CN107255970A - 一种可穿戴式电力安全巡检作业装备 - Google Patents

Abstract

一种可穿戴式电力安全巡检作业装备，属检测领域。其包括可穿戴硬件设备、无线通讯网络和巡检作业软件平台；其可穿戴硬件设备支持WIFI无线定位，音视频、含氧量、环境及设备温度等数据的采集、分析及存储、发送终端需求数据和报警提示；其巡检作业软件平台后台集中管理控制可穿戴硬件设备，采用多线程并行工作模式，进行系统功能分配调度、综合信息集中处理、分析、归并发送，实现多功能协同作业。其通过可穿戴设备与无线网络的数据通讯，实现分布式采集数据、分布式传输结构、人员定位以及路线规划功能；通过可穿戴硬件设备和巡检作业软件平台的使用，推进电力巡检作业的自动化和智能化，提高巡检作业的工作质量，保障巡检人员巡检作业的安全性。

Description

一种可穿戴式电力安全巡检作业装备

技术领域

本发明属于检测领域，尤其涉及一种用于电力安全巡检作业的可穿戴式装置。

背景技术

变电站是各级电网的核心控制枢纽，站内电气设备需要进行定期检查。

目前，国家加大了对电网建设的力度，特别是搭建了一系列的远距离传输输电网络，在不断增加输电线路的规模大小的同时，也给当前巡检作业的管理和巡查提出了更高的要求。

目前广泛应用的巡检方式主要为传统的人工巡检和新兴的移动机器人巡检，前者是通过工作人员进入变电站内部，人工检测并记录设备的运行状态及数据信息，这种工作方式劳动强度大、检测质量分散，受恶劣天气干扰大。

在此基础上，国内外逐步开始研制移动巡检机器人，通过机器人代替人工进入变电站，降低了工作人员的劳动强度，提高了电力设备检测效率。

目前巡检机器人已在国内部分变电站进行使用，但即使是采用机器人进行巡检，在特定情况下，如机器人无法到达地形复杂等特殊区域或产生突发紧急情况时，仍然需要工作人员进入现场，手动排查。

在以上两种主要的电力设备巡检方式中，工作人员到现场手动检测的方式都是必不可少的。

而目前电力巡检系统中，对于现场巡检人员的工作环境状态没有完善的监测系统，整个巡检过程中，工作人员的位置、视频、声音、气体浓度没有准确的数据监测，无法保证人工工作质量及工作人员的安全状态。

现在电力系统人工检测的工作方式仍然为文字记录，而在很多情况下，电力系统的问题复杂多变，没有图像等辅助信息很容易产生问题描述的偏差，在这样的情况下，很难将系统问题进行多部门信息共享，促使问题局限化，一定程度下造成工作效率低下。

目前兴起的可穿戴技术是将穿戴设备直接穿在身上，或是整合到用户的衣服、配件的一种便携式设备。可穿戴技术主要包括嵌入式技术、语音识别技术以及传感技术，可穿戴设备则将该技术通过多样化手段进行整合，实现及时获取、处理穿戴者自身及外部环境信息的功能。

目前可穿戴设备已应用于很多领域，包括健康保健、医疗器械、社交娱乐、商务媒体，但在电力系统领域却没有展开应用，由于可穿戴设备具有便利的交互方式，紧密的人体结合方式，友好的用户体验，其应用前景非常广阔。

针对上述目前电力系统中现场巡检部分存在的弊端，结合新兴的可穿戴技术，本技术方案提出了一种以可穿戴设备为载体的电力安全巡检系统，以达到在巡检过程中，对工作状态、环境指标进行实时监测，提高巡检作业的质量及人员的安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可穿戴式电力安全巡检作业装备。其将当前热门的可穿戴式技术运用到电力安全巡检作业中，以可穿戴设备为载体，能够直接或通过安装在现场的无线定位传感器与巡检人员佩戴的可穿戴式电力安全巡检作业装备通过无线网络通信，通过无线网络传输特性进行计算从而网络获取人员的位置，通过温度传感器、氧气传感器、光电传感器获取现场的环境信息，还可以通过通信网络获取作业任务，获取对设备操作的授权，同时还能够对作业人员的作业行为进行必要记录。

