穿戴式智能巡检终端的研究与应用

许志松，张楠川，张贵鹏，鲍小锋，聂鼎，罗贵平，周帅，崔勇

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650011；2.云南电网有限责任公司玉溪供电局，云南 昆明 653100；3.云南电网有限责任公司，云南 昆明 650011）

0 前言

聚焦配网巡检痛点，主要是作业内容繁杂，需携带的通讯工具、巡视终端、红外热成像检测仪、工器具等设备种类及数量多，作业内容极易漏项，操作过程繁琐，作业效率低等。拟研制一种基于穿戴式的红外热成像智能巡检终端，该设备将集通讯工具、巡视终端、红外热成像检测仪等电子化作业工具于一体，最大限度提升作业人员的作业能力，新研制设备将具备虚拟成像显示（AR 显示）、红外热成像测温、语音识别、视频通话、拍照、录像、短视频、配电巡视测温检测、红外热成像故障识别、手电筒、激光校准定位、电量显示等功能，实现最大程度的智能巡检作业。

1 终端功能设计

基于红外热成像测温技术的穿戴式智能终端，硬件电子电路设计主要包含以下几个部分：电池电源管理模组、无线通信及数据处理智能模组、红外热成像测温传感器模组、双目可见光摄像头模组、电量显示模组、双麦克风及双喇叭模组及近目虚拟成像显示模组，如图1终端硬件组成框架图所示。

图1 终端硬件组成框架

1.1 电池电源管理模组设计

终端采用的电池是聚合物纯钴高压可充锂电池，额定电压3.80 V，满电状态电压4.35 V；电池容量5200 mAh。该模组主要为无线通信及数据处理智能模组提供稳定电源。电源电压输入范围为3.55～4.4 V，推荐值为3.8 V。电源的性能，比如负载能力、纹波的大小等，都会直接影响模块的性能和稳定性。极限情况下，模块耗流可能达到3 A 的瞬时峰值,若供电能力不足则会导致输出电压下降，如果输出电压在3.1 V 以下，会造成模块掉电关机，如图2所示。

图2 电源电压下降示例

为保证电源电压不会下降到3.1 V 以下，在靠近模块电源输入端，设计并联一个低ESR(ESR=0.7Q) 的100 μF 钽电容，以及100 nF、33 pF(0603 封装)和10 pF(0603 封装)滤波电容，并且电源的PCB 走线尽量短且足够宽，以减小电源走线的等效阻抗，确保在最大发射功率时大电流下不会产生太大的电压下降。为抑制电源波动冲击,确保输出电源的稳定，在电源前端加了一个额定功率在0.5 W 以上的TVS 管，并靠近模块的电源输入端摆放，以起到浪涌防护的作用。

1.2 无线通信及数据处理智能模组设计

无线通信及数据处理智能模组，根据目前的软硬件平台资源以及开源程度，采用产业链较为成熟的高通625 模组方案，基于开源的安卓系统平台，开发出适合电力系统应用的微型智能系统。该智能模组是一款基于高通平台、工业级高性能、可运行安卓操作系统的4G 智能模块。无线通信及数据处理智能模组技术优势在于高通基带技术成熟，众多品牌的安卓智能手机都于基于此基带开发，产业链成熟，实现容易。

通过采用该智能模组方案设计（如图3所示），能胜任实现智能巡检终端的音频功能、视频功能、图像视频采集功能、通信功能、成像显示功能等需求。

图3 智能模组功能框图

1.3 红外热成像测温传感器模组设计

智能巡检终端红外热成像测温模组是基于陶瓷封装非制冷氧化钒红外探测器开发的一款高性能红外热成像测温模组。该模组分辨率：384×288；测温范围：-20℃～+400℃；测温精度：±3℃/ 量程的±3%。该模组与智能模组的通信方式是高速USB 总线通信。通过使用红外热成像测温传感器模组，并在无线通信及数据处理智能模组嵌入红外成像算法和温度识别算法，可以实现最大值/最小值及中心点温度实时在屏幕显示；红外热成像拍照（带温度显示），并能上传到管理平台；红外热成像实时录像（带温度显示）；支持红外热成像及可见光成像同屏预览显示。

红外热成像测温传感器模组及其接口电路设计如图4，通过采用ESD 抗静电管ESDBL5V0Y 和抗EMI 干扰芯片SDCW2012-2-900 方案设计，实现红外热成像测温传感器模组与无线通信及数据处理智能模组通信，稳定可靠。

