基于低功耗藍(lán)牙 4.0 技術(shù)的安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

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(diǎn)多采用警示牌或者警示標(biāo)語的方式提醒巡檢人員勿誤入危險區(qū)域， 這種預(yù)警方式在實(shí)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(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的近距離無線預(yù)警設(shè)備，并將其應(yīng)用于電力巡檢現(xiàn)場非常重要。

藍(lán)牙技術(shù)是由愛立信公司引領(lǐng)并聯(lián)合諾基亞、英特爾、IBM、東芝發(fā)起成立的藍(lán)牙技術(shù)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。截止 2018 年底，藍(lán)牙共發(fā)展出了 10 個版本， 其中低功耗是一項革命性藍(lán)牙技術(shù)功能，低功耗藍(lán)牙最大的特點(diǎn)是超低的運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗，一粒紐扣電池可供藍(lán)牙低功耗設(shè)備連續(xù)工作數(shù)年 ；理論上，低功耗藍(lán)牙支持主設(shè)備連接無限個從設(shè)備，傳輸距離可達(dá) 50 ～ 60 m。

針對電力系統(tǒng)存在的巡檢風(fēng)險，本文設(shè)計了一種基于低功耗藍(lán)牙 4.0 技術(shù)的巡檢預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)由附著在危險物表面的預(yù)警標(biāo)簽和內(nèi)置于巡檢人員安全帽中的語音提示器組成，當(dāng)巡檢人員靠近危險標(biāo)志物安全范圍邊界時，語音提示器通過主動讀取預(yù)警標(biāo)簽向巡檢人員發(fā)出相應(yīng)語音提示，以達(dá)到保護(hù)巡檢人員的目的。

1 安全預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計

基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)的預(yù)警系統(tǒng)由有源預(yù)警標(biāo)簽和便攜式報警器組成。有源預(yù)警標(biāo)簽作為從設(shè)備，附著在危險標(biāo)志物表面，采用紐扣電池供電 ；便攜式報警器作為主設(shè)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(dá) 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(yù)先設(shè)定好的順序存放入 SD 卡即可。系統(tǒng)例圖如圖 1 所示。

當(dāng)便攜式報警器中的藍(lán)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(biāo)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(yīng)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(jìn)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(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

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(lán)牙模塊。該芯片具備6mm×6 mm 方形扁平無引腳封裝、出色鏈路預(yù)算及更低的RF流耗等優(yōu)點(diǎn)，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(yù)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(yù)警標(biāo)簽的硬件設(shè)計

預(yù)警標(biāo)簽由 CC2541 芯片、LED 指示燈、紐扣電池以及8位撥碼開關(guān)組成。其中紐扣電池采用 C2032的 3V電池，8 位撥碼開關(guān)以 8421 碼（前 4 位代表十位，后 4 位代表個位）作為預(yù)警標(biāo)簽的內(nèi)容。預(yù)警標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖 3 預(yù)警標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)

2.2 便攜式報警器的硬件設(shè)計

便攜式報警器由 CC2541 低功耗藍(lán)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(jìn)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(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

圖 4 便攜式報警器結(jié)構(gòu)

3 預(yù)警系統(tǒng)的軟件流程

預(yù)警標(biāo)簽和語音提示器的通信流程如下 ：

(1)預(yù)警標(biāo)簽開啟廣播模式 ；

(2)便攜式報警器掃描廣播的預(yù)警標(biāo)簽 ；

(3)當(dāng)預(yù)警標(biāo)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(yīng)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(yù)警標(biāo)簽發(fā)送讀取預(yù)警語音類型的命令請求，預(yù)警標(biāo)簽向語音提示器返回 8位撥碼器所設(shè)置的預(yù)警語音類型 ；

(6)便攜式報警器將預(yù)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(yù)警語音播放完畢 ；

(7)當(dāng)監(jiān)測到 BUSY引腳拉低之后，便攜式報警器主動斷開當(dāng)前藍(lán)牙通信過程，重新尋找預(yù)警標(biāo)簽的廣播信息，而當(dāng)便攜式報警器主動斷開連接之后，預(yù)警標(biāo)簽被動斷開連接， 并重新開啟廣播模式。

3.1 預(yù)警標(biāo)簽的軟件流程

預(yù)警標(biāo)簽作為低功耗藍(lán)牙的從站，負(fù)責(zé)向進(jìn)入藍(lán)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(yù)警標(biāo)簽的軟件流程如圖 5 所示。

預(yù)警流程步驟如下 ：

(1)預(yù)警標(biāo)簽通過讀取 8位撥碼開關(guān)的數(shù)據(jù)來確定不同預(yù)警標(biāo)簽的警示語 ；

(2)進(jìn)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(yīng)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(yù)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(shè)置的預(yù)警語音類型 ；

(6)斷開當(dāng)前連接并進(jìn)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(lán)牙的主站，負(fù)責(zé)掃描廣播的預(yù)警標(biāo)簽，同時向掃描到的預(yù)警標(biāo)簽主動發(fā)起通信鏈接，當(dāng)完成讀取預(yù)警標(biāo)簽參數(shù)和播放預(yù)警語音提示工作之后，主動斷開藍(lán)牙通信鏈接，并重新進(jìn)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(jìn)入掃描模式尋找進(jìn)入范圍的預(yù)警標(biāo)簽 ；

(20掃描到預(yù)警標(biāo)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(fù) 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(jìn)入下一次掃描。

主站每次只能鏈接一個從站，當(dāng)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(yù)警標(biāo)簽進(jìn)行鏈接。

4 結(jié) 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(lán)牙 4.0 技術(shù)的低功耗安全預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)由附著在危險標(biāo)志物表面的有源預(yù)警標(biāo)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(shí)用價值。