【論文精選】燃?xì)庑孤z測(cè)智能鞋設(shè)計(jì)
原創(chuàng)
薄軍，等
煤氣與熱力雜志
煤氣與熱力雜志
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GAS-HEAT1978
《煤氣與熱力》始于1978年，創(chuàng)刊于1981年，中國(guó)核心期刊，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)燃?xì)夥謺?huì)會(huì)刊。篩選燃?xì)夤嵝袠I(yè)最有價(jià)值的技術(shù)信息，新聞分類(lèi)整理、政策標(biāo)準(zhǔn)、熱點(diǎn)討論、投稿查詢、論文檢索、寫(xiě)作指導(dǎo)、編委風(fēng)采、精品會(huì)議……
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作
者：
薄軍，別祖?zhèn)?/span>
第一作者單位：重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司
摘自《煤氣與熱力》2021年12月刊
可穿戴式智能設(shè)備擁有多年的發(fā)展歷史，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，可穿戴式智能設(shè)備的形態(tài)開(kāi)始變得多樣化，逐漸在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂(lè)、能源等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力
［
1
］
。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了各種具有特定功能的智能耳環(huán)、智能手環(huán)、智能鞋等
［
2
］
。
燃?xì)夤芫W(wǎng)由于其環(huán)境復(fù)雜，為了防止燃?xì)?/span>
泄漏
造成嚴(yán)重的安全事故，通常需要進(jìn)行人工巡檢，通過(guò)檢測(cè)管網(wǎng)上方的氣體環(huán)境判斷有無(wú)燃?xì)庑孤?。目前，由于燃?xì)夤芫W(wǎng)一般埋于地下，巡檢人員在巡檢燃?xì)夤芫W(wǎng)時(shí)，通常需要手持燃?xì)庑孤z測(cè)儀器靠近地面才能準(zhǔn)確檢測(cè)出燃?xì)夤芫W(wǎng)的泄漏情況，操作十分不便。另一方面，現(xiàn)有的燃?xì)庑孤z測(cè)儀器不能儲(chǔ)存檢測(cè)結(jié)果，不便于今后大數(shù)據(jù)分析。
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種使用方便、操作簡(jiǎn)單、采集效率高、數(shù)據(jù)便于保存與分析的可檢測(cè)燃?xì)?/span>
泄漏
的智能鞋。
本文研究的可檢測(cè)燃?xì)庑孤┑闹悄苄?，主要?shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)、泄漏報(bào)警、實(shí)時(shí)定位、無(wú)線傳輸?shù)裙δ堋?/span>
通過(guò)甲烷傳感器采集氣體進(jìn)行分析，當(dāng)甲烷濃度達(dá)到設(shè)定的濃度時(shí)，初步判斷有燃?xì)庑孤瑢⑿畔髦量刂破鳌?/span>
控制器收到燃?xì)庑孤┬盘?hào)后，進(jìn)入報(bào)警系統(tǒng)，觸發(fā)蜂鳴器和
LED
燈，提醒工作人員有燃?xì)庑孤?/span>
通過(guò)
GPS
定位模塊，采集位置信息，同時(shí)結(jié)合
RTC
時(shí)鐘模塊記錄該時(shí)間點(diǎn)該位置的泄漏情況。
通過(guò)無(wú)線通信模塊將電量、甲烷濃度、地理位置、報(bào)警情況等信息傳遞至手持機(jī)并保存。
將燃?xì)?/span>
泄漏檢測(cè)
的各個(gè)功能模塊和鞋子有機(jī)結(jié)合，通過(guò)外觀設(shè)計(jì)，達(dá)到美觀、舒適、安全、智能等效果。智能鞋外觀設(shè)計(jì)見(jiàn)圖
1
，主要分為鞋體和鞋底兩部分。
鞋體：鞋體側(cè)面設(shè)置有甲烷傳感器，前端設(shè)置有
LED
燈。
鞋底：鞋底內(nèi)部嵌入有防爆型控制盒，控制盒內(nèi)設(shè)置有控制器、儲(chǔ)存模塊、
RTC
時(shí)鐘模塊、蜂鳴器、
GPS
定位模塊、無(wú)線通信模塊、電源管理模塊等。智能鞋底部采用多層設(shè)計(jì)見(jiàn)圖
2
。
智能鞋底部采用多層設(shè)計(jì)，從上到下依次設(shè)置有抑菌內(nèi)襯層、導(dǎo)靜電層和金屬薄板。其中金屬薄板的下表面設(shè)置有若干金屬接地板，金屬接地板與金屬薄板配合形成若干隔間，隔間內(nèi)填充有聚氨酯耐磨塊。該設(shè)計(jì)不僅能有效防止靜電危害，而且輕巧耐磨，在保證穿戴舒適性的同時(shí)能有效延長(zhǎng)智能鞋的使用周期。
燃?xì)庑孤z測(cè)智能鞋硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖
3
。
圖
3
硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
控制器采用
TI
公司的
MSP430
單片機(jī)，為
16
位單片機(jī)，采用精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，內(nèi)核指令簡(jiǎn)潔，具有大量的模擬質(zhì)量、處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等特點(diǎn)
［
3
］
。
傳感器模塊采用型號(hào)為
GM-402B