本发明的技术方案是：提供一种可穿戴式电力安全巡检作业装备，其特征是：

所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，包括可穿戴硬件设备、无线通讯网络和巡检作业软件平台；

其可穿戴硬件设备支持WIFI无线定位，音视频、含氧量、环境及设备温度等数据的采集、分析及存储、发送终端需求数据和报警提示；

其巡检作业软件平台后台集中管理控制可穿戴硬件设备，采用多线程并行工作模式，进行系统功能分配调度、综合信息集中处理、分析、归并发送，实现多功能协同作业；

所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，以可穿戴设备为载体，结合巡检系统平台监控软件和无线通讯网络，通过可穿戴设备与无线网络的数据通讯，实现分布式采集数据、分布式传输结构、人员定位以及路线规划功能；

所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，在可穿戴设备硬件的支持下，采用Android操作系统，运行巡检作业软件系统，采集、处理、下发控制任务、显示温度、路径等提示信息；

所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，通过可穿戴硬件设备和巡检作业软件平台的使用，能够推进电力巡检作业的自动化和智能化，提高巡检作业的工作质量，保障巡检人员巡检作业的安全性。

具体的，所述的可穿戴硬件设备包括可穿戴手表和可穿戴头盔。

其所述的可穿戴手表硬件由运算处理单元、存储单元、显示单元和外部扩展的传感器和执行器、电池组成；所述的可穿戴手表支持无线通信、GPS定位、作业人员健康信息采集、作业数据的显示和操作提示功能；支持心率测试、精准计步，翻手亮屏，陀螺仪，GPS定位、加速度计，六轴传感器，心率传感器，防水等级高，待机时间长，满足巡检作业软件的运行要求；所述的可穿戴手表能够监控人员状态，获取工作人员的健康信息，通过手表屏幕显示收集的数据，在操作不当时，会通过手表振动对工作人员进行提示。

进一步的，所述的作业人员健康信息采集至少包括心率测试和精准计步。

其所述的可穿戴头盔以电力系统的标准安全头盔为基础，在头盔内部设计微机处理单元、控制运算单元，向外扩展模块，多种传感器检测模块及通信天线；能够实现检测环境温度、设备温度、声音信息、氧含量信息，视频信息以及户内人员的定位功能，实现电力巡检监控和检查任务。

进一步的，所述的传感器检测模块包括红外温度传感器、氧气传感器、声音传感器和视频传感器。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.针对变电站人工巡检方式中的弊端，结合目前变电站的应用需求，提出了新型的可穿戴辅助巡检设备系统，系统软硬件结合，很大程度上提高了人工检测场景中的可靠性和安全性；同时，在电网内部巡检管理方面，可提供大量的实时数据，降低了工作人员的劳动强度；

2.系统采用多线程结构，各线程协同工作，完成数据的采集、缓冲存储和通信发送等任务；

3.其无线通信服务线程可完成两个方面的重要任务，一方面实现无线定位测量计算，跟踪作业人员的轨迹；另一方面完成数据的无线传输，把各个工作线程采集的传感器数据、图像和声音数据等发送到集中监控系统。

