基于可穿戴设备的电力现场作业人员生理指标监测系统

基于可穿戴设备的电力现场作业人员生理指标监测系统

杭斌

（云南电网有限责任公司玉溪供电局云南玉溪653100）

摘要：为提升电网安全作业水平，提出利用智能可穿戴技术，通过采集现场作业人员生理指标，实时监控作业人员工作状态，并利用采集到的现场作业人员生理指标数据构建作业人员健康状况数据库，及时对作业人员健康状况进行评估，从而实现对现场作业人员的健康状况持续评估，达到事前预防，事中控制，事后治理的目的。为切实改进电网作业工作方式，解决作业人员人身安全监护问题，提高作业质量、工作效率及标准化水平提供解决思路。

关键词：现场作业人员；可穿戴系统；生理指标；监测

1引言

随着电网规模的日益扩大，大量新型设备、大型设备的投入使用，使得电网设备安装、运维工作作业复杂程度幅度提高，对电力安全生产也提出了更高的要求。安全生产是电力企业的头等大事，做好风险控制是实现电力安全生产的重要保证。《安全生产风险管理体系》中明确指出，职业健康作为安全生产风险管理中的一项重要内容，应当更加全面和细致的进行管理和监控。本研究结合物联网技术，设计了包括信号处理和核心应用两部分的电力现场作业人员生理指标监测系统，以期能够对作业过程中因现场作业环境因素导致的作业人员血压过高、心率过快等生理变化进行提前预警，减少突发安全事故。同时通过长期采集的实测数据，评估人员在特定环境下的生理适应性，从而实现提前预防，过程中监控，事后分析评估，提升高危作业风险的管控能力。

2系统总体设计

生理指标监测系统系统包括生理指标参数信号处理和核心应用两大部分。其中，信号处理部分利用传感器釆集现场作业人员的血压、心率、呼吸等生理指标，通过无线网络将数据传送给路由器节点和协调器节点，协调器节点通过串口线将数据发送到应用平台，完成对生理指标数据的釆集和传输，实现现场作业人员的生理指标事中动态监测；核心应用部分在采集到的生理指标数据基础上，建立作业人员健康档案数据库（健康数据中心）和健康评估体系，实现作业人员健康状况事前和事后评估。

2.1生理指标数据信号处理

（1）生理指标数据采集

生理指标呼吸、血压和心率信号的采集和传输借鉴了医疗保健中常用于体温、心率、呼吸、脉搏、血压、血氧饱和度和血糖的医疗传感器技术，本研究主要采用压力式和电阻式传感器。其中呼吸信号采用阻抗法进行采集。这是由于人体的胸腔相当于一段容积导体，对于高频电流来说，电阻的变化主要取决于胸部阻抗。随着人体呼吸时胸腔内气体的变化，胸部阻抗也随之变化。所以可以通过检测胸部电压的变化来反映阻抗的变化，从而间接反映出人体呼吸的情况。通常采用胸腹部呼吸运动波形传感器实现胸部阻抗变化的监测，这类传感器具有灵敏度高、体积小、耗电低和适合于佩戴使用等特点，方便电力作业人员使用。心率信号和血压信号的采集采用压电式传感器，根据检测部位，脉血管壁的搏动产生的振荡信号，可以精确得出人体的心率和血压指标。将这些传感器嵌入到相应的可穿戴设备，就可以实现体温、血压和心率等指标的监测。采集后的生理指标数据通过蓝牙传输到近距离的移动智能终端。移动终端做为路由器节点和协调器节点通过GRPS传递到应用平台。其中蓝牙使用跳频技术，通过适配跳频功能，通常每秒跳1600次。将需要传输的数据分成若干个数据包，然后通过蓝牙的信道分别将这些数据包进行传输，瞬时速率可达1Mbit/s以上，能够满足生理指标数据的实时传输。目前市场上有不少品牌的智能腕表均实现了这部分功能，可以直接采用。腕带式人体生命体征监测装置是一种以手环方式佩戴于人体之上的监测装置，具有体温传感、心跳传感、定位以及方向感应等功能。腕带式人体生命体征监测装置内部集成了多种感知传感器，如ECG心电、PPG脉搏等。这些传感器在经过信号调理后将形成相应的电路，从而使腕带式人体生命体征监测装置具备上述功能。通常情况下，一套完善的腕带式人体生命体征监测装置一般具备蓝牙、WiFi等通信模块，以及LCD显示、震动器等功能模块。因此，在传送监测数据后，也可以接收智能移动终端数据，从而通过智能移动终端对作业人员进行预警提示。