图4 红外热成像测温传感器模组及其接口电路

1.4 双目可见光摄像头模组设计

该模组采用双可见光摄像头设计，其中一个是主摄头，采用Sony 的传感器，1300万像素，分辨率4160×3120，主要负责清晰拍照和录像，支持快速自动对焦，视频支持1280×720(720P)/30 帧；另一个是副摄像头，采用OV 的传感器，500 万像素，分辨率2592×1944，主要负责辅助拍摄。该模组与智能模组的通信方式是两路高速CSIMIPI 总线通信。

双目可见光摄像头模组接口电路设计如图5，通过采用ESD 抗静电管ESDBL5V0Y 和抗EMI 干扰芯片ICMEF112P900MFR 方案设计，实现双目可见光摄像头模组与无线通信及数据处理智能模组通信，稳定可靠。

图5 双目可见光摄像头模组接口电路

1.5 近目虚拟成像显示模组设计

本设备采用近目虚拟成像显示方案，技术参数为：分辨率1024×768；亮度1000 cd/m2；显示面积0.39 英寸；成像尺寸77 英寸@3 m；视觉：双目显示；视场角：36°。该模组与智能模组的通信方式是高速LVDS 和HDMI 总线通信。近目虚拟成像显示模组的结构件如图6。

图6 近目虚拟成像显示模组的结构件

相关接口电路设计如图7，通过采用抗EMI干扰芯片ICMEF112P900MFR 方案设计，实现近目虚拟成像显示模组与无线通信及数据处理智能模组通信，稳定可靠。

图7 近目虚拟成像显示模组接口电路

1.6 声控人机交互系统设计

声控人机交换系统以本方案的软硬件平台为基础，结合4G 以及互联网端的“云计算”技术，开发出适合本方案的人机交互系统，考虑到电力设备应用环境的复杂性，拟考虑按键触控技术做备份方案，确保系统正常运行和控制。

声控人机交互技术优势在于可以通过语音控制实现安卓系统的基本操作，配合电网的工作流软件语音控制优化，可以解放双手，大大提高一线员工的作业效率。语音人机交互系统核心就是语音识别技术，所以如何实现声音的语音识别是关键，从信道传输理论来看语音识别，工作原理如图8所示。

图8 语音识别基本原理图

2 终端结构设计

穿戴式红外热成像智能终端的结构，结构布局图如图9所示。

图9 穿戴式红外热成像智能终端的结构布局图

穿戴式红外热成像智能终端采用分体式结构设计，其分体设备如图10，可以通过螺丝方便附加安装在现有的安全帽主体的两边，既安全又方便维护；同时兼顾前后左右的重量平衡，前后与左右偏重不超过10%，穿戴舒适；电池安装在安全帽主体外侧，电池与人员头部之间有安全帽本体阻隔保护安全。

图10 穿戴式红外热成像智能终端的分体设备

智能终端的左侧，安装有手电筒模组、电池模组及电量显示模组；右侧安装有摄像头模组、红外热成像模组和控制主板模组；左右两侧通过后面的电源线和数据线相连；前面是近目虚拟成像显示模组（即双目AR 眼镜），采用上下翻盖式设计，在不需要显示的时候，支持向上牵起，不遮挡前面视线，满足不同的作业场景；操作功能按键，用来手动操作实现各种功能用，一共5个，包括开/关机、激光按键、SOS 紧急求救按键、手电筒按键和拍照/ 录像键等，分布在左右两侧。

在穿戴式红外热成像智能终端的安全帽主体右侧，包含摄像头模组和红外热成像模组的旋转支臂通过旋转轴和安全帽主体相连，旋转支臂可以绕旋转轴转动。在穿戴式红外热成像智能终端固定的情况下，支持垂直方向不小于40 度的任意角度调整，满足长时间向下拍摄无需低头的要求。同时，摄像头模组和红外热成像模组的位置与工作人员的视线平齐，所拍摄和所看到的画面与佩戴者所视一致。