附图说明

图1是本发明的硬件系统构成示意图；

图2是本发明巡检系统平台监控软件系统框架构成示意图；

图3是本发明可穿戴手表软件框架构成示意图；

图4是本发明可穿戴手表业务支撑层结构示意图；

图5是本发明可穿戴手表入网设备注册流程示意图；

图6是本发明可穿戴头盔软件系统结构示意图；

图7是本发明可穿戴头盔位置定位阶段示意图；

图8是本发明位置指纹定位算法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

电力巡检过程中，为了保证巡检人员工作环境的安全性，环境温度及设备温度需要实时监测；为防止巡检人员自身产生突发情况而处理不及时，巡检人员的心率等部分健康指标参数同样应实时监测。同时，当系统监测到环境有特殊情况时，需要通过一定形式发出警报信号，以提醒现场人员及时动作或撤离。目前具体的人工巡检方式，仍然为文字记录，易造成问题描述偏差，同时给审核人员带来不便，在此情况下，需要设计录音、图像等多样化的记录形式，同时，每个巡检人员在确定自己的巡检任务后，需要后台在已完成的基础上明确规划未完成巡线路径。

通过上述分析可得，可穿戴智能巡检系统主要检测指标为环境参数与人员状态参数两部分。其中环境检测数据包括：环境温度、可穿戴设备温度、环境中氧气含量、人员户内户外定位。人员状态数据包括：声音、心率。针对以上数据，系统平台需实现检测数据存储查询、音视频的记录回放，可视化信息显示，路线规划及报警处理机制。

基于上述巡检作业基本需求，本技术方案以可穿戴手表、可穿戴头盔硬件设备为基础，设计出与软件相结合的电力巡检系统。

其中可穿戴手表已有较为成熟的硬件平台，在此基础上，搭建软件配套系统。

可穿戴头盔则结合目前电力系统中安全帽进行硬件、软件及定位算法的设计。

本技术方案的硬件系统构成如图1所示。

由图可知，本技术方案包括可穿戴手表、可穿戴头盔、巡检系统平台监控软件和无线通讯网络四个部分，该系统结合可穿戴设备与无线网络，实现分布式采集数据、分布式传输结构、人员定位、路线规划功能。

本技术方案主要包括硬件设备和软件平台，硬件设备中的可穿戴手表支持无线通信、GPS定位、作业人员健康信息采集、作业数据可视化显示、操作提示。

硬件设备中的可穿戴头盔支持WIFI无线定位，音视频、含氧量、环境及设备温度等数据的采集、分析及存储、发送终端需求数据、报警提示。可穿戴头盔采用UCOS操作系统开发，多线程并行工作模式，将不同任务协同处理。

软件平台在硬件的支持下，采用Android操作系统，运行巡检作业软件，采集、处理、下发控制任务、显示温度、路径等提示信息。

系统后台集中管理控制可穿戴手表与可穿戴头盔，进行系统功能分配调度、综合信息集中处理、分析、归并发送，实现多功能协同作业。

本技术方案中的可穿戴手表支持无线通信、GPS定位、作业人员健康信息采集、作业数据的显示和操作提示功能。其硬件主要由运算处理单元、存储单元、显示单元和外部扩展的传感器和执行器、电池组成。

目前可穿戴手表已成熟应用，系统选用U Watch/Q1可穿戴手表作为软件平台，支持Android操作系统，采用MTK6580四核1.3G网络。支持WIFI无线通信，自带8G ROM，可用6G，其中1G运行内存。支持心率测试、精准计步，翻手亮屏，陀螺仪，GPS定位、加速度计，六轴传感器，心率传感器，防水等级高，待机时间长，满足巡检作业软件的运行要求。

可穿戴头盔作为移动巡检作业中重要装备，本技术方案以电力系统的标准安全头盔为基础，根据系统总体功能需求分配，头盔部分需要实现检测环境温度、设备温度、声音信息、氧含量信息，视频信息以及户内人员的定位功能。

系统在可穿戴头盔内部设置有微机处理单元、控制运算单元、向外扩展传感检测模块、多种传感器及通信天线。

其微控制器采用集成度较高的ARM7系列STM32F429芯片，集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARM Cortex-M4内核，具有高代码效率，兼容所有ARM软件工具。

其红外温度传感器采用红外非接触MLX90614传感器，在T0-39金属内部集成红外感应热电堆探测器芯片和信号处理专用集成芯片，同时集成低噪声放大器、17位数模转换器、强大的数字信号处理单元，使得温度测量精度可达0.5℃。

