基于低功耗藍牙4.0技術的安全預警系統(tǒng)設計

王建新 蘇俊盼 鄭一麟

摘 要：電力設備定期巡檢是保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的重要保障，而傳統(tǒng)的巡檢方式容易對巡檢人員產(chǎn)生危害。針對電力系統(tǒng)巡檢人員安全問題，提出一種基于低功耗藍牙的無線安全預警系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)實際需求通過藍牙4.0技術，使用CC2451芯片組建預警網(wǎng)絡，通過置于安全帽內(nèi)的便攜式報警器讀取不同有效距離內(nèi)附著在危險標志物表面的有源標簽數(shù)據(jù)，對巡檢人員進行實時語音提醒。實際應用表明，該系統(tǒng)能有效保證電力系統(tǒng)現(xiàn)場巡檢人員的人身安全。

關鍵詞：藍牙4.0;CC2451;安全預警;低功耗;電力系統(tǒng)巡檢;語音提醒

中圖分類號：TP39;TN925文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

近年來，由于電力行業(yè)對于現(xiàn)場巡檢需求的不斷增加，巡檢人員的安全受到了越來越多的重視。巡檢地點多采用警示牌或者警示標語的方式提醒巡檢人員勿誤入危險區(qū)域，這種預警方式在實際使用中往往效果不佳，容易產(chǎn)生安全隱患。高壓電線桿的安全區(qū)域半徑為1～1.5 m，由于人眼估算距離的誤差較大，巡檢人員往往會誤入安全區(qū)域，從而對人身造成一定傷害。因此，設計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的近距離無線預警設備，并將其應用于電力巡檢現(xiàn)場非常重要。

藍牙技術是由愛立信公司引領并聯(lián)合諾基亞、英特爾、IBM、東芝發(fā)起成立的藍牙技術聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）所制定的一項完全開放的短距離無線通信技術標準。截止2018年底，藍牙共發(fā)展出了10個版本，其中低功耗是一項革命性藍牙技術功能，低功耗藍牙最大的特點是超低的運行功耗和待機功耗，一粒紐扣電池可供藍牙低功耗設備連續(xù)工作數(shù)年;理論上，低功耗藍牙支持主設備連接無限個從設備，傳輸距離可達50～60 m。

針對電力系統(tǒng)存在的巡檢風險，本文設計了一種基于低功耗藍牙4.0技術的巡檢預警系統(tǒng)。系統(tǒng)由附著在危險物表面的預警標簽和內(nèi)置于巡檢人員安全帽中的語音提示器組成，當巡檢人員靠近危險標志物安全范圍邊界時，語音提示器通過主動讀取預警標簽向巡檢人員發(fā)出相應語音提示，以達到保護巡檢人員的目的。

1 安全預警系統(tǒng)總體設計

基于低功耗藍牙技術的預警系統(tǒng)由有源預警標簽和便攜式報警器組成。有源預警標簽作為從設備，附著在危險標志物表面，采用紐扣電池供電;便攜式報警器作為主設備，安裝在安全帽內(nèi)的空隙間，采用4.8 V充電電池作為移動工作電源，工作時間達3小時以上，便攜式報警器最多支持99條報警提示語音的播放，用戶只需將提示語音的WAV格式文件按照預先設定好的順序存放入SD卡即可。系統(tǒng)例圖如圖1所示。

當便攜式報警器中的藍牙接收模塊接收到規(guī)定的安全半徑區(qū)域內(nèi)（1 m和1.5 m）的有源標簽發(fā)送的報警數(shù)據(jù)時，會根據(jù)接收到報警數(shù)據(jù)的類型讀取SD卡中相應的音頻文件，并通過外放喇叭循環(huán)播放該報警提示語音。主站每次只能連接一個從站，有多個從站進入主站掃描范圍時，通過從站的功耗大小以及主站的靈敏度選擇連接的從站。

2 預警系統(tǒng)的硬件結構

為滿足系統(tǒng)低功耗、便攜等要求，采用德州儀器公司開發(fā)的CC2451芯片作為系統(tǒng)的無線藍牙模塊。該芯片具備6 mm×6 mm方形扁平無引腳封裝、出色鏈路預算及更低的RF流耗等優(yōu)點，且集成有2.4 GHz射頻發(fā)射器，可有效縮小物理尺寸、降低開發(fā)成本。CC2451的低功耗參數(shù)見表1所列。

