基于嵌入式微处理器的电缆运检人员穿戴设备研究

熊益多 马博翔 周弋

摘要：为在作業中实时掌握电缆运检人员的位置信息与身体健康状态，设计一种电缆运检人员穿戴设备。设计的电缆运检人员穿戴式智能手环的硬件模块为处理器模块，具体由嵌入式微处理器、电源管理芯片、加速度三轴定位传感器、光电传感器、OLED显示屏、触摸按键等构成;软件模块为行走姿态模块，能够对电缆运检人员的行走姿态进行监测。为验证基于嵌入式微处理器的电缆运检人员穿戴设备的性能，对其进行实验验证。实验结果证明该设备的运行功耗与待机功耗都较低，实现了性能提升。

关键词：嵌入式微处理器;电缆运检;运检人员穿戴设备;光电传感器

中图分类号：TB472文献标识码：A

1电缆运检人员穿戴设备设计

1.1硬件设计

设计的电缆运检人员穿戴式智能手环的硬件模块为处理器模块，具体由嵌入式微处理器、电源管理芯片、加速度三轴定位传感器等构成[2]。该模块能够通过蓝牙连接内网移动终端，从而向电缆精益化平台传输采集信息，对采集信息进行统计、分析、展示。

嵌入式微处理器是一种SOC蓝牙嵌入式芯片，选择的型号为BYCL10753，是赛普拉斯的蓝牙低功耗芯片。该嵌入式微处理器能够利用相关固件来实现链路控制、主机控制接口等关键协议元素，提供一种直接测试模式，即通过蓝牙测试仪对蓝牙芯片进行测试的无线性能，该嵌入式微处理器的物理层由RF收发器与调制解调器构成，能够在2.4GHz频率的ISM频段上对BLE数据包进行接收和发送，且其速率可达1Mbps。在进行数据包的发送时，芯片执行的是GFSK调制，在利用天线进行BLE分组发送之前能够对基带分组数字信号进行转换，使其变成射频信号。在进行数据包的接收时，芯片能够对天线的RF信号实施GFSK解调，获取比特流数字信息[3]。其中RF收发器中配置了集成Balun，集成Balun能够提供RF端口单端引脚，利用π形网络对天线端子进行匹配驱动。该嵌入式微处理器能够利用配置寄存器对输出功率进行设置，以对不同应用场景中功耗与距离的平衡进行控制。该芯片还支持电容式触摸。

光电传感器能够对电缆运检人员进行身体指标监测，包括心率监测等。选择的光电传感器型号为AMS7000，集成了光学传感器的关联软件算法，其计算原理为光电容积描记，在人体血管收缩与扩张时获取光吸收值，对调制光进行测量而获取电缆运检人员的身体指标数值。该光电传感器提供心率变化测量、光学心率测量等多种指标测量方式，并且测量精度极高，集成了模拟前端、光敏器件、HRM算法与微处理器MO。其中集成的算法能够对错误的PPG信号进行滤除。

加速度三轴定位传感器能够对电力隧道中RFID标签进行读取，对电缆运检人员的实际位置坐标轨迹进行定位，并获取电缆运检人员运动中的方位矢量。

电源管理芯片选用NSTS01型号，该芯片采取意法半导体，集成了充电管理系统与稳压器，能够通过CV/CC算法实现电池的充电。

OLED显示屏用于显示电缆运检人员的各种收集指标，而触摸按键则用于对电缆运检人员穿戴式智能手环进行功能选择。

1.2软件设计

设计的电缆运检人员穿戴式智能手环的软件模块为行走姿态模块，能够对电缆运检人员的行走姿态进行监测[4]。人在行走过程中会产生加速度上的周期性变化。行走姿态模块主要通过行走姿态算法实现电缆运检人员的行走姿态监测。利用行走姿态算法能够对电缆运检人员的行走轨迹峰值进行计算和检测，确定其加速度阈值，从而实现电缆运检人员的行走姿态监测。

2实验研究

2.1实验设计

为验证基于嵌入式微处理器的电缆运检人员穿戴设备的性能，对其进行实验验证。在实验中，电缆运检人员穿戴设计的手环进行电力隧道巡检。参与实验的共10名电缆运检人员，测试设计手环的功耗作为实验数据。

2.2结果分析

获取的手环运行功耗实验数据具体如表1所示。

获取的手环待机功耗实验数据具体如表2所示。

根据表1的手环运行功耗实验数据与手环待机功耗实验数据可知，设计的基于嵌入式微处理器的电缆运检人员穿戴设备的运行功耗与待机功耗都偏低。

3结束语

基于嵌入式微处理器的电缆运检人员穿戴设备能够以较低功耗实现电缆运检人员作业中的身体数据与位置数据监测，对于减少运检事故有很大的意义。

参考文献

[1]赵延昇，王仲杰.可穿戴设备用户持续使用意愿研究——基于ECM-IS的拓展模型[J].东北大学学报（社会科学版），2018.

[2]董琴，郭清，袁贞明.一种改进可穿戴设备的血氧测量精度的传感器设计与验证[J].传感技术学报，2018.

[3]沈天毓，王计平，郭立泉，等.利用可穿戴设备对帕金森病患者运动功能进行量化评估[J].生物医学工程学杂志，2018.

[4]尚猛，李辉，万只鹏，等.海外用户对智能健康穿戴设备持续使用意愿的模型构建及实证研究——以小米运动手环在韩用户群为例[J].数学的实践与认识，2019.

作者介绍：

熊益多（1988.09.22-）;男;湖北;汉;硕士;工程师;研究方向：高压电缆运维检修;国网北京电缆公司。