7 近目虛擬成像顯示模組接口電路

1.6 聲控人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聲控人機(jī)交換系統(tǒng)以本方案的軟硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合4G 以及互聯(lián)網(wǎng)端的“云計(jì)算”技術(shù)，開(kāi)發(fā)出適合本方案的人機(jī)交互系統(tǒng)，考慮到電力設(shè)備應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，擬考慮按鍵觸控技術(shù)做備份方案，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行和控制。

聲控人機(jī)交互技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)語(yǔ)音控制實(shí)現(xiàn)安卓系統(tǒng)的基本操作，配合電網(wǎng)的工作流軟件語(yǔ)音控制優(yōu)化，可以解放雙手，大大提高一線(xiàn)員工的作業(yè)效率。語(yǔ)音人機(jī)交互系統(tǒng)核心就是語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，所以如何實(shí)現(xiàn)聲音的語(yǔ)音識(shí)別是關(guān)鍵，從信道傳輸理論來(lái)看語(yǔ)音識(shí)別，工作原理如圖8所示。

圖8 語(yǔ)音識(shí)別基本原理圖

2 終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穿戴式紅外熱成像智能終端的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布局圖如圖9所示。

圖9 穿戴式紅外熱成像智能終端的結(jié)構(gòu)布局圖

穿戴式紅外熱成像智能終端采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其分體設(shè)備如圖10，可以通過(guò)螺絲方便附加安裝在現(xiàn)有的安全帽主體的兩邊，既安全又方便維護(hù)；同時(shí)兼顧前后左右的重量平衡，前后與左右偏重不超過(guò)10%，穿戴舒適；電池安裝在安全帽主體外側(cè)，電池與人員頭部之間有安全帽本體阻隔保護(hù)安全。

圖10 穿戴式紅外熱成像智能終端的分體設(shè)備

智能終端的左側(cè)，安裝有手電筒模組、電池模組及電量顯示模組；右側(cè)安裝有攝像頭模組、紅外熱成像模組和控制主板模組；左右兩側(cè)通過(guò)后面的電源線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)相連；前面是近目虛擬成像顯示模組（即雙目AR 眼鏡），采用上下翻蓋式設(shè)計(jì)，在不需要顯示的時(shí)候，支持向上牽起，不遮擋前面視線(xiàn)，滿(mǎn)足不同的作業(yè)場(chǎng)景；操作功能按鍵，用來(lái)手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)各種功能用，一共5個(gè)，包括開(kāi)/關(guān)機(jī)、激光按鍵、SOS 緊急求救按鍵、手電筒按鍵和拍照/ 錄像鍵等，分布在左右兩側(cè)。

在穿戴式紅外熱成像智能終端的安全帽主體右側(cè)，包含攝像頭模組和紅外熱成像模組的旋轉(zhuǎn)支臂通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸和安全帽主體相連，旋轉(zhuǎn)支臂可以繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在穿戴式紅外熱成像智能終端固定的情況下，支持垂直方向不小于40 度的任意角度調(diào)整，滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間向下拍攝無(wú)需低頭的要求。同時(shí)，攝像頭模組和紅外熱成像模組的位置與工作人員的視線(xiàn)平齊，所拍攝和所看到的畫(huà)面與佩戴者所視一致。

3 終端功能實(shí)現(xiàn)

3.1 穿戴式紅外熱成像智能終端實(shí)現(xiàn)的功能

1）虛擬成像顯示（AR 顯示）

采用近目虛擬成像顯示模組實(shí)現(xiàn)智能終端裸眼顯示功能，佩戴者可通過(guò)虛擬成像顯示模組查看系統(tǒng)顯示。

2）紅外熱成像測(cè)溫

采用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行電力設(shè)備測(cè)溫，并通過(guò)AR 顯示展示問(wèn)題分布圖及測(cè)溫溫度。

3）語(yǔ)音識(shí)別

智能終端采用語(yǔ)音指令控制，用戶(hù)可使用語(yǔ)音指令完成智能終端相關(guān)的功能操作。

4）視頻通話(huà)

智能終端可與后臺(tái)或手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的音視頻通話(huà)功能，包括接收來(lái)至后臺(tái)的通話(huà)請(qǐng)求，以及主動(dòng)呼叫后臺(tái)。

5）拍照

通過(guò)語(yǔ)音指令或按鍵觸發(fā)拍照功能，并上傳到服務(wù)器。

6）錄像

采用本地高清錄像，錄像保存在智能終端存儲(chǔ)卡中，可通過(guò)連接電腦獲取智能終端的高清錄像視頻文件。

7）短視頻

提供短時(shí)間的視頻錄制和上傳功能，可錄制一段較短時(shí)間的標(biāo)清視頻并上傳到后臺(tái)服務(wù)器。

8）輔助功能

輔助功能包括手電筒、激光校準(zhǔn)定位、電量顯示等功能。

9）配電巡視測(cè)溫檢測(cè)

基于紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配電巡視測(cè)溫檢測(cè)，根據(jù)待測(cè)溫設(shè)備的最佳檢測(cè)位置及溫度與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，檢測(cè)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行溫度及運(yùn)行狀態(tài)。

10）紅外熱成像故障識(shí)別

基于紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)及電力設(shè)備識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)溫檢測(cè)以及設(shè)備溫度與故障的分析。

