一种用于输电线路铁塔组立施工监测的便携手环

1.本发明涉及输电线路铁塔组立施工监测技术领域，具体涉及一种用于输电线路铁塔组立施工监测的便携手环。


背景技术：

2.输电线路的铁塔组立技术多样，各种传感器监测技术也能够成熟的运用到施工中，其中都包含对几组重要施工数据的监测。以内悬浮外拉线抱杆分解组塔技术为例，目前在夹角控制、拉线受力、施工高度风速和温度等数据监测方面，地面施工人员可携带电脑平板等移动设备做到实时接收，方便对施工数据的掌握，但塔上高空作业的人员在操作施工的同时还要保证人员安全，难以携带电脑平板等数据接收终端，无法第一时间知晓数据的异常和及时调整施工操作，存在操作人员组立施工过程中效率低、操作不便等问题。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供一种用于输电线路铁塔组立施工监测的便携手环，提高了操作人员高空作业的安全性、以及工作效率。
4.本发明采取的技术方案为：
5.一种用于输电线路铁塔组立施工监测的便携手环，包括外壳，外壳连接腕带，所述外壳表面设有led显示屏；外壳设有扬声器、usb接口；
6.所述外壳内设有声控部分、无线传输部分；声控部分连接扬声器；声控部分，用于操作人员语音识别、监测数据声音报出、监测数据异常预警声音报出；
7.该手环通过无线传输部分与位于地面的监测终端、以及设置在铁塔上的各传感器无线连接。
8.设置在铁塔上的传感器包括拉力传感器、风速传感器、倾角传感器、高度传感器、距离传感器，该手环设有心率传感器；
9.每种传感器均连接有射频标签；
10.无线传输部分包括第一射频标签阅读器、zigbee无线模块；
11.第一射频标签阅读器，用于读取各传感器射频标签存储的信息；
12.zigbee无线模块，用于与监测终端无线通信连接；
13.监测终端设有第二射频标签阅读器，用于读取各传感器射频标签存储的信息。
14.所述led显示屏，用于风速、抱杆高度、人员高度、抱杆倾角、拉线倾角、牵引绳倾角、上吊塔材倾角、上吊塔材节点距离、承托绳拉力、拉线拉力、牵引绳拉力、操作人员心率、手环电量数据显示。
15.所述手环包含报警控制电路，报警控制电路预置有该组塔施工各个监测点数据的安全值，可完成实际施工时传输数据跟安全值的比较，具体措施为：当风速超过安全值时，塔材吊装等高空作业立即终止；当抱杆倾角超过安全值时，报警提示调整抱杆倾角；当抱杆高度不够时，报警提示提升抱杆高度；当外拉线拉力超过安全值时，报警提示调整拉线受
力；当操作人员心率血压超过安全值时，报警提示立即停止作业，下到地面修整。
16.所述监测终端读取各个传感器信息后，通过zigbee无线通信技术上传数据至服务器，建立各个传感器、手环、监测终端后台系统的数据传输通道，实现物联网。
17.本发明一种用于输电线路铁塔组立施工监测的便携手环，技术效果如下：
18.1)、通过无线传输部分回传作业时安置在各点的传感器相应数据，并在led电子显示屏和地面监测终端上显示，这样在铁塔上的操作人员可快速了解施工细节，也可在第一时间向地面人员反馈高空的情况。
19.2)、通过在各手环上应用子母系统和led控制电路设置声控部分，操作人员上塔作业时无需携带手持对讲机，同时也不需要等待地面人员传话施工细节，地面指挥人员可手持子手环的母机在地面高效指挥，操作方便且提高了工作效率。
20.3)、led显示屏和声控部分通过防滑手带佩戴在操作人员手臂上，极大的解放了操作人员双手，使得操作人员可以将工作注意集中在施工中，操作方便且提高了操作人员高空作业的安全性。
21.4)、本发明手环，解决铁塔组立施工时，塔上高空作业的人员难以第一时间知晓数据的异常和及时调整施工操作，操作人员组立施工过程中效率低、操作不便等问题。
附图说明
22.图1为本发明便携手环外部结构示意图。
23.图2为本发明便携手环内部结构示意图。
24.图3为本发明便携手环的功能流程图。
