基于運動感知觸發(fā)的加速度監(jiān)測系統(tǒng)設計

中北大學電子測試技術國家重點試驗室　劉　磊　李新娥

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基于運動感知觸發(fā)的加速度監(jiān)測系統(tǒng)設計

中北大學電子測試技術國家重點試驗室劉磊李新娥

【摘要】針對現(xiàn)有物流運輸過程中的監(jiān)測系統(tǒng)對監(jiān)測環(huán)境參數(shù)信號響應速度慢、動態(tài)特性不足以及易受干擾導致誤觸發(fā)或不觸發(fā)等問題，綜合運用運動感知觸發(fā)技術、數(shù)據(jù)采集與存儲技術和紅外通信技術，設計了一種基于運動感知觸發(fā)的加速度監(jiān)測系統(tǒng)。通過運動感知觸發(fā)電路，可根據(jù)被測物品的運動狀態(tài)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，將被測物品的沖擊振動加速度數(shù)據(jù)進行采集并存儲。實際測試結果表明，該測試系統(tǒng)通過運動感知能夠準確觸發(fā)，適于物流運輸過程中沖擊振動加速度參數(shù)的監(jiān)測。

【關鍵詞】監(jiān)測系統(tǒng)；運動感知觸發(fā)；加速度；運動狀態(tài)

0　引言

隨著近年來物流運輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，運輸品的種類越發(fā)繁多，其對運輸?shù)囊笠苍桨l(fā)嚴格[1]。一方面煙花爆竹、化工原料等危險性物品的運輸量不斷增多，這些危險物品在振動、沖擊作用下極易發(fā)生自燃、爆炸等嚴重安全事故；另一方面，大量物品呈現(xiàn)出高價值、高精密、易損毀等特點，如電子產品、儀器設備等、這類物品在包裝、裝卸、運輸過程中極易發(fā)生損毀、失效等問題，引發(fā)經濟糾紛[2]。為了保障物品在運輸過程中能夠得到有效監(jiān)控與管理，發(fā)生損毀時明確責任歸屬等問題，對物流運輸過程的監(jiān)測必須予以解決，因此本文提出了基于運動感知觸發(fā)的加速度監(jiān)測系統(tǒng)。

1　整體方案設計

基于運動感知[3]觸發(fā)的加速度監(jiān)測系統(tǒng)通過感知被測物品的運動狀態(tài)來改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以實現(xiàn)對加速度的有效監(jiān)測[4,5]。

系統(tǒng)主要由運動感知觸發(fā)模塊、傳感模塊、電源管理模塊、電池電量監(jiān)測模塊、時鐘模塊、存儲模塊（Flash存儲器）、控制模塊（430單片機）、聲光報警模塊和紅外通信模塊組成。系統(tǒng)采用低功耗工作模式，定時采集振動加速度數(shù)據(jù)，并實時判斷被測物品的運動狀態(tài)，當被測物品靜止時，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，當被測物品運動時，通過運動感知觸發(fā)模塊激活系統(tǒng)，使系統(tǒng)自動切換至工作狀態(tài)，完成對沖擊加速度的監(jiān)測與存儲等功能。

2　系統(tǒng)核心設計

2.1運動感知觸發(fā)模塊

實現(xiàn)系統(tǒng)運動感知觸發(fā)的關鍵是對運動狀態(tài)的實時判斷以及系統(tǒng)的休眠與喚醒，因此運動感知觸發(fā)器件的選擇和電路設計是實現(xiàn)系統(tǒng)正常工作的重要環(huán)節(jié)。運動感知觸發(fā)模塊需要選擇合適的傳感器件，根據(jù)系統(tǒng)的工作性質和目的，要求選擇的器件必須體積小、靈敏度高且具有低功耗模式。為此選擇了ADI公司的ADXL345三軸數(shù)字振動加速度計，它的測量模式電流為23uA，待機模式電流為0.1uA，可測量程為±2g，分辨率達到3.9mg/LSB，可以滿足在低功耗模式下系統(tǒng)的運動感知功能，同時ADXL345三軸數(shù)字振動加速度計體積微小，大小為3mm×5mm× 1mm，非常適合安裝在系統(tǒng)面板上。基于此設計的運動感知觸發(fā)模塊如圖1所示。

