穿戴式智能巡檢終端的研究與應用

許志松，張楠川，張貴鵬，鮑小鋒，聶鼎，羅貴平，周帥，崔勇

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650011；2.云南電網有限責任公司玉溪供電局，云南 昆明 653100；3.云南電網有限責任公司，云南 昆明 650011）

0 前言

聚焦配網巡檢痛點，主要是作業內容繁雜，需攜帶的通訊工具、巡視終端、紅外熱成像檢測儀、工器具等設備種類及數量多，作業內容極易漏項，操作過程繁瑣，作業效率低等。擬研制一種基于穿戴式的紅外熱成像智能巡檢終端，該設備將集通訊工具、巡視終端、紅外熱成像檢測儀等電子化作業工具于一體，最大限度提升作業人員的作業能力，新研制設備將具備虛擬成像顯示（AR 顯示）、紅外熱成像測溫、語音識別、視頻通話、拍照、錄像、短視頻、配電巡視測溫檢測、紅外熱成像故障識別、手電筒、激光校準定位、電量顯示等功能，實現最大程度的智能巡檢作業。

1 終端功能設計

基于紅外熱成像測溫技術的穿戴式智能終端，硬件電子電路設計主要包含以下幾個部分：電池電源管理模組、無線通信及數據處理智能模組、紅外熱成像測溫傳感器模組、雙目可見光攝像頭模組、電量顯示模組、雙麥克風及雙喇叭模組及近目虛擬成像顯示模組，如圖1終端硬件組成框架圖所示。

圖1 終端硬件組成框架

1.1 電池電源管理模組設計

終端采用的電池是聚合物純鈷高壓可充鋰電池，額定電壓3.80 V，滿電狀態電壓4.35 V；電池容量5200 mAh。該模組主要為無線通信及數據處理智能模組提供穩定電源。電源電壓輸入范圍為3.55～4.4 V，推薦值為3.8 V。電源的性能，比如負載能力、紋波的大小等，都會直接影響模塊的性能和穩定性。極限情況下，模塊耗流可能達到3 A 的瞬時峰值,若供電能力不足則會導致輸出電壓下降，如果輸出電壓在3.1 V 以下，會造成模塊掉電關機，如圖2所示。

圖2 電源電壓下降示例

為保證電源電壓不會下降到3.1 V 以下，在靠近模塊電源輸入端，設計并聯一個低ESR(ESR=0.7Q) 的100 μF 鉭電容，以及100 nF、33 pF(0603 封裝)和10 pF(0603 封裝)濾波電容，并且電源的PCB 走線盡量短且足夠寬，以減小電源走線的等效阻抗，確保在最大發射功率時大電流下不會產生太大的電壓下降。為抑制電源波動沖擊,確保輸出電源的穩定，在電源前端加了一個額定功率在0.5 W 以上的TVS 管，并靠近模塊的電源輸入端擺放，以起到浪涌防護的作用。

1.2 無線通信及數據處理智能模組設計

無線通信及數據處理智能模組，根據目前的軟硬件平臺資源以及開源程度，采用產業鏈較為成熟的高通625 模組方案，基于開源的安卓系統平臺，開發出適合電力系統應用的微型智能系統。該智能模組是一款基于高通平臺、工業級高性能、可運行安卓操作系統的4G 智能模塊。無線通信及數據處理智能模組技術優勢在于高通基帶技術成熟，眾多品牌的安卓智能手機都于基于此基帶開發，產業鏈成熟，實現容易。

通過采用該智能模組方案設計（如圖3所示），能勝任實現智能巡檢終端的音頻功能、視頻功能、圖像視頻采集功能、通信功能、成像顯示功能等需求。

圖3 智能模組功能框圖

1.3 紅外熱成像測溫傳感器模組設計

智能巡檢終端紅外熱成像測溫模組是基于陶瓷封裝非制冷氧化釩紅外探測器開發的一款高性能紅外熱成像測溫模組。該模組分辨率：384×288；測溫范圍：-20℃～+400℃；測溫精度：±3℃/ 量程的±3%。該模組與智能模組的通信方式是高速USB 總線通信。通過使用紅外熱成像測溫傳感器模組，并在無線通信及數據處理智能模組嵌入紅外成像算法和溫度識別算法，可以實現最大值/最小值及中心點溫度實時在屏幕顯示；紅外熱成像拍照（帶溫度顯示），并能上傳到管理平臺；紅外熱成像實時錄像（帶溫度顯示）；支持紅外熱成像及可見光成像同屏預覽顯示。

紅外熱成像測溫傳感器模組及其接口電路設計如圖4，通過采用ESD 抗靜電管ESDBL5V0Y 和抗EMI 干擾芯片SDCW2012-2-900 方案設計，實現紅外熱成像測溫傳感器模組與無線通信及數據處理智能模組通信，穩定可靠。