25.图4为本发明中led电子显示屏结构示意图。
26.图5为本发明中语音识别系统中建立声学模型的逻辑图。
27.图6为本发明中声控报警设计电路图。
28.图7为本发明中声控报警设计中判断判触发动作电路图。
29.图8为本发明中声控交互式电路设计电路图。
30.图9为本发明中声控部分设计电路图。
31.图10为本发明中子母系统示意图。
32.图11为本发明中组塔施工中传感器安装示意图。
33.其中：1
‑
led电子显示屏，2
‑
电源开关，3
‑
扬声器，4
‑
复位键，5
‑
外壳5，50
‑
子母系统，51
‑
声控部分，52
‑
线传输部分，6
‑
usb接口，7
‑
声控部分，8
‑
锁紧孔，9
‑
收紧带，10
‑
腕带，11
‑
锁紧环，12
‑
抱杆，13
‑
拉线。
具体实施方式
34.如图1、图2、图10所示，一种用于输电线路铁塔组立施工监测的便携手环，包括外壳5，外壳5连接腕带10。外壳5左右与腕带10连接，通过腕带10两端的锁紧孔8、收紧带9和锁紧环11，将手环佩戴在操作人员手臂上。
35.外壳5采用金属铁质材料，外壳5右侧预留有控制电路的按键孔；腕带10采用防滑橡胶。
36.所述外壳5上表面设有led显示屏1；
37.所述外壳5侧面设有扬声器3、usb接口6、电源开关2、复位键4；
38.所述外壳5内嵌设有声控部分51、无线传输部分52；
39.声控部分51，用于操作人员语音识别、监测数据声音报出、监测数据异常预警声音报出。
40.该手环通过无线传输部分52与位于地面的监测终端、以及设置在铁塔上的各传感器无线连接。
41.电子显示屏1采用1～3mm厚的透明防划玻璃和led灯组控制电路等电子元件，led灯组控制电路采用74hc4511译码器和数组led灯组显示器组成数显屏幕。
42.扬声器3采用blc
‑
1420焊线式小型扬声器，外壳5内部下表面开有导线敷设槽。
43.设置在铁塔上的传感器包括拉力传感器、风速传感器、倾角传感器、高度传感器、距离传感器，
44.该手环设有心率传感器；心率传感器采用艾谱柯微心率传感器em7028。
45.每种传感器均连接有射频标签；
46.无线传输部分52使用射频识别技术和zigbee无线通信技术，实现传感器、手环和监测终端的无线物联网体系。
47.无线传输部分52包括第一射频标签阅读器、zigbee无线模块；
48.第一射频标签阅读器，用于读取各传感器射频标签存储的信息；
49.zigbee无线模块，用于与监测终端无线通信连接；
50.监测终端设有第二射频标签阅读器，用于读取各传感器射频标签存储的信息。
51.所述led显示屏1，用于风速、抱杆高度、人员高度、抱杆倾角、拉线倾角、牵引绳倾角、上吊塔材倾角、上吊塔材节点距离、承托绳拉力、拉线拉力、牵引绳拉力、操作人员心率、手环电量数据显示。
52.各和操作人员佩戴的手环，地面指挥人员监测用的电脑监测终端，构成子母系统50。多个操作人员佩戴的手环，通过zigbee无线通信技术与电脑相连，可由电脑监测调度各手环。无线传输部分52利用射频识别技术，使各传感器中的射频标签与手环、以及电脑中第二射频标签阅读器建立射频识别体系。在电脑端读取各个传感器信息后，又通过zigbee无线通信技术上传数据至服务器，建立传感器、手环和电脑等后台系统的数据传输通道，实现物联网。
53.射频标签采用普通iso
‑
18000
‑
6c(epc g2)电子标签，第一、第二射频标签阅读器采用uhf rfid超高频远距离读写器jt
‑
8290g，全面支持符合iso
‑
18000
‑
6c(epc g2)、iso
‑
18000
‑
6b电子标签；可稳定读取20m(与标签及环境相关)。
54.同时，无线传输部分52利用zigbee无线通信技术，采用zigbee无线模块cc2530组网2.4g大功率zigbee远距离传输模块，可工作在2.4ghz(全球流行)、868mhz(欧洲流行)和915mhz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10
