基于ARM的無線頭盔系統電路設計

毛俊+倪斌+吳曉軍

摘 要：無線頭盔系統通過在移動作業人員的佩戴的頭盔上安裝定位裝置和數據采集裝置，實現在采集信息的同時對作業人員移動位置和路徑的跟蹤、同時也可以輔助作業人員識別并確定正確的作業位置。在室外空曠的場地，GPS定位系統已經實現了較高的定位精度。在室內或地下空間，由于電磁波不能有效傳輸，目前還沒有功能較好的定位方式。本文針對變電站、電力、礦山的地下空間環境條件，提出了一種輕便的低功耗的無線頭盔系統方案，實現了較高精度的定位和數據采集，同時建立了一個可靠的無線通信和定位系統。通過現場測試和實際應用，表明本文方案具有較穩定的性能，定位精度高、功耗低，可為復雜環境下的人員定位提供一種較為可靠的作業輔助、跟蹤和定位手段。

關鍵詞：無線通信；頭盔；定位；低功耗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.123

1 無線定位技術發展概況

可穿戴的信息采集系統可以提供一個高效的人與外界環境之間進行信息交流的平臺，一般具有信息采集、傳輸、處理等基礎功能，可輔助穿戴設備的人員收集、分析和處理信息，在軍事和工業應用中具有非常廣泛的應用前景。可穿戴的信息采集系統的研究工作是近年的熱點之一，可穿戴手表、服裝、頭盔等是研究重點之一。所有的課穿戴設備均包含了較為先進的微電子、計算機、結構材料等眾多前沿科學的技術成果。

在電力、礦山等行業，作業人員經常深入到地下封閉空間、強電場或具有復雜結構的構筑物內部完成作業任務。需要監視和處理的數據量較多，同時也與外界通信和聯絡渠道受到限制。所以有必要研制一種輔助電力或礦業工人在進行作業的安全頭盔系統，幫助作業人員采集、分析和處理大量的環境信息，必要時發出提示信息；安全頭盔系統同時也是一套功能齊全的通信和定位裝置，可以被設計為外部人員監視作業人員移動路徑、作業狀態，與作業人員進行搞笑通信聯絡的工具。本文將詳細介紹一種為實現上述需求設計的無線頭盔系統的硬件方案，在方案在必要的軟件系統的支持下為復雜環境下的作業提供了極大便利。

2 無線頭盔硬件系統設計

2.1 硬件系統的基本組成和功能

所有個單元固定在一個特殊設計的PCB電路板上并布置在頭盔頂部。無線頭盔系統通過一個標稱電壓為5.6V的電池組供電，容量3AH，可以持續工作8小時以上。

無線頭盔系統包括電源系統和CPU單元，此外配置了紅外溫度測量系統，可通過紅外測溫原理測量目標設備位置的溫度并自動記錄；環境溫度檢測單元，可以監視和測量環境溫度的變化；氧氣傳感器單元，用于測量和監視環境中氧氣含量的變化，從而在環境氧氣不足時提醒作業人員注意并采取必要的保護措施；加速度傳感器單元，用于檢測作業人員可能出現的劇烈的非正常運動（碰撞、跌倒等）；報警單元，用戶在檢測到系統出現異常是發出報警提示。

2.2 CPU單元設計

無線頭盔系統采用ARM7系列芯片 STM32F103CBT6作為主要的運算處理單元；CPU核心系統的電路如圖2所示。STM32系列芯片具有較低的功耗，支持超低功耗工作模式，同時在片上集成了豐富的外部設備接口單元，如SPI，I2C和通用串行接口等，非常適合無線頭盔的應用需求，有利于降低設備擴展的復雜度，降低設備重量和功耗。在CPU系統基本的時鐘、電源系統基礎上，CPU單元通過串口連接了外部的WIFI通信單元、通過模擬通道直接測量外部的溫度和氧氣含量，通過I2C接口連接紅外溫度傳感器和數字加速度傳感器。從而將系統各個部分的模擬和數字信號轉換并存儲在CPU單元中，為實現定位和參數測量建立了必要的技術基礎。

2.3 紅外溫度測量單元設計

無線頭盔系統通過MLX90614傳感器實現非接觸測溫功能。MLX90614 是一種無接觸式的紅外線溫度感應芯片. 內部整合了紅外熱電堆感應器和信號調節芯片。 MLX90614使用了先進的低噪音放大器，可以實現高精度的溫度測量。MLX90614具有SMBus 和 PWM 兩種數字輸出方式，本文采用了SMBus接口和ARM系統連接， MLX90614 可測量 -20…120 ?C 溫度范圍，可以達到0.01?C的解析度，滿足絕大多數的測溫需求。

為了便于指示和調節測溫點，和傳感器同方向布置了一個激光二極管。用于指示當前的測溫位置。激光二極管的開關受單片機系統通過一個場效應管Q2控制。

2.4 環境溫度測量回路

在無線頭盔系統中集成了環境溫度的測量功能，通過集成的NTC溫度傳感器實現。NTC溫度傳感器屬于熱敏電阻型溫度傳感器，其電阻值隨著溫度上升而下降。環境溫度傳感器電路，RT1選用高精度金屬膜電阻，以保證較高的測量精度。

2.5 WIFI 通信和定位單元

在無線頭盔系統中遠程通信和無線定位功能是非常關鍵的。主要通過集成WIFI無線通信單元實現。在本文的設計方案中WIFI 通信和定位單元選用USR-C322模塊，該模塊是為實現嵌入式系統的無線網絡通訊應用而設計的低功耗802.11 b/g/n模塊。通過該模塊，客戶可以將物理設備連接到WiFi網絡上，從而實現物聯網的控制與管理USR-C322無線模塊，該模塊支持UART- WIFI（串口--無線網）通信，內置TCP/IP 協議棧，能夠實現用戶串口、無線網（WIFI）2個接口之間的轉換。通過USR-C322模塊，CPU單元可非常方便地實現數據的網絡傳輸。

