基于低功耗蓝牙 4.0 技术的安全预警系统设计

引 言

近年来，由于电力行业对于现场巡检需求的不断增加， 巡检人员的安全受到了越来越多的重视。巡检地点多采用警示牌或者警示标语的方式提醒巡检人员勿误入危险区域， 这种预警方式在实际使用中往往效果不佳，容易产生安全隐患。高压电线杆的安全区域半径为 1 ～ 1.5 m，由于人眼估算距离的误差较大，巡检人员往往会误入安全区域，从而对人身造成一定伤害。因此，设计一种基于物联网技术的近距离无线预警设备，并将其应用于电力巡检现场非常重要。

蓝牙技术是由爱立信公司引领并联合诺基亚、英特尔、IBM、东芝发起成立的蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）所制定的一项完全开放的短距离无线通信技术标准。截止 2018 年底，蓝牙共发展出了 10 个版本， 其中低功耗是一项革命性蓝牙技术功能，低功耗蓝牙最大的特点是超低的运行功耗和待机功耗，一粒纽扣电池可供蓝牙低功耗设备连续工作数年 ；理论上，低功耗蓝牙支持主设备连接无限个从设备，传输距离可达 50 ～ 60 m。

针对电力系统存在的巡检风险，本文设计了一种基于低功耗蓝牙 4.0 技术的巡检预警系统。系统由附着在危险物表面的预警标签和内置于巡检人员安全帽中的语音提示器组成，当巡检人员靠近危险标志物安全范围边界时，语音提示器通过主动读取预警标签向巡检人员发出相应语音提示，以达到保护巡检人员的目的。

1 安全预警系统总体设计

基于低功耗蓝牙技术的预警系统由有源预警标签和便携式报警器组成。有源预警标签作为从设备，附着在危险标志物表面，采用纽扣电池供电 ；便携式报警器作为主设备，安装在安全帽内的空隙间，采用 4.8 V 充电电池作为移动工作电源，工作时间达 3 小时以上，便携式报警器最多支持 99 条报警提示语音的播放，用户只需将提示语音的 WAV 格式文件按照预先设定好的顺序存放入 SD 卡即可。系统例图如图 1 所示。

当便携式报警器中的蓝牙接收模块接收到规定的安全半径区域内（1 m 和 1.5 m）的有源标签发送的报警数据时，会根据接收到报警数据的类型读取 SD 卡中相应的音频文件， 并通过外放喇叭循环播放该报警提示语音。主站每次只能连接一个从站，有多个从站进入主站扫描范围时，通过从站的功耗大小以及主站的灵敏度选择连接的从站。

2 预警系统的硬件结构

为满足系统低功耗、便携等要求，采用德州仪器公司开发的 CC2451 芯片作为系统的无线蓝牙模块。该芯片具备6mm×6 mm 方形扁平无引脚封装、出色链路预算及更低的RF流耗等优点，且集成有 2.4 GHz 射频发射器，可有效缩小物理尺寸、降低开发成本。CC2451 的低功耗参数见表 1 所列。

安全预警系统模块包括低功耗 CC2451 芯片、电源模块、天线模块以及晶振模块。系统最小控制电路如图 2 所示。

2.1 预警标签的硬件设计

预警标签由 CC2541 芯片、LED 指示灯、纽扣电池以及8位拨码开关组成。其中纽扣电池采用 C2032的 3V电池，8 位拨码开关以 8421 码（前 4 位代表十位，后 4 位代表个位）作为预警标签的内容。预警标签结构如图 3 所示。

图 3 预警标签硬件结构

2.2 便携式报警器的硬件设计

便携式报警器由 CC2541 低功耗蓝牙芯片、LED 指示灯、3.6 V 充电锂电池、串口语音播放模块以及外放喇叭组成。其中，串口语音播放模块通过 TTL 串口电平与 CC2541 进行串口通信，该模块支持 MP3 和 WAV 格式的音频文件，外放喇叭采用 3 W/8 Ω 的喇叭以确保音效。便携式报警器结构如图 4 所示。

图 4 便携式报警器结构

3 预警系统的软件流程

预警标签和语音提示器的通信流程如下 ：

(1)预警标签开启广播模式 ；

(2)便携式报警器扫描广播的预警标签 ；

(3)当预警标签接收到便携式报警器的扫描请求后，便携式报警器发送扫描回应数据 ；

(4)便携式报警器发起链接，开始通信 ；

(5)便携式报警器向预警标签发送读取预警语音类型的命令请求，预警标签向语音提示器返回 8位拨码器所设置的预警语音类型 ；

(6)便携式报警器将预警语音类型通过串口命令发送给串口语音播放模块，并通过查询语音播放模块的 BUSY引脚等待预警语音播放完毕 ；

(7)当监测到 BUSY引脚拉低之后，便携式报警器主动断开当前蓝牙通信过程，重新寻找预警标签的广播信息，而当便携式报警器主动断开连接之后，预警标签被动断开连接， 并重新开启广播模式。

3.1 预警标签的软件流程

预警标签作为低功耗蓝牙的从站，负责向进入蓝牙射频范围内的便携式报警器广播信息，同时被动开始和退出通信。预警标签的软件流程如图 5 所示。

预警流程步骤如下 ：

(1)预警标签通过读取 8位拨码开关的数据来确定不同预警标签的警示语 ；

(2)进入广播模式等待主站扫描 ；

(3)接收到扫描请求时，向主站返回回应数据，同时等待主站请求连接 ；

(4)连接建立后，等待接收主站读取预警语音类型的命令请求 ；

(5)接收主站请求后，向主站返回 8位拨码器所设置的预警语音类型 ；

(6)断开当前连接并进入广播模式等待下一次主站扫描。

3.2 便携式报警器的软件流程

便携式报警器作为低功耗蓝牙的主站，负责扫描广播的预警标签，同时向扫描到的预警标签主动发起通信链接，当完成读取预警标签参数和播放预警语音提示工作之后，主动断开蓝牙通信链接，并重新进入扫描状态。便携式报警器的软件流程如图 6 所示。

内置于安全帽的便携式报警器首次使用需要初始化语音播放模块，其工作流程如下 ：

(1)巡检使用时，主站先进入扫描模式寻找进入范围的预警标签 ；

(20扫描到预警标签的广播后向其发送读取参数的命令 ；

(3)接收到从站返回的参数信息时，重复 2次向语音播放模块发出播放命令 ；

(4)语音播放完成后断开与从站的链接，进入下一次扫描。

主站每次只能链接一个从站，当主站同时扫描到多个从站广播信息时，主站自动根据其接收到的从站灵敏度选择预警标签进行链接。

4 结 语

本文针对电力系统现场巡检安全隐患，提出了一种基于蓝牙 4.0 技术的低功耗安全预警系统，系统由附着在危险标志物表面的有源预警标签及放置在安全帽内的便携式报警器组成。该系统能有效减少对巡检人员的人身伤害，具有一定的实用价值。