11）智能巡檢

實(shí)現(xiàn)紅外熱成像電子化智能巡檢，通過(guò)智能終端對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和電子化存儲(chǔ)，輔助巡檢人員查看歷史巡檢數(shù)據(jù)。

通過(guò)穿戴式紅外熱成像智能終端的虛擬成像顯示（雙目AR 眼鏡模組），可以看到如圖11的主界面，主界面包含了上述功能。

圖11 穿戴式紅外熱成像智能終端的顯示主界面

穿戴式紅外熱成像智能終端的功能實(shí)現(xiàn)方法，如圖12所示：攝像頭模組包含兩個(gè)攝像頭與麥克風(fēng)及紅外熱成像模組，通過(guò)USB、MIPI信號(hào)和模擬信號(hào)與控制主板模組相連，實(shí)現(xiàn)圖像采集與音頻采集；喇叭模組包含左右兩個(gè)喇叭，通過(guò)音頻信號(hào)與控制主板模組相連，實(shí)現(xiàn)左右聲道音頻輸出；虛擬成像顯示（雙目AR眼鏡模組）包含兩個(gè)近目顯示屏，通過(guò)LVDS/HMDI 信號(hào)與控制主板模組相連，實(shí)現(xiàn)圖像近目顯示功能；手電筒模組包含一組LED 白光燈，控制主板通過(guò)高低電平信號(hào)控制手電筒模組的點(diǎn)亮及熄滅；按鍵模組包含5個(gè)按鍵，通過(guò)高低電平信號(hào)與控制主板模組相連，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源、拍照和錄像、手電筒開(kāi)關(guān)、求救指令、返回指令等功能；電池模組包含電池及電量檢測(cè)功能，通過(guò)4個(gè)LED 燈顯示剩余電量，4 燈亮表示100% 電量，1 燈亮表示低于20% 電量，可以通過(guò)按鍵模組的按鍵，在不開(kāi)機(jī)的情況下，輕觸按鍵查看電量剩余電量情況，電池用于給模組供電。安全帽開(kāi)機(jī)后，可以通過(guò)語(yǔ)音指令控制功能的實(shí)現(xiàn)，例如拍照、錄像、緊急呼叫、視頻播放、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示等功能。

圖12 穿戴式紅外熱成像智能終端的功能實(shí)現(xiàn)方法關(guān)系

3.2 穿戴式紅外熱成像智能終端實(shí)物

穿戴式紅外熱成像智能終端成品圖，如圖13所示。

圖13 穿戴式紅外熱成像智能終端實(shí)物

4 穿戴式紅外熱成像智能終端應(yīng)用

為檢驗(yàn)穿戴式紅外熱成像智能終端的實(shí)用性，在玉溪供電局110 kV 研和變10 kV 州城Ⅱ回、110 kV 洛河變10 kV 洛河鄉(xiāng)線(xiàn)、110 kV 大營(yíng)街變10 kV 師棋線(xiàn)線(xiàn)路及設(shè)備的巡檢作業(yè)中使用新研制的穿戴式紅外熱成像智能終端。統(tǒng)計(jì)了2021年7月至12月采用穿戴式紅外熱成像智能終端的巡視結(jié)果與2020年7月至12月采用傳統(tǒng)作業(yè)方法進(jìn)行效能對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。

表1 穿戴式紅外熱成像智能終端應(yīng)用效果對(duì)比統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，110 kV 研和變10 kV 州城Ⅱ回、110 kV 洛河變10 kV 洛河鄉(xiāng)線(xiàn)、110 kV大營(yíng)街變10 kV 師棋線(xiàn)線(xiàn)路及設(shè)備的巡檢作業(yè)中使用新研制的穿戴式紅外熱成像智能終端，統(tǒng)計(jì)線(xiàn)路的平均巡檢用時(shí)均全面下降，平均每次（每個(gè)巡檢周期）下降3.5～5.0 h，最大下降幅度為41.67%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)對(duì)電子化作業(yè)設(shè)備與工器具的高度整合大幅度提升了整個(gè)巡檢過(guò)程的效率。其次，由于穿戴式紅外熱成像智能終端具備與生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的功能，可遠(yuǎn)程上傳現(xiàn)場(chǎng)圖片（隱患、缺陷及其他圖片），編輯巡檢記錄，因此完成巡檢作業(yè)的同時(shí)也能完成隱患、缺陷的上報(bào)和巡視記錄的閉環(huán)工作，從而與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比節(jié)約了2.5～4.0 h 的巡視記錄整理時(shí)間。同時(shí)，新設(shè)備的應(yīng)用不僅提升的配網(wǎng)巡檢的作業(yè)效率，也提升了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，采用新研制的穿戴式紅外熱成像智能終端發(fā)現(xiàn)隱患（缺陷）的能力最多同比提升300%，極大提升了配網(wǎng)巡檢作業(yè)效能。

5 結(jié)束語(yǔ)

以提升玉溪供電局配網(wǎng)巡檢作業(yè)效能為目標(biāo)，通過(guò)分析配網(wǎng)巡檢作業(yè)的內(nèi)容、方式、設(shè)備需求等內(nèi)容，研究了如何減輕巡檢人員作業(yè)負(fù)擔(dān)、提升作業(yè)效率和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力。研究成果“穿戴式紅外熱成像智能終端”投入實(shí)際試用后，縮短了巡檢用時(shí)，提升了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，切實(shí)將設(shè)備故障遏制在搖籃之中，為電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。