其氧气传感器选用KE-25，用来检测空气中氧气浓度，采用电化学原理将氧浓度的变化通过输出电压向系统反馈。

其声音传感器选用WM-040VN型传感器，其内部采用高级树脂材料“蜂窝状集音”设计，无电子噪音。工作温度范围宽，可达-25℃～70℃的超强环境温度工作，实现系统后端高质量的录音效果。

其视频传感器采用微型摄像头OV2640视频组件，其核心为CMOS UXGA的图像传感器，通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、缩放和取窗口等方式的各种分辨率8/10位影像数据，所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、对比度、色度等都可以通过SCCB接口编程。

可穿戴头盔电路包括主CPU单元、EEPROM、通讯电路、复位电路、显示控制单元六个部分。为获得大数据存储空间，在CPU外部扩展512k以上存储器。为防止程序奔溃或系统死机，设计独立的外部硬件看门狗电路，看门狗输出控制信号和CPU的RST复位引脚相接，当程序跑飞或死机时RST发出复位脉冲，重启设备。

巡检系统平台监控软件系统(亦称巡检作业软件平台或巡检作业集中监视和控制软件)是智能电力巡检管理系统的核心，其系统框架构成见图2所示。

由图可知，该巡检作业软件平台能够完成作业任务管理、作业过程集中监视、数据采集存储、人员定位等功能，具体包括可穿戴手表和可穿戴头盔两部分，软件系统采用分布式数据结构及传输结构。

可穿戴手表的软件框架构成如图3所示，其采用层次化结构，由下至上分别是：感知层、通信层、业务支撑层。

其中，感知层包含基础的传感器接口，分别采用GPS技术、心率测量技术、近距离无线通信技术和自组织网络技术；通信层采用Socket通信模块及安全编解码模块为客户端和服务器之间提供可靠、安全、跨平台的通信通道。

其利用局域网Internet、移动通信网2G/3G/4G等服务支撑子层可以实现感知数据信息的存储、处理与分析、服务控制与管理；该系统的核心层是业务支撑层，负责动态资源分配、对数据进行分布式管理、对感知设备进行控制管理、对平台的用户进行管理。

在本技术方案中，该系统的核心层具体通过与表示层的业务描述接口，对表示层进行识别，并以一定的语法规则描述、组合；通过与通信层的通信接口来接收与处理来自客户端用户的请求消息。

其具体功能模块见图4所示，主要含有认证鉴权模块、消息队列管理模块、消息处理模块、任务调度模块、业务的解析模块、业务库模块、异常处理模块、日志模块。

A、可穿戴手表(以下简称手表)软件功能的实现：

1、手表入网设备注册：

手表入网设备注册模块主要负责将手表设备注册到巡检作业网络系统中，使用WIFI配置入网设备，在手表终端点击“添加入网设备”，选择入网设备的配置，开始配置入网，同时手表终端可显示配置状态，将入网设备的信息保存到数据库中，配置成功后手表控制端在无线通信范围内都能够实现显示和数据传输等功能。

在手表控制端点击添加入网设备按钮后，会提醒是否已连接到巡检作业WIFI接入点，如还未连接到WIFI接入点则可以获取WIFI AP列表，接着根据服务集标识SSID名称进行过滤，通过双向认证后建立连接，然后手表控制端获取WIFI接入点的信息后，再选择连接到处于WIFI AP模式的入网设备，接着向入网设备发送WIFI接入点信息，发送成功后与处于WIFI AP模式的入网设备断开连接，配置完成。配置完成后如果要对设备进行控制，首先需从数据库中找到入网设备的信息，然后就可向WIFI设备发送控制命令，整个过程如图5所示。

2、身份识别：

在Android系统中，任一个Android程序安装包APK只有在具有签名后，才被允许安装到设备中。签名作为Android应用程序开发者的标识，本身不带有直接的安全信息，一般无法伪造，由此，我们利用Android应用程序签名信息的防伪性质设计手表的身份识别模块。

