一种适用于可穿戴巡检系统的智能头盔的制作方法

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智能头盔。

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。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于可穿戴巡检系统的智能头盔。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：提供一种适用于可穿戴巡检系统的智能头盔，包括可穿戴硬件设备、无线通讯网络和巡检作业软件平台；其特征是：

所述的可穿戴硬件设备包括可穿戴头盔；

在硬件方面，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；

在软件方面，所述的可穿戴头盔采用μc/os-ii作为ftu内嵌的操作系统，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；

所述的可穿戴头盔支持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；

所述的可穿戴头盔在wifi环境下，通过指纹定位的定位方法，通过比较定位所需的信号特征指纹信息获取目标位置。

所述的可穿戴头盔的软件系统采用多线程结构，其主线程下面对应设置有红外测温线程、视频采集线程、声音采集线程、多参数采集线程、存储管理线程、电源管理线程和无线通信服务程序，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。

具体的，所述的wifi无线定位包括两个阶段：离线阶段与在线阶段。

进一步的，在所述的离线阶段，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。

更进一步的，在所述的离线阶段，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，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；在所述离线阶段完成后，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。

具体的，在所述的在线阶段，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。

进一步的，在所述的在线阶段，智能头盔进行定位时，将智能头盔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，此最佳匹配的参考样点即作为智能头盔的估计位置。

其所述的多种传感器至少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。

本技术方案中所述的智能头盔采用机器视觉、惯性运动测量和wifi定位技术，实现在具有复杂结构的室内进行精确定位，精确跟踪作业人员的运动轨迹和避免作业人员到达错误的工作位置执行作业任务。

进一步的，所述的智能头盔基于多参数融合的组合定位软件系统架构实现其定位功能；

所述的组合定位软件系统基本功能框架主要包括视频定位分析单元，wifi定位单元，惯性定位单元和定位数据融合单元；

所述的视频定位分析单元包括首先从外部的摄像头获取视频数据流并转换为视频图像存储在内部缓冲区，然后从图像数据中提取重要的几何学、形态学和sift特征，并与图像识别单元根据图像特征与预先存储(从远程服务端提前传输来)的图像及特征进行匹配，在当和预先定义的某一个或多个图像匹配度高时，将根据运动中的视觉原理测量出摄像头到外部特征图像的距离和方位，并在连续多数据帧中进行修正以获得较高的精度；

所述的wifi定位单元基于内部存储的指纹特征库和所获得的外部节点信息和信号强度，计算出wifi节点在全局空间坐标系中的位置；

所述的惯性定位单元以传感器测量的三维运动速度、加速度和角度位置为基础，可以估算位置在一定时间内的运动距离增量和方向；

所述的定位数据融合单元把通过图像系统、wifi定位单元、惯性定位系统各自测量的绝对位置和位置增量变化进行综合，得到远优于各个独立系统的定位结果。

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；

4、在室内wifi环境下，采用指纹定位的无线定位方法，可避免gps定位模式下室内gps信号弱，定位不准的弊端。

附图说明

图1是本发明的硬件系统构成示意图；

图2是本发明可穿戴头盔软件系统结构示意图；

图3是本发明可穿戴头盔位置定位阶段示意图；

图4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，本技术方案中涉及到可穿戴手表、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。

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armcortex-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cmosuxga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。

由于上述单元和电路均为现有技术，故其具体线路构成和电路连接关系在此不再叙述。本领域的技术人员，在掌握了本技术方案解决问题的思路和方法后，完全可以参考cpu产品生产厂家的标准功能电路，实现本技术方案的功能和发明目的。

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。

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2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。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。

2wifi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3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4所示。

明显地，在本技术方案中，所用的无线通信模块为wifi模块，在本技术方案中的wifi通信同时支持定位和数据传输。

本技术方案中，可穿戴头盔所采用的定位方案主要特征为综合采用机器视觉、惯性运动测量和wifi定位技术实现在具有复杂结构的室内进行精确定位，其主要目的在于精确跟踪作业人员的运动轨迹和避免作业人员到达错误的工作位置执行作业任务。

上述的综合定位系统主要由cpu单元、电源和时钟系统、摄像头和wifi无线通信单元、惯性运动测量单元等部分构成。

本技术方案中的可穿戴头盔，采用基于多参数融合的组合定位软件系统架构实现其室内精确定位功能。

所述组合定位软件系统基本功能框架主要包括视频定位分析单元，wifi定位单元，惯性定位单元和定位数据融合单元。所述视频定位分析单元包括首先从外部的摄像头获取视频数据流并转换为视频图像存储在内部缓冲区，然后从图像数据中提取重要的几何学、形态学和sift特征，并与图像识别单元根据图像特征与预先存储(从远程服务端提前传输来)的图像及特征进行匹配，在当和预先定义的某一个或多个图像匹配度高时，将根据运动中的视觉原理测量出摄像头到外部特征图像的距离和方位，并在连续多数据帧中进行修正以获得较高的精度。所述wifi定位单元可基于内部存储的指纹特征库和所获得的外部节点信息和信号强度，计算出wifi节点在全局空间坐标系中的位置。所述惯性定位单元以传感器测量的三维运动速度、加速度和角度位置为基础，可以估算位置在一定时间内的运动距离增量和方向。所述定位数据融合单元可实现把通过图像系统、wifi定位单元、惯性定位系统各自测量的绝对位置和位置增量变化进行综合，得到远优于各个独立系统的定位结果。

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。