基于運動感知觸發的加速度監測系統設計

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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基于運動感知觸發的加速度監測系統設計

中北大學電子測試技術國家重點試驗室劉磊李新娥

【摘要】針對現有物流運輸過程中的監測系統對監測環境參數信號響應速度慢、動態特性不足以及易受干擾導致誤觸發或不觸發等問題，綜合運用運動感知觸發技術、數據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的加速度監測系統。通過運動感知觸發電路，可根據被測物品的運動狀態控制系統的工作狀態，將被測物品的沖擊振動加速度數據進行采集并存儲。實際測試結果表明，該測試系統通過運動感知能夠準確觸發，適于物流運輸過程中沖擊振動加速度參數的監測。

【關鍵詞】監測系統；運動感知觸發；加速度；運動狀態

0　引言

隨著近年來物流運輸行業的迅猛發展，運輸品的種類越發繁多，其對運輸的要求也越發嚴格[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、沖擊作用下極易發生自燃、爆炸等嚴重安全事故；另一方面，大量物品呈現出高價值、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、運輸過程中極易發生損毀、失效等問題，引發經濟糾紛[2]。為了保障物品在運輸過程中能夠得到有效監控與管理，發生損毀時明確責任歸屬等問題，對物流運輸過程的監測必須予以解決，因此本文提出了基于運動感知觸發的加速度監測系統。

1　整體方案設計

基于運動感知[3]觸發的加速度監測系統通過感知被測物品的運動狀態來改變系統的工作狀態，以實現對加速度的有效監測[4,5]。

系統主要由運動感知觸發模塊、傳感模塊、電源管理模塊、電池電量監測模塊、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。系統采用低功耗工作模式，定時采集振動加速度數據，并實時判斷被測物品的運動狀態，當被測物品靜止時，系統處于休眠狀態，當被測物品運動時，通過運動感知觸發模塊激活系統，使系統自動切換至工作狀態，完成對沖擊加速度的監測與存儲等功能。

2　系統核心設計

2.1運動感知觸發模塊

實現系統運動感知觸發的關鍵是對運動狀態的實時判斷以及系統的休眠與喚醒，因此運動感知觸發器件的選擇和電路設計是實現系統正常工作的重要環節。運動感知觸發模塊需要選擇合適的傳感器件，根據系統的工作性質和目的，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的運動感知功能，同時ADXL345三軸數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面板上。基于此設計的運動感知觸發模塊如圖1所示。

圖1　運動感知觸發電路

該運動感知觸發電路中ADXL345芯片實時監測被測物品的運動狀態，單片機通過I2C通信接口（引腳13 SDA1和引腳14 SCL1）對ADXL345進行振動加速度數據采集，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，從而實現對加速度的監測。

2.2傳感模塊

系統選用ST公司的H3LIS331DL三軸數字沖擊加速度計作為傳感芯片，完成對加速度的監測。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。基于此加速度計的傳感模塊電路設計如圖2所示。

圖2　加速度監測電路

當被測物品處于靜止狀態時，系統進入休眠模式，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時，運動感知觸發模塊將系統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進行沖擊加速度數據采集，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　測試驗證及數據分析

為了驗證該加速度監測系統的可行性，通過在汽車行駛過程中利用該系統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持續加速到勻速行駛狀態，后減速至靜止狀態；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

基于運動感知觸發的加速度監測系統綜合運用了運動感知觸發技術、數據采集與存儲技術和紅外通信技術，響應速度快，動態性能好，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下對加速度的采集、存儲和監測。因此，該系統在物流運輸監控領域有很好的應用前景和推廣價值。

參考文獻

[1]馬騰遠.關于實時物流監控系統設計技術探討[J].現代電子技術,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/易損貨物運輸監測智能微系統設計[J].安全與環境學報,2012,(4).

[3]程俊俊, 童馨, 耿衛東. 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：動態測試與智能儀器。

作者簡介：