安全預警系統(tǒng)模塊包括低功耗CC2451芯片、電源模塊、天線模塊以及晶振模塊。系統(tǒng)最小控制電路如圖2所示。

2.1 預警標簽的硬件設計

預警標簽由CC2541芯片、LED指示燈、紐扣電池以及8位撥碼開關組成。其中紐扣電池采用C2032的3 V電池，8位撥碼開關以8421碼（前4位代表十位，后4位代表個位）作為預警標簽的內(nèi)容。預警標簽結構如圖3所示。

2.2 便攜式報警器的硬件設計

便攜式報警器由CC2541低功耗藍牙芯片、LED指示燈、3.6 V充電鋰電池、串口語音播放模塊以及外放喇叭組成。其中，串口語音播放模塊通過TTL串口電平與CC2541進行串口通信，該模塊支持MP3和WAV格式的音頻文件，外放喇叭采用3 W/8 Ω的喇叭以確保音效。便攜式報警器結構如圖4所示。

3 預警系統(tǒng)的軟件流程

預警標簽和語音提示器的通信流程如下：

（1）預警標簽開啟廣播模式;

（2）便攜式報警器掃描廣播的預警標簽;

（3）當預警標簽接收到便攜式報警器的掃描請求后，便攜式報警器發(fā)送掃描回應數(shù)據(jù);

（4）便攜式報警器發(fā)起鏈接，開始通信;

（5）便攜式報警器向預警標簽發(fā)送讀取預警語音類型的命令請求，預警標簽向語音提示器返回8位撥碼器所設置的預警語音類型;

（6）便攜式報警器將預警語音類型通過串口命令發(fā)送給串口語音播放模塊，并通過查詢語音播放模塊的BUSY引腳等待預警語音播放完畢;

（7）當監(jiān)測到BUSY引腳拉低之后，便攜式報警器主動斷開當前藍牙通信過程，重新尋找預警標簽的廣播信息，而當便攜式報警器主動斷開連接之后，預警標簽被動斷開連接，并重新開啟廣播模式。

3.1 預警標簽的軟件流程

預警標簽作為低功耗藍牙的從站，負責向進入藍牙射頻范圍內(nèi)的便攜式報警器廣播信息，同時被動開始和退出通信。預警標簽的軟件流程如圖5所示。

預警流程步驟如下：

（1）預警標簽通過讀取8位撥碼開關的數(shù)據(jù)來確定不同預警標簽的警示語;

（2）進入廣播模式等待主站掃描;

（3）接收到掃描請求時，向主站返回回應數(shù)據(jù)，同時等待主站請求連接;

（4）連接建立后，等待接收主站讀取預警語音類型的命令請求;

（5）接收主站請求后，向主站返回8位撥碼器所設置的預警語音類型;

（6）斷開當前連接并進入廣播模式等待下一次主站掃描。

3.2 便攜式報警器的軟件流程

便攜式報警器作為低功耗藍牙的主站，負責掃描廣播的預警標簽，同時向掃描到的預警標簽主動發(fā)起通信鏈接，當完成讀取預警標簽參數(shù)和播放預警語音提示工作之后，主動斷開藍牙通信鏈接，并重新進入掃描狀態(tài)。便攜式報警器的軟件流程如圖6所示。

內(nèi)置于安全帽的便攜式報警器首次使用需要初始化語音播放模塊，其工作流程如下：

（1）巡檢使用時，主站先進入掃描模式尋找進入范圍的預警標簽;

（2）掃描到預警標簽的廣播后向其發(fā)送讀取參數(shù)的命令;

（3）接收到從站返回的參數(shù)信息時，重復2次向語音播放模塊發(fā)出播放命令;

（4）語音播放完成后斷開與從站的鏈接，進入下一次掃描。

主站每次只能鏈接一個從站，當主站同時掃描到多個從站廣播信息時，主站自動根據(jù)其接收到的從站靈敏度選擇預警標簽進行鏈接。

4 結 語

本文針對電力系統(tǒng)現(xiàn)場巡檢安全隱患，提出了一種基于藍牙4.0技術的低功耗安全預警系統(tǒng)，系統(tǒng)由附著在危險標志物表面的有源預警標簽及放置在安全帽內(nèi)的便攜式報警器組成。該系統(tǒng)能有效減少對巡檢人員的人身傷害，具有一定的實用價值。

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