圖4 紅外熱成像測溫傳感器模組及其接口電路

1.4 雙目可見光攝像頭模組設計

該模組采用雙可見光攝像頭設計，其中一個是主攝頭，采用Sony 的傳感器，1300萬像素，分辨率4160×3120，主要負責清晰拍照和錄像，支持快速自動對焦，視頻支持1280×720(720P)/30 幀；另一個是副攝像頭，采用OV 的傳感器，500 萬像素，分辨率2592×1944，主要負責輔助拍攝。該模組與智能模組的通信方式是兩路高速CSIMIPI 總線通信。

雙目可見光攝像頭模組接口電路設計如圖5，通過采用ESD 抗靜電管ESDBL5V0Y 和抗EMI 干擾芯片ICMEF112P900MFR 方案設計，實現雙目可見光攝像頭模組與無線通信及數據處理智能模組通信，穩定可靠。

圖5 雙目可見光攝像頭模組接口電路

1.5 近目虛擬成像顯示模組設計

本設備采用近目虛擬成像顯示方案，技術參數為：分辨率1024×768；亮度1000 cd/m2；顯示面積0.39 英寸；成像尺寸77 英寸@3 m；視覺：雙目顯示；視場角：36°。該模組與智能模組的通信方式是高速LVDS 和HDMI 總線通信。近目虛擬成像顯示模組的結構件如圖6。

圖6 近目虛擬成像顯示模組的結構件

相關接口電路設計如圖7，通過采用抗EMI干擾芯片ICMEF112P900MFR 方案設計，實現近目虛擬成像顯示模組與無線通信及數據處理智能模組通信，穩定可靠。

圖7 近目虛擬成像顯示模組接口電路

1.6 聲控人機交互系統設計

聲控人機交換系統以本方案的軟硬件平臺為基礎，結合4G 以及互聯網端的“云計算”技術，開發出適合本方案的人機交互系統，考慮到電力設備應用環境的復雜性，擬考慮按鍵觸控技術做備份方案，確保系統正常運行和控制。

聲控人機交互技術優勢在于可以通過語音控制實現安卓系統的基本操作，配合電網的工作流軟件語音控制優化，可以解放雙手，大大提高一線員工的作業效率。語音人機交互系統核心就是語音識別技術，所以如何實現聲音的語音識別是關鍵，從信道傳輸理論來看語音識別，工作原理如圖8所示。

圖8 語音識別基本原理圖

2 終端結構設計

穿戴式紅外熱成像智能終端的結構，結構布局圖如圖9所示。

圖9 穿戴式紅外熱成像智能終端的結構布局圖

穿戴式紅外熱成像智能終端采用分體式結構設計，其分體設備如圖10，可以通過螺絲方便附加安裝在現有的安全帽主體的兩邊，既安全又方便維護；同時兼顧前后左右的重量平衡，前后與左右偏重不超過10%，穿戴舒適；電池安裝在安全帽主體外側，電池與人員頭部之間有安全帽本體阻隔保護安全。

圖10 穿戴式紅外熱成像智能終端的分體設備

智能終端的左側，安裝有手電筒模組、電池模組及電量顯示模組；右側安裝有攝像頭模組、紅外熱成像模組和控制主板模組；左右兩側通過后面的電源線和數據線相連；前面是近目虛擬成像顯示模組（即雙目AR 眼鏡），采用上下翻蓋式設計，在不需要顯示的時候，支持向上牽起，不遮擋前面視線，滿足不同的作業場景；操作功能按鍵，用來手動操作實現各種功能用，一共5個，包括開/關機、激光按鍵、SOS 緊急求救按鍵、手電筒按鍵和拍照/ 錄像鍵等，分布在左右兩側。

在穿戴式紅外熱成像智能終端的安全帽主體右側，包含攝像頭模組和紅外熱成像模組的旋轉支臂通過旋轉軸和安全帽主體相連，旋轉支臂可以繞旋轉軸轉動。在穿戴式紅外熱成像智能終端固定的情況下，支持垂直方向不小于40 度的任意角度調整，滿足長時間向下拍攝無需低頭的要求。同時，攝像頭模組和紅外熱成像模組的位置與工作人員的視線平齊，所拍攝和所看到的畫面與佩戴者所視一致。