‑
75m的范围内,可以根据施工要求继续增加。
55.声控部分51采用ld3320语音识别芯片，语音处理单元采用atmega168作为mcu，mcu的程序采用arduino ide编写，调试完成后通过串口进行烧录，控制ld3320完成语音识别。
56.声控部分51可通过usb接口6与电脑连接，进行操作人员人声识别的匹配；扬声器3出口在金属外壳左侧开有小孔，可报告相关监测数据。
57.声控部分51包含声控报警设计部分和声控交互式设计部分，具体为：
58.声控报警设计部分是一种以51单片机和驻极话筒为核心的声控报警器系统的设计。该系统利用驻极体话筒将声音信号转换成51单片机能够识别的电信号，来控制扬声器3发出警报声；声控交互式设计部分是基于gmm
‑
hmm声学模型的语音识别系统，该设计部分能完成通过电脑端麦克风设备采集说话人的语音指令，进行自适应降噪和特征提取。
59.手环包含led灯组控制电路，锂电池充放电电路；led灯组控制电路侧面开有控制电路电源开关2和usb充电接口槽，led灯组控制电路四周依次分布有开关固定孔和usb充电接口槽，led灯组控制电路下表面开有导线敷设槽。led灯组控制电路连接led显示屏1，锂电池充放电电路连接锂电池。led灯组控制电路的控制芯片采用的是sgl8022，n节锂电池，给手环提供电能，锂电池充放电电路采用芯片me4057。
60.如图1、图2、图3所示，本发明主要改进点在于该手环可以数显和声控。为了实现这一点，所述无线传输部分52与传感器的射频标签匹配，无线传输部分52回传数据，由led灯组控制电路判断数据安全性，并在led电子显示屏1显示数值；佩戴者通过声控部分51识别指令项目，在led电子显示屏1显示数据，同时声控部分51读数；当某项数据超过施工安全数值时，声控部分51将对该项数据发出预警，并在led电子显示屏1上显示。
61.如图10所示，子母系统50的子系统为各操作人员佩戴的手环，母系统为地面指挥人员监测用的电脑端，所有子环通过zigbee无线通信技术与“母环”即电脑端相连，可由母环监测调度各子环。
62.拉力传感器可安装在拉线和承托绳上测量绳索受力；
63.风速传感器可安装在抱杆顶部测量施工场地风速；
64.倾角传感器可安装在抱杆、上吊塔材上测量目标倾角；
65.高度传感器可安装在塔上操作人员、抱杆和上吊塔材上测量目标高度；
66.距离传感器可安装在上吊塔材螺栓与铁塔螺栓位置测量两者距离。
67.拉力传感器采用拉压力双向zz310
‑
105传感器，最大量程可达100t；风速传感器采用rs
‑
fsjt传感器，量程在0至70m/s；倾角传感器全温补高精度数字型单轴aca616t传感器，分辨率为0.001
°
；高度传感器采用tf03百米ip67防护激光雷达传感器，最大量程可达100m；距离传感器采用红外测距ora1l03
‑
a0传感器，量程在0至2m。
68.如图11所示，根据施工规程设计的抱杆安全数据，为了安全施工，必须对抱杆的相关数据进行设计和实时监测，最后与手环收集的实际数据比对，决策施工方案。
69.拉线拉力和场地风速是重要指标，抱杆上的拉力传感器和风速传感器设有设计值，设计值与实际监测值可在电脑端比较，帮助现场指挥人员指挥施工。
70.所述抱杆安全性计算模型，采用以下方式确定：
71.工程上，为方便计算，一般认为抱杆12向起吊侧倾斜时，起吊侧拉线不受力。则抱杆12平衡侧(与起吊侧相对的一侧)拉线13拉力的合力为：
[0072][0073]
式中：
[0074]
ω：抱杆与铅垂线的夹角(抱杆倾角)，(单位：
°
)；
[0075]
ψ：起吊绳与铅垂线的夹角，(单位：
°
)；
[0076]
σ：平衡侧的抱杆拉线合力线对水平面的夹角，(单位：
°