圖1　運動感知觸發(fā)電路

該運動感知觸發(fā)電路中ADXL345芯片實時監(jiān)測被測物品的運動狀態(tài)，單片機通過I2C通信接口（引腳13 SDA1和引腳14 SCL1）對ADXL345進行振動加速度數(shù)據(jù)采集，當任一方向的振動加速度超過設定閾值0.1g（可編程設定）時都將產生中斷信號L_INT1，此時管腳11 INT1輸出高電平，單片機接收到此中斷信號將從休眠模式喚醒，進入適時采集模式，完成沖擊加速度的采集與存儲，從而實現(xiàn)對加速度的監(jiān)測。

2.2傳感模塊

系統(tǒng)選用ST公司的H3LIS331DL三軸數(shù)字沖擊加速度計作為傳感芯片，完成對加速度的監(jiān)測。H3LIS331DL具有低功耗、微小體積、靈敏度高等特點，

可測量程可達到±100g，大小僅為3mm×3mm×1mm?；诖思铀俣扔嫷膫鞲心K電路設計如圖2所示。

圖2　加速度監(jiān)測電路

當被測物品處于靜止狀態(tài)時，系統(tǒng)進入休眠模式，此時H3LIS331DL處于低功耗模式，耗電為10uA。當被測物品從靜止轉換為運動狀態(tài)時，運動感知觸發(fā)模塊將系統(tǒng)喚醒進入適時采集模式，此時H3LIS331DL處于測量模式，耗電為300uA，采樣頻率為1KHz。在H3LIS331DL測量模式下，單片機通過I2C通信接口（引腳4 SCL2和引腳6 SDA2）對H3LIS331DL進行沖擊加速度數(shù)據(jù)采集，當任一方向的加速度超過設定閾值0.8g（可編程設定）時都將產生中斷信號H_INT1，此時管腳11 INT1輸出高電平，單片機接收到此中斷信號將觸發(fā)聲光報警模塊，提醒管理人員此時被測物品的沖擊加速度過大，需要及時處理。

3　測試驗證及數(shù)據(jù)分析

為了驗證該加速度監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，通過在汽車行駛過程中利用該系統(tǒng)采集存儲汽車的三維沖擊振動加速度變化情況來加以分析，實際測量結果如圖4所示。

圖4　實測汽車三維沖擊振動加速度變化圖

圖4中，（a）、（b）、（c）分別為汽車X方向、Y方向和Z方向的沖擊振動加速度變化情況，其中，X方向為汽車水平向前行駛方向，Y方向為汽車水平向前左右搖擺方向，Z方向為汽車垂直地面方向。從圖中可以清晰看到，汽車在X方向加速度變化明顯，可以推斷出汽車的水平行進軌跡為由靜止狀態(tài)持續(xù)加速到勻速行駛狀態(tài)，后減速至靜止狀態(tài)；而汽車在Y方向和Z方向加速度變化平緩，可以推斷出汽車左右搖擺和上下晃動幅度很小。

4　結束語

基于運動感知觸發(fā)的加速度監(jiān)測系統(tǒng)綜合運用了運動感知觸發(fā)技術、數(shù)據(jù)采集與存儲技術和紅外通信技術，響應速度快，動態(tài)性能好，測試效率高。試驗結果表明，可高質量完成基于運動感知觸發(fā)下對加速度的采集、存儲和監(jiān)測。因此，該系統(tǒng)在物流運輸監(jiān)控領域有很好的應用前景和推廣價值。

參考文獻

[1]馬騰遠.關于實時物流監(jiān)控系統(tǒng)設計技術探討[J].現(xiàn)代電子技術,2007,30(19):38-41.DOI:10.3969/ j.issn.1004-373X.2007.19.013.

[2]婁文忠,郭明儒,祖紹鵬.危險/易損貨物運輸監(jiān)測智能微系統(tǒng)設計[J].安全與環(huán)境學報,2012,(4).

[3]程俊俊, 童馨, 耿衛(wèi)東. 基于運動傳感的感知用戶界面綜述[J].計算機應用,2011,31:104-108.

[4]胡偉, 馮朝輝, 史錦耀,等. 電梯振動加速度監(jiān)測裝置的設計[J].機械與電子,2012,(10):32-35. DOI:10.3969/j.issn.1001-2257.2012.10.008.

[5]趙祥欣.基于三維加速度傳感器的跌倒監(jiān)測研究[D].浙江大學,2008.

劉磊（1990—），男，內蒙古赤峰人，碩士，研究方向：動態(tài)測試與智能儀器。

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