CPU單元可通過串口操作和控制WIFI通信模塊，也可以通過串口獲取WIFI通信模塊的參數和外部網絡的狀態，對于實現WIFI較為重要的是，可以通過AT指令wifi_Scan獲取外部無線通信連接點的位置和信號強度，對于實現定位具有非常重要的作用。

WIFI通信和定位單元的硬件電路如圖5所示。WIFI無線單元集成度非常高，除了模塊供電、復位等基本電路外，主要通過兩個串口連接到CPU單元中。為了保證模塊具有穩定的性能和較強的抗干擾能力，在WIFI外圍電路設計和布局時需要注意采取適當的隔離和抗干擾措施，圖中與電源引腳連接的電感和電容都具有高頻隔離和去耦作用。

2.6 三維運動測量單元設計

在作業人員穿戴頭盔進行行駛過程中，測量頭盔的三維運動具有如下作用：

（1）識別用戶特殊的頭部動作，作為輸入控制采集和測量的控制輸入手段。例如連續點頭或偏頭等動作可以和某些測量監視行為關聯；

（2）識別用戶的異常行為，例如跌倒、碰撞等，對人身安全進行監視。

（3）作為輔助定位措施，提高定位的精度。

在本文設計的無線頭盔中，集成了一款超低功耗的3軸加速度傳感器ADXL345；ADXL345具有13位的分辨率，測量范圍可達± 16g，非常適合移動設備應用。ADXL345的低功耗模式支持基于運動的智能電源管理，從而以極低的功耗進行閾值感測和運動加速度測量。ADXL345既可在傾斜檢測應用中測量靜態的重力加速度，也可被用于測量運動或沖擊導致的動態加速度，最高分辨率（3.9mg/LSB），在傾斜角度變化小于1.0°時仍可輸出信號。ADXL345還支持多種特殊的檢測功能：

1）活動和非活動檢測功能，主要通過比較任意軸上的加速度與用戶預先設置的閾值來檢測有無運動發生并發出信號。

2）敲擊檢測功能，通過檢測任意測量方向上出現的具有一定間隔的單振和雙振動作，輸出動作觸發信號。

3）自由落體檢測功能，用于檢測物體是否處于自由下落狀態。

ADXL345輸出數字信號，輸出數據為16位二進制補碼格式，支持CPU單元通過SPI（3/4線）或I2C數字接口訪問傳感器。本文設計的無線頭盔系統通過I2C接口連接ARM系統的CPU單元和加速度傳感器。

2.7 組合定位單元

為了實現地表面定位和地下運行過程中的輔助定位；無線頭盔定位系統采用了組合導航定位單元IG-500N。IG-500N時一種體積小、重量輕的帶有GPS輔助定位的姿態航向參考系統，內部設計有嵌入式的擴展卡爾曼濾波器，即使在高速動態條件下仍能夠提供較為準確度姿態和方位測量精度。

IG-500N主要包括3個功能部分，即：基于微機電系統（MEMS）的慣性測量單元（IMU）、GPS接收器和壓力傳感器。能夠在非常長的時間范圍內提供準確的姿態信息和位置信息。計算方向、位置和速度信息的刷新頻率可以達到100 Hz。

IG-500N主要通過串行接口連接到ARM系統的CPU單元。

2.8 氧氣傳感單元

氧氣傳感器選用KE-25型傳感器，該傳感器由鉛陽極、鍍金陰極及特定的酸液組成，其測量的基本原理為：氧分子通過不滲水的樹脂薄膜進入電化學電池在金電極發生還原反應，在兩電極間的電流同被測混合氣中的氧氣濃度成正比，輸出電壓信號通過溫度補償后可與氧氣濃度成比例。該類型的傳感器成本低，信號輸出穩定，不需要外部供電或加熱，使用非常方便。輸出信號連接到ARM單元的AD采樣通道，經過模數轉換后得到實際的氧氣濃度。

2.9 聲音提示單元設計

在所設計的無線頭盔中，集成了一個聲音提示單元，該單元通過一個場效應管Q1控制蜂鳴器，二極管D1主要起續流和保護作用，避免關斷時出現反向高電壓。

在程序控制作用下，聲音提示單元可以用作到達預定作業位置、環境或作業行為異常的提示。

3 系統集成和測試

根據本文提出的硬件設計方案，制作了玩整的無線頭盔頭系統。在KEIL環境下利用C語言編寫參數采集、測量、控制和通信處理程序，根據文獻[9，10]的算法編寫基于WIFI的無線通信定位程序。設計了配套的安全頭盔結構，制作了玩整的樣機。電子系統及傳感器總重量380g（含電池）。

經過在敞開式變電站、封閉式變電間、地下室等地方的連續測試，表明本文提供的方案具有較強的適應性。在容量3AH的電池組的支持下，可以持續工作8小時，具有顯著的節能效果。在地下和地表均具有人員定位功能。

4 結語

結合電站、礦井和礦山安全作業和巡檢的需求，本文提出了一種針對現有頭盔的改進設計方案。頭盔系統集成了紅外測溫、氧氣濃度測量、三維加速度測量等傳感器，支持GPS、慣性和電羅經組合定位，具有無線通信功能。現場實際使用效果良好，基本滿足作業需求。由于傳感器和電路工藝限制，現有的測量監視系統重量380g，略微偏重，可以在批量制造前繼續優化。根據現場需求，在無線頭盔方案中擴展視頻圖像采集、紅外圖像的采集和自動分析具有較強的實用價值，均可作為進一步改進設計和繼續發展的方向。

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