的甲烷傳感器。該傳感器通過(guò)內(nèi)部電導(dǎo)率變化判斷氣體濃度情況，具有尺寸小、功耗低、靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)快、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。
GPS
定位模塊選用
SKG08A
，它具有高敏感性、超低功耗和小尺寸的特點(diǎn)。它使用
nmea
協(xié)議或自定義協(xié)議將位置、速度、時(shí)間等一系列信息通過(guò)串行數(shù)據(jù)記錄。
無(wú)線通信模塊采用
WG219
型號(hào)模塊，它是一款基于
ESP8266
芯片的低功耗、小尺寸
UART-WiFi
透?jìng)髂K，符合
IEEE 802.11b/g/n
無(wú)線模塊標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，滿足大部分的網(wǎng)絡(luò)功能需求。
控制器留有外部接口，通過(guò)該接口與電腦連接，將軟件程序下載到控制器上。
軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用
TI
公司的
CCS6
，包含一整套的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具，支持
TI
公司的微控制器和嵌入式處理器等系列產(chǎn)品。集成了優(yōu)化的
C/C++
編譯器、編譯器、調(diào)試器、描述器以及項(xiàng)目構(gòu)建環(huán)境。
軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖
4
。首先，開(kāi)啟電源管理模塊電源，系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，讀取位置信息和檢測(cè)的甲烷濃度，并將該信息進(jìn)行保存。通過(guò)對(duì)比檢測(cè)值判斷是否有燃?xì)庑孤缬行孤?，發(fā)送報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)蜂鳴器和
LED
燈進(jìn)行鳴叫和亮燈，同時(shí)將泄漏點(diǎn)的
GPS
位置、甲烷濃度、報(bào)警響應(yīng)等信息通過(guò)無(wú)線通信傳輸至手持機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。如未發(fā)現(xiàn)泄漏，繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，電源關(guān)閉，檢測(cè)結(jié)束。
手持機(jī)采用智能手機(jī)。手持機(jī)軟件采用安卓
APP
開(kāi)發(fā)，主要分為登錄界面、實(shí)時(shí)顯示界面和設(shè)置界面。
注冊(cè)、登錄用戶名和密碼及驗(yàn)證，連接數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)與智能鞋無(wú)線通信模塊建立連接。
顯示日期時(shí)間、智能鞋電池電量、無(wú)線信號(hào)狀態(tài)、泄漏點(diǎn)
GPS
位置、甲烷濃度、
LED
燈和蜂鳴器響應(yīng)、歷史報(bào)警數(shù)據(jù)，并提供查詢功能。
對(duì)通信數(shù)據(jù)、登錄權(quán)限、存儲(chǔ)值、報(bào)警設(shè)置等進(jìn)行修改和設(shè)置。
該智能鞋穿著同生活用鞋，直接穿著，但使用中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：嚴(yán)禁鞋體進(jìn)水，盡量避免踩踏水坑；走路過(guò)程對(duì)泄漏檢測(cè)無(wú)影響，但鞋底后部電子元器件集中，盡量避免用力跳躍和踩踏凹凸硬物；保持鞋面清潔，確保甲烷傳感器信號(hào)采集孔不被遮擋，不被污物覆蓋，定期充電保持電量。
燃?xì)庑孤z測(cè)智能鞋將燃?xì)庑孤z測(cè)裝置和鞋進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，基本實(shí)現(xiàn)了燃?xì)庑孤z測(cè)和報(bào)警的功能，便于巡檢人員操作。甲烷濃度和
GPS
定位數(shù)據(jù)可以保存，便于大數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)后期安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管道隱患整治。
目前，該智能鞋舒適性、抗撞擊能力、電量續(xù)航能力、電路集成度有待進(jìn)一步提高，將在今后逐步改進(jìn)。此外，該研究對(duì)其他可穿戴燃?xì)庑孤z測(cè)設(shè)備提供重要參考，包括燃?xì)庑孤z測(cè)安全帽、工作服、手環(huán)等，特別是對(duì)后期成果進(jìn)一步轉(zhuǎn)化提供參考價(jià)值。
［
1
］徐丹，李文宇，張俊霞
.
可穿戴智能設(shè)備領(lǐng)域?qū)＠治觯?/span>
J
］
.
電信網(wǎng)技術(shù)，
2016
（
1
）：
15-20.
［
2
］封順天
.
可穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［
J
］
.
信息通信技術(shù)，
2014
（
3
）：
52-57.
［
3
］沈建華，楊艷琴，翟驍曙
. MSP430
系列
16
位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［
M
］
.
北京：清華大學(xué)出版社，
2006
：
3-25.
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