（2）生理指标参数传输

可穿戴设备主要是对人体健康指标数据或生理参数的采集，并要保证能够与远端服务器（云服务）的数据交互共享。由于可穿戴设备数据信号传输距离有限，尤其是在采用蓝牙进行数据传输时，传输距离只有10m左右。因此。需要使用智能移动终端（手机或平板电脑）接收所采集到的生理指标信息。再利用智能移动终端的GPRS或CDMA进行远距离传输（传输距离可达100km），从而实现采集数据与远端服务平台的同步。为实现这一功能，需要以嵌入式软件开发架构作为参考依据，以操作系统、设备接口层、数据融合层以及应用层构成移动终端应用软件。其中，操作系统应选取可以进行开发的安卓系统进行设计；设备接口层用主要作用于对众多设备数据进行预处理；数据融合层包括多种融合算法，优化采集数据；应用层主要包含支撑现场作业人员生理指标监测及报警应用的APP。从而实现服务器端将智能移动监测的数据进行同步，同时智能移动终端可将服务器端最新的分析结果进行下载保存到本地等，实现生理指标监控任务。

2.2生理指标监测核心应用

（1）人体生理指标动态监测

作业人员在作业过程中佩戴便捷式生理指标监测仪，通过红外、蓝牙、无限局域网等技术与监护人员手中的智能移动终端连接，监护人员可通过智能移动终端平板电脑实时查看作业人员的血压、心率、体表温度等生理指标，如果作业人员生理指标超出健康标准，则发出警告提示监护人员和作业人员，并语音播报相应建议。智能移动终端监控采集的数据可在条件允许的情况下，通过GPRS/CDMA或wifi将数据导入到健康数据中心，为评估系统提供数据支撑。

（2）作业人员健康档案数据库（健康数据中心）

为作业人员建立一份健康档案数据库，包括生理指标档案，定期体检档案，作业过程生理监控数据等生理指标相关数据。为现场作业安全指导和评估提供基础数据能力。

（3）作业人员健康评估体系

通过长期的作业过程生理监测数据采集，形成作业人员健康评估标准和体系，对选拨作业人员提供参考，对作业人员适应性评估提供基线。

（4）作业人员健康状况评估系统

基于健康档案数据库，通过数据分析得出初步的人员健康评估情况，为电力作业人员提供派工依据。

3技术路线

智能手环和智能移动终端（手机或平板电脑）采用市面上常见的知名品牌。其中，智能移动终端的操作系统选取安卓7.0以上版本系统进行设计。数据交互格式为基于RSS标准的XML信息，智能移动终端和远端服务器对这些信息内容进行加密封装解析等操作过程，采用SAX方法解析，解析速度快、耗用内存小的特点，能满足现场作业人员健康实时监控的需求。后台支持系统与终端设备采用C/S架构设计，后台管理采用B/S架构。后台软件包括数据存储层、数据处理层、基础功能层和业务逻辑层，以及运行和安全管理软件。移动终端需要暂存实时监测数据的数据库采用SQLite。SQLite是一款小型单机数据库，嵌入式等小型设备而出现的，由于它占用所耗的内存非常小，因而当前有许多嵌入式设备都使用SQLite对数据进行存储。并且SQLite支持多种主流操作系统，如Windows、Linux和Unix；同时也支持多种开发语言，如Tcl、C#、PHP、Java等。Android作为目前主流的移动操作系统，完全符合SQLite占用资源少的优势。能满足本项目的设计需求。

结语

该研究切实地改进了电网作业人员工作方式，提高了电网设备安装、检修、巡检作业的工作质量和工作效率及标准化水平，并可以辅助解决作业人员人身安全的监护问题。目前的研究和应用情况充分体现了智能可穿戴技术在电力行业的广阔应用前景，并具有较好的经济效益和社会效益。但是，目前的智能可穿戴技术在电网作业中的应用研究尚处于初级阶段，本系统也只是初步完成了原型设计，还有一些短期内不易解决的问题，如采集参数的准确性等需要持续改进。

参考文献：

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