用户通过手表登录系统时，平台将用户名和密码进行运算得到一个包含用户身份标识信息的字符串userid(亦称用户身份标识信息字符串)，服务器验证用户身份后，为用户分配一个用于校验的校验字符串tempkey，该校验字符串tempkey为随机生成，并在服务器中只保存一段较短时间。

根据电力系统工作环境，在此设为1小时。之后，校验字符串tempkey将会无效。服务器则保存用户名username、用户身份标识信息字符串userid、软件程序APK包名、APK签名信息以及业务程序身份识别的funcid。

B、可穿戴头盔软件功能的实现：

1、可穿戴头盔的软件系统结构：

可穿戴头盔系统采用μC/OS-II作为FTU内嵌的操作系统，μC/OS-II是一种可移植的，可裁剪的，可植入ROM的，抢占式的，实时多任务操作系统内核。它被广泛应用于微处理器、微控制器和数字信号处理器内。

可穿戴头盔系统在μC/OS-Ⅱ内核上为远距离通信、测量、信号分析和处理等任务分别设计独立的任务,任务间通过信号和共享内存的方式交换数据。其可穿戴头盔软件系统结构的基本框架如图6所示。

该系统采用多线程结构，各线程协同工作，完成数据的采集、缓冲存储和通信发送等任务。其中主线程完成系统任务的创建和资源管理、创建和启动其它工作任务线程、协调各个进程工作；红外测温线程负责红外温度传感器的管理和温度数据采集，通过I²C总线读取设备的实时温度；视频采集线程负责摄像头的初始化和参数设置、视频数据通信、视频图像转移存储等功能；声音采集线程完成声音信号的连续采集、缓冲存储，其中声音信号通过高速AD通道采集，通过DMA方式传输；多参数采集线程完成环境温度、湿度、氧气含量的测量；存储管理线程负责公共存储缓冲区的管理，使数据在各个线程间可以正常、有序地传输；电源管理线程完成电源电压的监测和功耗的测量，优化内部的电源工作方式，提高待机和作业时间；无线通信服务线程完成两个方面的重要任务，一方面实现无线定位测量计算，跟踪作业人员的轨迹。另一方面完成数据的无线传输，把各个工作线程采集的传感器数据、图像和声音数据等发送到集中监控系统。

2 WIFI无线定位：

WIFI定位技术除具有良好的精度和强扩展性外，其独特优势在于WIFI芯片已经在各类用户智能终端中得到广泛普及，并且随“无线城市”的发展，国内各大城市电信运营商、公司与家庭均已安装了大量的WIFI热点与网关，通过利用现有的这些WIFI设施，能够显著降低辅助设备的建设与长期运营成本，快速实现项目预定目标。

WIFI信号受非视距(NLOS)影响小，即使在有障碍物阻挡的情况下也能用。基于无线局域网的定位技术就是在无线局域网中通过对接收到的无线电信号特征信息进行分析，根据定位算法计算得出待测目标所在位置。其中特征信息主要为接收信号的强度信息，定位方法采用指纹定位。指纹定位是微软研究院在2000年基于无线局域网的RADAR定位系统中首次提出的，无需添加额外硬件设施，仅利用现有的无线网络设备，通过比较定位所需的信号特征指纹信息获取目标位置。

指纹位置定位可分成两个阶段：离线阶段与在线阶段，具体如图7所示。

在离线阶段，为变电站内每栋建筑建立一个位置指纹数据库，即一系列校准样点的集合，这些校准样点由建筑内不同的位置点，以及每个位置上采集到可见AP的RSS向量构成。在线阶段时，利用位置指纹数据库中的校准样点计算用户最有可能出现的位置，得出最终定位。