)；
[0077]
f：平衡侧内拉线合力设计值，单位：kn；
[0078]
q：起吊绳的拉力，单位：kn；
[0079]
为使监测结果更精度，本发明引入了不同高度的风速转换功能，能实时获得抱杆各处所受实时风荷载。抱杆所受实时风荷载为：
[0080]
w
k
＝0.625e
z
ρ
s
ρ
z
v2ꢀꢀ
(2)
[0081]
式中：
[0082]
v：某高度处风速，单位：m/s；
[0083]
wk：某高度处风速设计值；
[0084]
ez：高度z处的风振系数；
[0085]
ρs：风压体型系数；
[0086]
ρz：风压高度变化系数；
[0087]
无线传输部分52是利用射频识别技术使传感器中的射频卡与手环和电脑中的阅读器建立射频识别体系。具体为：电脑端先建服务器，各传感器将所测项目名称录入服务器，手环通过usb接口6与电脑相连，调节手环参数后建立与服务器的连接，工作时，由传感器中的射频卡与手环和电脑端的阅读器建立的射频识别体系实现传感器、手环和电脑三者的数据传输。
[0088]
声控部分51通过usb接口6与监测终端相连，各传感器监测项目和数据预先录入监测终端，并在监测终端建立操作人员与手环的人声识别；铁塔组立中，操作人员对手环给出预设项目名称的声音指令，led灯组控制电路控制led显示屏1显示项目名称及数据，声控部分51控制扬声器3发声读数；
[0089]
声控部分51发出指令，给出显示抱杆12的风速监测数据时，设置在抱杆12顶端的风速传感器经无线传输部分52将数据传输到led灯组控制电路中，判断数据安全性，并通过led灯组控制电路在led显示屏1显示数值；同时，声控部分51控制扬声器3发声读数。
[0090]
声控部分51发出指令，给出显示上吊塔材倾角监测数据时，设置在塔材上的倾角传感器经无线传输部分52将数据传输到led灯组控制电路，判断数据安全性，并通过led灯组控制电路在led显示屏1显示数值；同时，声控部分51控制扬声器3发声读数；
[0091]
声控部分51发出指令，给出显示抱杆高度监测数据时，设置在抱杆12顶端的高度传感器经无线传输部分52将数据传输到led灯组控制电路，判断数据安全性，并通过led灯组控制电路在led显示屏1显示数值；同时，声控部分51控制扬声器3发声读数。
[0092]
声控部分51发出指令，给出显示外拉线拉力监测数据时，设置在抱杆12顶端的外拉线的拉力传感器经无线传输部分52将数据传输到led灯组控制电路，判断数据安全性，并通过led灯组控制电路在led显示屏1显示数值；同时，声控部分51控制扬声器3发声读数；
[0093]
声控部分51发出指令，给出显示心率监测数据时，操作人员的心率传感器经无线传输部分52将数据传输到led灯组控制电路，判断数据安全性，并通过led灯组控制电路在led显示屏1显示数值；同时，声控部分51控制扬声器3发声读数。
[0094]
声控部分51的控制电路预置有该组塔施工各个监测点数据的安全值，可完成实际施工时传输数据跟安全值的比较，具体措施为：当风速超过安全值时，塔材吊装等高空作业立即终止；当抱杆倾角超过安全值时，报警提示调整抱杆倾角；当抱杆高度不够时，报警提
示提升抱杆高度；当外拉线拉力超过安全值时，报警提示调整拉线受力；当操作人员心率血压超过安全值时，报警提示立即停止作业，下到地面修整等等措施。
[0095]
综上所述，采用上述结构能够有效解决输电线路铁塔组立施工时，操作人员对施工数据和施工程度模糊的问题，可以做到对施工实时数据的实时掌握，这样在铁塔上的操作人员可快速了解施工细节，也可在第一时间向地面人员反馈高空的情况。操作人员上塔作业时无需携带手持对讲机，同时也不需要等待地面人员传话施工细节，操作方便且提高了工作效率。数显和声控系统通过防滑手带佩戴在操作人员手臂上，极大的解放了操作人员双手，使得操作人员可以将工作注意集中在施工中，操作方便且提高了操作人员高空作业的安全性。