3 终端功能实现

3.1 穿戴式红外热成像智能终端实现的功能

1）虚拟成像显示（AR 显示）

采用近目虚拟成像显示模组实现智能终端裸眼显示功能，佩戴者可通过虚拟成像显示模组查看系统显示。

2）红外热成像测温

采用红外热成像技术进行电力设备测温，并通过AR 显示展示问题分布图及测温温度。

3）语音识别

智能终端采用语音指令控制，用户可使用语音指令完成智能终端相关的功能操作。

4）视频通话

智能终端可与后台或手机APP 实现实时的音视频通话功能，包括接收来至后台的通话请求，以及主动呼叫后台。

5）拍照

通过语音指令或按键触发拍照功能，并上传到服务器。

6）录像

采用本地高清录像，录像保存在智能终端存储卡中，可通过连接电脑获取智能终端的高清录像视频文件。

7）短视频

提供短时间的视频录制和上传功能，可录制一段较短时间的标清视频并上传到后台服务器。

8）辅助功能

辅助功能包括手电筒、激光校准定位、电量显示等功能。

9）配电巡视测温检测

基于红外热成像测温技术，实现配电巡视测温检测，根据待测温设备的最佳检测位置及温度与设备运行状态的关联关系，检测设备实际运行温度及运行状态。

10）红外热成像故障识别

基于红外热成像测温技术及电力设备识别系统，对设备进行测温检测以及设备温度与故障的分析。

11）智能巡检

实现红外热成像电子化智能巡检，通过智能终端对巡检数据进行采集和电子化存储，辅助巡检人员查看历史巡检数据。

通过穿戴式红外热成像智能终端的虚拟成像显示（双目AR 眼镜模组），可以看到如图11的主界面，主界面包含了上述功能。

图11 穿戴式红外热成像智能终端的显示主界面

穿戴式红外热成像智能终端的功能实现方法，如图12所示：摄像头模组包含两个摄像头与麦克风及红外热成像模组，通过USB、MIPI信号和模拟信号与控制主板模组相连，实现图像采集与音频采集；喇叭模组包含左右两个喇叭，通过音频信号与控制主板模组相连，实现左右声道音频输出；虚拟成像显示（双目AR眼镜模组）包含两个近目显示屏，通过LVDS/HMDI 信号与控制主板模组相连，实现图像近目显示功能；手电筒模组包含一组LED 白光灯，控制主板通过高低电平信号控制手电筒模组的点亮及熄灭；按键模组包含5个按键，通过高低电平信号与控制主板模组相连，实现开关电源、拍照和录像、手电筒开关、求救指令、返回指令等功能；电池模组包含电池及电量检测功能，通过4个LED 灯显示剩余电量，4 灯亮表示100% 电量，1 灯亮表示低于20% 电量，可以通过按键模组的按键，在不开机的情况下，轻触按键查看电量剩余电量情况，电池用于给模组供电。安全帽开机后，可以通过语音指令控制功能的实现，例如拍照、录像、紧急呼叫、视频播放、增强现实展示等功能。

图12 穿戴式红外热成像智能终端的功能实现方法关系

3.2 穿戴式红外热成像智能终端实物

穿戴式红外热成像智能终端成品图，如图13所示。

图13 穿戴式红外热成像智能终端实物

4 穿戴式红外热成像智能终端应用

为检验穿戴式红外热成像智能终端的实用性，在玉溪供电局110 kV 研和变10 kV 州城Ⅱ回、110 kV 洛河变10 kV 洛河乡线、110 kV 大营街变10 kV 师棋线线路及设备的巡检作业中使用新研制的穿戴式红外热成像智能终端。统计了2021年7月至12月采用穿戴式红外热成像智能终端的巡视结果与2020年7月至12月采用传统作业方法进行效能对比分析，结果如表1所示。

表1 穿戴式红外热成像智能终端应用效果对比统计

经过统计分析，110 kV 研和变10 kV 州城Ⅱ回、110 kV 洛河变10 kV 洛河乡线、110 kV大营街变10 kV 师棋线线路及设备的巡检作业中使用新研制的穿戴式红外热成像智能终端，统计线路的平均巡检用时均全面下降，平均每次（每个巡检周期）下降3.5～5.0 h，最大下降幅度为41.67%，说明经过对电子化作业设备与工器具的高度整合大幅度提升了整个巡检过程的效率。其次，由于穿戴式红外热成像智能终端具备与生产系统进行信息交互的功能，可远程上传现场图片（隐患、缺陷及其他图片），编辑巡检记录，因此完成巡检作业的同时也能完成隐患、缺陷的上报和巡视记录的闭环工作，从而与传统作业方式相比节约了2.5～4.0 h 的巡视记录整理时间。同时，新设备的应用不仅提升的配网巡检的作业效率，也提升了发现问题的能力，根据统计，与传统作业方式相比，采用新研制的穿戴式红外热成像智能终端发现隐患（缺陷）的能力最多同比提升300%，极大提升了配网巡检作业效能。

5 结束语

以提升玉溪供电局配网巡检作业效能为目标，通过分析配网巡检作业的内容、方式、设备需求等内容，研究了如何减轻巡检人员作业负担、提升作业效率和发现问题的能力。研究成果“穿戴式红外热成像智能终端”投入实际试用后，缩短了巡检用时，提升了发现问题的能力，切实将设备故障遏制在摇篮之中，为电网设备的安全稳定运行保驾护航。