(1)离线阶段。离线阶段可看作为一个校准过程，用于采集信号强度构建位置指纹数据库。在一个已部署好无线局域网环境中，首先根据建筑的分布格局和大小选择一定数量的位置作为参考样点，参考样点的间距根据实际情况而定，可以是1m,2m等，在选中的参考样点上要进行多次采集可见AP的RSS值。然后将该组信号数据存入位置指纹数据库中。

(2)在线阶段。在离线阶段完成后，位置指纹数据库中保存了终端在每个参考样点上可侦测到的各AP的信号强度。终端进行定位时，将终端所在位置上可侦测到的各AP的RSS向量发送给定位服务器，服务器根据定位算法将终端上报的实时数据与数据库中的历史数据进行匹配运算，从位置指纹数据库中计算出与实时数据最佳匹配的参考样点，最佳匹配的参考样点即可作为终端的估计位置。

在可穿戴头盔中，通过位置指纹定位算法的实现程序流程如图8所示。

本发明的技术方案，针对变电站人工巡检方式中的弊端，结合目前变电站的应用需求，提出了新型的可穿戴辅助巡检设备系统，系统软硬件结合，很大程度上提高了人工检测场景中的可靠性和安全性。同时在电网内部巡检管理方面提供大量的实时数据，降低工作人员的劳动强度。在此基础上，系统可进一步升级，使穿戴设备与巡检机器人相结合，进一步提高效率与可靠性，其市场应用前景非常广泛。

本发明可广泛用于电力设备的巡检和管理领域。

Claims (6)

1.一种可穿戴式电力安全巡检作业装备，其特征是：

所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，包括可穿戴硬件设备、无线通讯网络和巡检作业软件平台；

其可穿戴硬件设备支持WIFI无线定位，音视频、含氧量、环境及设备温度等数据的采集、分析及存储、发送终端需求数据和报警提示；

其巡检作业软件平台后台集中管理控制可穿戴硬件设备，采用多线程并行工作模式，进行系统功能分配调度、综合信息集中处理、分析、归并发送，实现多功能协同作业；

所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，以可穿戴设备为载体，结合巡检系统平台监控软件和无线通讯网络，通过可穿戴设备与无线网络的数据通讯，实现分布式采集数据、分布式传输结构、人员定位以及路线规划功能；

所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，在可穿戴设备硬件的支持下，采用Android操作系统，运行巡检作业软件系统，采集、处理、下发控制任务、显示温度、路径等提示信息；

所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，通过可穿戴硬件设备和巡检作业软件平台的使用，能够推进电力巡检作业的自动化和智能化，提高巡检作业的工作质量，保障巡检人员巡检作业的安全性。

2.按照权利要求1所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，其特征是所述的可穿戴硬件设备包括可穿戴手表和可穿戴头盔。

3.按照权利要求2所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，其特征是所述的可穿戴手表硬件由运算处理单元、存储单元、显示单元和外部扩展的传感器和执行器、电池组成；

所述的可穿戴手表支持无线通信、GPS定位、作业人员健康信息采集、作业数据的显示和操作提示功能；支持心率测试、精准计步，翻手亮屏，陀螺仪，GPS定位、加速度计，六轴传感器，心率传感器，防水等级高，待机时间长，满足巡检作业软件的运行要求；

所述的可穿戴手表能够监控人员状态，获取工作人员的健康信息，通过手表屏幕显示收集的数据，在操作不当时，会通过手表振动对工作人员进行提示。

4.按照权利要求3所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，其特征是所述的作业人员健康信息采集至少包括心率测试和精准计步。

5.按照权利要求2所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，其特征是所述的可穿戴头盔以电力系统的标准安全头盔为基础，在头盔上设置有微机处理单元、控制运算单元、向外扩展模块、多种传感器检测模块及通信天线；能够实现检测环境温度、设备温度、声音信息、氧含量信息，视频信息以及户内人员的定位功能，实现电力巡检监控和检查任务。

6.按照权利要求5所述的可穿戴式电力安全巡检作业装备，其特征是所述的传感器检测模块包括红外温度传感器、氧气传感器、声音传感器和视频传感器。