基于ARM的无线头盔系统电路设计

摘 要：无线头盔系统通过在移动作业人员的佩戴的头盔上安装定位装置和数据采集装置，实现在采集信息的同时对作业人员移动位置和路径的跟踪、同时也可以辅助作业人员识别并确定正确的作业位置。在室外空旷的场地，GPS定位系统已经实现了较高的定位精度。在室内或地下空间，由于电磁波不能有效传输，目前还没有功能较好的定位方式。本文针对变电站、电力、矿山的地下空间环境条件，提出了一种轻便的低功耗的无线头盔系统方案，实现了较高精度的定位和数据采集，同时建立了一个可靠的无线通信和定位系统。通过现场测试和实际应用，表明本文方案具有较稳定的性能，定位精度高、功耗低，可为复杂环境下的人员定位提供一种较为可靠的作业辅助、跟踪和定位手段。

关键词：无线通信；头盔；定位；低功耗

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.123

1 无线定位技术发展概况

可穿戴的信息采集系统可以提供一个高效的人与外界环境之间进行信息交流的平台，一般具有信息采集、传输、处理等基础功能，可辅助穿戴设备的人员收集、分析和处理信息，在军事和工业应用中具有非常广泛的应用前景。可穿戴的信息采集系y的研究工作是近年的热点之一，可穿戴手表、服装、头盔等是研究重点之一。所有的课穿戴设备均包含了较为先进的微电子、计算机、结构材料等众多前沿科学的技术成果。

在电力、矿山等行业，作业人员经常深入到地下封闭空间、强电场或具有复杂结构的构筑物内部完成作业任务。需要监视和处理的数据量较多，同时也与外界通信和联络渠道受到限制。所以有必要研制一种辅助电力或矿业工人在进行作业的安全头盔系统，帮助作业人员采集、分析和处理大量的环境信息，必要时发出提示信息；安全头盔系统同时也是一套功能齐全的通信和定位装置，可以被设计为外部人员监视作业人员移动路径、作业状态，与作业人员进行搞笑通信联络的工具。本文将详细介绍一种为实现上述需求设计的无线头盔系统的硬件方案，在方案在必要的软件系统的支持下为复杂环境下的作业提供了极大便利。

2 无线头盔硬件系统设计

2.1 硬件系统的基本组成和功能

所有个单元固定在一个特殊设计的PCB电路板上并布置在头盔顶部。无线头盔系统通过一个标称电压为5.6V的电池组供电，容量3AH，可以持续工作8小时以上。

无线头盔系统包括电源系统和CPU单元，此外配置了红外温度测量系统，可通过红外测温原理测量目标设备位置的温度并自动记录；环境温度检测单元，可以监视和测量环境温度的变化；氧气传感器单元，用于测量和监视环境中氧气含量的变化，从而在环境氧气不足时提醒作业人员注意并采取必要的保护措施；加速度传感器单元，用于检测作业人员可能出现的剧烈的非正常运动（碰撞、跌倒等）；报警单元，用户在检测到系统出现异常是发出报警提示。

2.2 CPU单元设计

无线头盔系统采用ARM7系列芯片 STM32F103CBT6作为主要的运算处理单元；CPU核心系统的电路如图2所示。STM32系列芯片具有较低的功耗，支持超低功耗工作模式，同时在片上集成了丰富的外部设备接口单元，如SPI，I2C和通用串行接口等，非常适合无线头盔的应用需求，有利于降低设备扩展的复杂度，降低设备重量和功耗。在CPU系统基本的时钟、电源系统基础上，CPU单元通过串口连接了外部的WIFI通信单元、通过模拟通道直接测量外部的温度和氧气含量，通过I2C接口连接红外温度传感器和数字加速度传感器。从而将系统各个部分的模拟和数字信号转换并存储在CPU单元中，为实现定位和参数测量建立了必要的技术基础。

2.3 红外温度测量单元设计

无线头盔系统通过MLX90614传感器实现非接触测温功能。MLX90614 是一种无接触式的红外线温度感应芯片. 内部整合了红外热电堆感应器和信号调节芯片。 MLX90614使用了先进的低噪音放大器，可以实现高精度的温度测量。MLX90614具有SMBus 和 PWM 两种数字输出方式，本文采用了SMBus接口和ARM系统连接， MLX90614 可测量 -20…120 ?C 温度范围，可以达到0.01?C的解析度，满足绝大多数的测温需求。

为了便于指示和调节测温点，和传感器同方向布置了一个激光二极管。用于指示当前的测温位置。激光二极管的开关受单片机系统通过一个场效应管Q2控制。

2.4 环境温度测量回路

在无线头盔系统中集成了环境温度的测量功能，通过集成的NTC温度传感器实现。NTC温度传感器属于热敏电阻型温度传感器，其电阻值随着温度上升而下降。环境温度传感器电路，RT1选用高精度金属膜电阻，以保证较高的测量精度。

2.5 WIFI 通信和定位单元

在无线头盔系统中远程通信和无线定位功能是非常关键的。主要通过集成WIFI无线通信单元实现。在本文的设计方案中WIFI 通信和定位单元选用USR-C322模块，该模块是为实现嵌入式系统的无线网络通讯应用而设计的低功耗802.11 b/g/n模块。通过该模块，客户可以将物理设备连接到WiFi网络上，从而实现物联网的控制与管理USR-C322无线模块，该模块支持UART- WIFI（串口--无线网）通信，内置TCP/IP 协议栈，能够实现用户串口、无线网（WIFI）2个接口之间的转换。通过USR-C322模块，CPU单元可非常方便地实现数据的网络传输。