3 終端功能實現

3.1 穿戴式紅外熱成像智能終端實現的功能

1）虛擬成像顯示（AR 顯示）

采用近目虛擬成像顯示模組實現智能終端裸眼顯示功能，佩戴者可通過虛擬成像顯示模組查看系統顯示。

2）紅外熱成像測溫

采用紅外熱成像技術進行電力設備測溫，并通過AR 顯示展示問題分布圖及測溫溫度。

3）語音識別

智能終端采用語音指令控制，用戶可使用語音指令完成智能終端相關的功能操作。

4）視頻通話

智能終端可與后臺或手機APP 實現實時的音視頻通話功能，包括接收來至后臺的通話請求，以及主動呼叫后臺。

5）拍照

通過語音指令或按鍵觸發拍照功能，并上傳到服務器。

6）錄像

采用本地高清錄像，錄像保存在智能終端存儲卡中，可通過連接電腦獲取智能終端的高清錄像視頻文件。

7）短視頻

提供短時間的視頻錄制和上傳功能，可錄制一段較短時間的標清視頻并上傳到后臺服務器。

8）輔助功能

輔助功能包括手電筒、激光校準定位、電量顯示等功能。

9）配電巡視測溫檢測

基于紅外熱成像測溫技術，實現配電巡視測溫檢測，根據待測溫設備的最佳檢測位置及溫度與設備運行狀態的關聯關系，檢測設備實際運行溫度及運行狀態。

10）紅外熱成像故障識別

基于紅外熱成像測溫技術及電力設備識別系統，對設備進行測溫檢測以及設備溫度與故障的分析。

11）智能巡檢

實現紅外熱成像電子化智能巡檢，通過智能終端對巡檢數據進行采集和電子化存儲，輔助巡檢人員查看歷史巡檢數據。

通過穿戴式紅外熱成像智能終端的虛擬成像顯示（雙目AR 眼鏡模組），可以看到如圖11的主界面，主界面包含了上述功能。

圖11 穿戴式紅外熱成像智能終端的顯示主界面

穿戴式紅外熱成像智能終端的功能實現方法，如圖12所示：攝像頭模組包含兩個攝像頭與麥克風及紅外熱成像模組，通過USB、MIPI信號和模擬信號與控制主板模組相連，實現圖像采集與音頻采集；喇叭模組包含左右兩個喇叭，通過音頻信號與控制主板模組相連，實現左右聲道音頻輸出；虛擬成像顯示（雙目AR眼鏡模組）包含兩個近目顯示屏，通過LVDS/HMDI 信號與控制主板模組相連，實現圖像近目顯示功能；手電筒模組包含一組LED 白光燈，控制主板通過高低電平信號控制手電筒模組的點亮及熄滅；按鍵模組包含5個按鍵，通過高低電平信號與控制主板模組相連，實現開關電源、拍照和錄像、手電筒開關、求救指令、返回指令等功能；電池模組包含電池及電量檢測功能，通過4個LED 燈顯示剩余電量，4 燈亮表示100% 電量，1 燈亮表示低于20% 電量，可以通過按鍵模組的按鍵，在不開機的情況下，輕觸按鍵查看電量剩余電量情況，電池用于給模組供電。安全帽開機后，可以通過語音指令控制功能的實現，例如拍照、錄像、緊急呼叫、視頻播放、增強現實展示等功能。

圖12 穿戴式紅外熱成像智能終端的功能實現方法關系

3.2 穿戴式紅外熱成像智能終端實物

穿戴式紅外熱成像智能終端成品圖，如圖13所示。

圖13 穿戴式紅外熱成像智能終端實物

4 穿戴式紅外熱成像智能終端應用

為檢驗穿戴式紅外熱成像智能終端的實用性，在玉溪供電局110 kV 研和變10 kV 州城Ⅱ回、110 kV 洛河變10 kV 洛河鄉線、110 kV 大營街變10 kV 師棋線線路及設備的巡檢作業中使用新研制的穿戴式紅外熱成像智能終端。統計了2021年7月至12月采用穿戴式紅外熱成像智能終端的巡視結果與2020年7月至12月采用傳統作業方法進行效能對比分析，結果如表1所示。

表1 穿戴式紅外熱成像智能終端應用效果對比統計

經過統計分析，110 kV 研和變10 kV 州城Ⅱ回、110 kV 洛河變10 kV 洛河鄉線、110 kV大營街變10 kV 師棋線線路及設備的巡檢作業中使用新研制的穿戴式紅外熱成像智能終端，統計線路的平均巡檢用時均全面下降，平均每次（每個巡檢周期）下降3.5～5.0 h，最大下降幅度為41.67%，說明經過對電子化作業設備與工器具的高度整合大幅度提升了整個巡檢過程的效率。其次，由于穿戴式紅外熱成像智能終端具備與生產系統進行信息交互的功能，可遠程上傳現場圖片（隱患、缺陷及其他圖片），編輯巡檢記錄，因此完成巡檢作業的同時也能完成隱患、缺陷的上報和巡視記錄的閉環工作，從而與傳統作業方式相比節約了2.5～4.0 h 的巡視記錄整理時間。同時，新設備的應用不僅提升的配網巡檢的作業效率，也提升了發現問題的能力，根據統計，與傳統作業方式相比，采用新研制的穿戴式紅外熱成像智能終端發現隱患（缺陷）的能力最多同比提升300%，極大提升了配網巡檢作業效能。

5 結束語

以提升玉溪供電局配網巡檢作業效能為目標，通過分析配網巡檢作業的內容、方式、設備需求等內容，研究了如何減輕巡檢人員作業負擔、提升作業效率和發現問題的能力。研究成果“穿戴式紅外熱成像智能終端”投入實際試用后，縮短了巡檢用時，提升了發現問題的能力，切實將設備故障遏制在搖籃之中，為電網設備的安全穩定運行保駕護航。