中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室　劉　磊　李新娥

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基于運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)的加速度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室劉磊李新娥

【摘要】針對現(xiàn)有物流運(yùn)輸過程中的監(jiān)測系統(tǒng)對監(jiān)測環(huán)境參數(shù)信號(hào)響應(yīng)速度慢、動(dòng)態(tài)特性不足以及易受干擾導(dǎo)致誤觸發(fā)或不觸發(fā)等問題，綜合運(yùn)用運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)和紅外通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)的加速度監(jiān)測系統(tǒng)。通過運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)電路，可根據(jù)被測物品的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，將被測物品的沖擊振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)。實(shí)際測試結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)通過運(yùn)動(dòng)感知能夠準(zhǔn)確觸發(fā)，適于物流運(yùn)輸過程中沖擊振動(dòng)加速度參數(shù)的監(jiān)測。

【關(guān)鍵詞】監(jiān)測系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)；加速度；運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

0　引言

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

1　整體方案設(shè)計(jì)

基于運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)來改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對加速度的有效監(jiān)測[4,5]。

系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)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(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊（Flash存儲(chǔ)器）、控制模塊（430單片機(jī)）、聲光報(bào)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(shí)采集振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)判斷被測物品的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)被測物品靜止時(shí)，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)被測物品運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)模塊激活系統(tǒng)，使系統(tǒng)自動(dòng)切換至工作狀態(tài)，完成對沖擊加速度的監(jiān)測與存儲(chǔ)等功能。

2　系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)

2.1運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)模塊

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)的關(guān)鍵是對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)判斷以及系統(tǒng)的休眠與喚醒，因此運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)器件的選擇和電路設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常工作的重要環(huán)節(jié)。運(yùn)動(dòng)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(zhì)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(dòng)加速度計(jì)，它的測量模式電流為23uA，待機(jī)模式電流為0.1uA，可測量程為±2g，分辨率達(dá)到3.9mg/LSB，可以滿足在低功耗模式下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)感知功能，同時(shí)ADXL345三軸數(shù)字振動(dòng)加速度計(jì)體積微小，大小為3mm×5mm× 1mm，非常適合安裝在系統(tǒng)面板上?；诖嗽O(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)模塊如圖1所示。

圖1　運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)電路

該運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)電路中ADXL345芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測被測物品的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，單片機(jī)通過I2C通信接口（引腳13 SDA1和引腳14 SCL1）對ADXL345進(jìn)行振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集，當(dāng)任一方向的振動(dòng)加速度超過設(shè)定閾值0.1g（可編程設(shè)定）時(shí)都將產(chǎn)生中斷信號(hào)L_INT1，此時(shí)管腳11 INT1輸出高電平，單片機(jī)接收到此中斷信號(hào)將從休眠模式喚醒，進(jìn)入適時(shí)采集模式，完成沖擊加速度的采集與存儲(chǔ)，從而實(shí)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(jì)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(diǎn)，

可測量程可達(dá)到±100g，大小僅為3mm×3mm×1mm?；诖思铀俣扔?jì)的傳感模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　加速度監(jiān)測電路

當(dāng)被測物品處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，此時(shí)H3LIS331DL處于低功耗模式，耗電為10uA。當(dāng)被測物品從靜止轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)模塊將系統(tǒng)喚醒進(jìn)入適時(shí)采集模式，此時(shí)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(jī)通過I2C通信接口（引腳4 SCL2和引腳6 SDA2）對H3LIS331DL進(jìn)行沖擊加速度數(shù)據(jù)采集，當(dāng)任一方向的加速度超過設(shè)定閾值0.8g（可編程設(shè)定）時(shí)都將產(chǎn)生中斷信號(hào)H_INT1，此時(shí)管腳11 INT1輸出高電平，單片機(jī)接收到此中斷信號(hào)將觸發(fā)聲光報(bào)警模塊，提醒管理人員此時(shí)被測物品的沖擊加速度過大，需要及時(shí)處理。

3　測試驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)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(chǔ)汽車的三維沖擊振動(dòng)加速度變化情況來加以分析，實(shí)際測量結(jié)果如圖4所示。

圖4　實(shí)測汽車三維沖擊振動(dòng)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(dòng)加速度變化情況，其中，X方向?yàn)槠囁较蚯靶旭偡较?，Y方向?yàn)槠囁较蚯白笥覔u擺方向，Z方向?yàn)槠嚧怪钡孛娣较?。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(jìn)軌跡為由靜止?fàn)顟B(tài)持續(xù)加速到勻速行駛狀態(tài)，后減速至靜止?fàn)顟B(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(dòng)幅度很小。

4　結(jié)束語

基于運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)的加速度監(jiān)測系統(tǒng)綜合運(yùn)用了運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)和紅外通信技術(shù)，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)性能好，測試效率高。試驗(yàn)結(jié)果表明，可高質(zhì)量完成基于運(yùn)動(dòng)感知觸發(fā)下對加速度的采集、存儲(chǔ)和監(jiān)測。因此，該系統(tǒng)在物流運(yùn)輸監(jiān)控領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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劉磊（1990—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，研究方向：動(dòng)態(tài)測試與智能儀器。

作者簡介：