CPU单元可通过串口操作和控制WIFI通信模块，也可以通过串口获取WIFI通信模块的参数和外部网络的状态，对于实现WIFI较为重要的是，可以通过AT指令wifi_Scan获取外部无线通信连接点的位置和信号强度，对于实现定位具有非常重要的作用。

WIFI通信和定位单元的硬件电路如图5所示。WIFI无线单元集成度非常高，除了模块供电、复位等基本电路外，主要通过两个串口连接到CPU单元中。为了保证模块具有稳定的性能和较强的抗干扰能力，在WIFI电路设计和布局时需要注意采取适当的隔离和抗干扰措施，图中与电源引脚连接的电感和电容都具有高频隔离和去耦作用。

2.6 三维运动测量单元设计

在作业人员穿戴头盔进行行驶过程中，测量头盔的三维运动具有如下作用：

（1）识别用户特殊的头部动作，作为输入控制采集和测量的控制输入手段。例如连续点头或偏头等动作可以和某些测量监视行为关联；

（2）识别用户的异常行为，例如跌倒、碰撞等，对人身安全进行监视。

（3）作为辅助定位措施，提高定位的精度。

在本文设计的无线头盔中，集成了一款超低功耗的3轴加速度传感器ADXL345；ADXL345具有13位的分辨率，测量范围可达± 16g，非常适合移动设备应用。ADXL345的低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。ADXL345既可在倾斜检测应用中测量静态的重力加速度，也可被用于测量运动或冲击导致的动态加速度，最高分辨率（3.9mg/LSB），在倾斜角度变化小于1.0°时仍可输出信号。ADXL345还支持多种特殊的检测功能：

1）活动和非活动检测功能，主要通过比较任意轴上的加速度与用户预先设置的阈值来检测有无运动发生并发出信号。

2）敲击检测功能，通过检测任意测量方向上出现的具有一定g隔的单振和双振动作，输出动作触发信号。

3）自由落体检测功能，用于检测物体是否处于自由下落状态。

ADXL345输出数字信号，输出数据为16位二进制补码格式，支持CPU单元通过SPI（3/4线）或I2C数字接口访问传感器。本文设计的无线头盔系统通过I2C接口连接ARM系统的CPU单元和加速度传感器。

2.7 组合定位单元

为了实现地表面定位和地下运行过程中的辅助定位；无线头盔定位系统采用了组合导航定位单元IG-500N。IG-500N时一种体积小、重量轻的带有GPS辅助定位的姿态航向参考系统，内部设计有嵌入式的扩展卡尔曼滤波器，即使在高速动态条件下仍能够提供较为准确度姿态和方位测量精度。

IG-500N主要包括3个功能部分，即：基于微机电系统（MEMS）的惯性测量单元（IMU）、GPS接收器和压力传感器。能够在非常长的时间范围内提供准确的姿态信息和位置信息。计算方向、位置和速度信息的刷新频率可以达到100 Hz。

IG-500N主要通过串行接口连接到ARM系统的CPU单元。

2.8 氧气传感单元

氧气传感器选用KE-25型传感器，该传感器由铅阳极、镀金阴极及特定的酸液组成，其测量的基本原理为：氧分子通过不渗水的树脂薄膜进入电化学电池在金电极发生还原反应，在两电极间的电流同被测混合气中的氧气浓度成正比，输出电压信号通过温度补偿后可与氧气浓度成比例。该类型的传感器成本低，信号输出稳定，不需要外部供电或加热，使用非常方便。输出信号连接到ARM单元的AD采样通道，经过模数转换后得到实际的氧气浓度。

2.9 声音提示单元设计

在所设计的无线头盔中，集成了一个声音提示单元，该单元通过一个场效应管Q1控制蜂鸣器，二极管D1主要起续流和保护作用，避免关断时出现反向高电压。

在程序控制作用下，声音提示单元可以用作到达预定作业位置、环境或作业行为异常的提示。

3 系统集成和测试

根据本文提出的硬件设计方案，制作了玩整的无线头盔头系统。在KEIL环境下利用C语言编写参数采集、测量、控制和通信处理程序，根据文献[9，10]的算法编写基于WIFI的无线通信定位程序。设计了配套的安全头盔结构，制作了玩整的样机。电子系统及传感器总重量380g（含电池）。

经过在敞开式变电站、封闭式变电间、地下室等地方的连续测试，表明本文提供的方案具有较强的适应性。在容量3AH的电池组的支持下，可以持续工作8小时，具有显著的节能效果。在地下和地表均具有人员定位功能。

4 结语

结合电站、矿井和矿山安全作业和巡检的需求，本文提出了一种针对现有头盔的改进设计方案。头盔系统集成了红外测温、氧气浓度测量、三维加速度测量等传感器，支持GPS、惯性和电罗经组合定位，具有无线通信功能。现场实际使用效果良好，基本满足作业需求。由于传感器和电路工艺限制，现有的测量监视系统重量380g，略微偏重，可以在批量制造前继续优化。根据现场需求，在无线头盔方案中扩展视频图像采集、红外图像的采集和自动分析具有较强的实用价值，均可作为进一步改进设计和继续发展的方向。

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