基于运动感知触发的加速度监测系统设计

中北大学电子测试技术国家重点试验室　刘　磊　李新娥



基于运动感知触发的加速度监测系统设计

中北大学电子测试技术国家重点试验室刘磊李新娥

【摘要】针对现有物流运输过程中的监测系统对监测环境参数信号响应速度慢、动态特性不足以及易受干扰导致误触发或不触发等问题，综合运用运动感知触发技术、数据采集与存储技术和红外通信技术，设计了一种基于运动感知触发的加速度监测系统。通过运动感知触发电路，可根据被测物品的运动状态控制系统的工作状态，将被测物品的冲击振动加速度数据进行采集并存储。实际测试结果表明，该测试系统通过运动感知能够准确触发，适于物流运输过程中冲击振动加速度参数的监测。

【关键词】监测系统；运动感知触发；加速度；运动状态

0　引言

随着近年来物流运输行业的迅猛发展，运输品的种类越发繁多，其对运输的要求也越发严格[1]。一方面烟花爆竹、化工原料等危险性物品的运输量不断增多，这些危险物品在振动、冲击作用下极易发生自燃、爆炸等严重安全事故；另一方面，大量物品呈现出高价值、高精密、易损毁等特点，如电子产品、仪器设备等、这类物品在包装、装卸、运输过程中极易发生损毁、失效等问题，引发经济纠纷[2]。为了保障物品在运输过程中能够得到有效监控与管理，发生损毁时明确责任归属等问题，对物流运输过程的监测必须予以解决，因此本文提出了基于运动感知触发的加速度监测系统。

1　整体方案设计

基于运动感知[3]触发的加速度监测系统通过感知被测物品的运动状态来改变系统的工作状态，以实现对加速度的有效监测[4,5]。

系统主要由运动感知触发模块、传感模块、电源管理模块、电池电量监测模块、时钟模块、存储模块（Flash存储器）、控制模块（430单片机）、声光报警模块和红外通信模块组成。系统采用低功耗工作模式，定时采集振动加速度数据，并实时判断被测物品的运动状态，当被测物品静止时，系统处于休眠状态，当被测物品运动时，通过运动感知触发模块激活系统，使系统自动切换至工作状态，完成对冲击加速度的监测与存储等功能。

2　系统核心设计

2.1运动感知触发模块

实现系统运动感知触发的关键是对运动状态的实时判断以及系统的休眠与唤醒，因此运动感知触发器件的选择和电路设计是实现系统正常工作的重要环节。运动感知触发模块需要选择合适的传感器件，根据系统的工作性质和目的，要求选择的器件必须体积小、灵敏度高且具有低功耗模式。为此选择了ADI公司的ADXL345三轴数字振动加速度计，它的测量模式电流为23uA，待机模式电流为0.1uA，可测量程为±2g，分辨率达到3.9mg/LSB，可以满足在低功耗模式下系统的运动感知功能，同时ADXL345三轴数字振动加速度计体积微小，大小为3mm×5mm× 1mm，非常适合安装在系统面板上。基于此设计的运动感知触发模块如图1所示。

图1　运动感知触发电路

该运动感知触发电路中ADXL345芯片实时监测被测物品的运动状态，单片机通过I2C通信接口（引脚13 SDA1和引脚14 SCL1）对ADXL345进行振动加速度数据采集，当任一方向的振动加速度超过设定阈值0.1g（可编程设定）时都将产生中断信号L_INT1，此时管脚11 INT1输出高电平，单片机接收到此中断信号将从休眠模式唤醒，进入适时采集模式，完成冲击加速度的采集与存储，从而实现对加速度的监测。

2.2传感模块

系统选用ST公司的H3LIS331DL三轴数字冲击加速度计作为传感芯片，完成对加速度的监测。H3LIS331DL具有低功耗、微小体积、灵敏度高等特点，

可测量程可达到±100g，大小仅为3mm×3mm×1mm。基于此加速度计的传感模块电路设计如图2所示。

图2　加速度监测电路

当被测物品处于静止状态时，系统进入休眠模式，此时H3LIS331DL处于低功耗模式，耗电为10uA。当被测物品从静止转换为运动状态时，运动感知触发模块将系统唤醒进入适时采集模式，此时H3LIS331DL处于测量模式，耗电为300uA，采样频率为1KHz。在H3LIS331DL测量模式下，单片机通过I2C通信接口（引脚4 SCL2和引脚6 SDA2）对H3LIS331DL进行冲击加速度数据采集，当任一方向的加速度超过设定阈值0.8g（可编程设定）时都将产生中断信号H_INT1，此时管脚11 INT1输出高电平，单片机接收到此中断信号将触发声光报警模块，提醒管理人员此时被测物品的冲击加速度过大，需要及时处理。

3　测试验证及数据分析

为了验证该加速度监测系统的可行性，通过在汽车行驶过程中利用该系统采集存储汽车的三维冲击振动加速度变化情况来加以分析，实际测量结果如图4所示。

图4　实测汽车三维冲击振动加速度变化图

图4中，（a）、（b）、（c）分别为汽车X方向、Y方向和Z方向的冲击振动加速度变化情况，其中，X方向为汽车水平向前行驶方向，Y方向为汽车水平向前左右摇摆方向，Z方向为汽车垂直地面方向。从图中可以清晰看到，汽车在X方向加速度变化明显，可以推断出汽车的水平行进轨迹为由静止状态持续加速到匀速行驶状态，后减速至静止状态；而汽车在Y方向和Z方向加速度变化平缓，可以推断出汽车左右摇摆和上下晃动幅度很小。

4　结束语

基于运动感知触发的加速度监测系统综合运用了运动感知触发技术、数据采集与存储技术和红外通信技术，响应速度快，动态性能好，测试效率高。试验结果表明，可高质量完成基于运动感知触发下对加速度的采集、存储和监测。因此，该系统在物流运输监控领域有很好的应用前景和推广价值。

参考文献

[1]马腾远.关于实时物流监控系统设计技术探讨[J].现代电子技术,2007,30(19):38-41.DOI:10.3969/ j.issn.1004-373X.2007.19.013.

[2]娄文忠,郭明儒,祖绍鹏.危险/易损货物运输监测智能微系统设计[J].安全与环境学报,2012,(4).

[3]程俊俊, 童馨, 耿卫东. 基于运动传感的感知用户界面综述[J].计算机应用,2011,31:104-108.

[4]胡伟, 冯朝辉, 史锦耀,等. 电梯振动加速度监测装置的设计[J].机械与电子,2012,(10):32-35. DOI:10.3969/j.issn.1001-2257.2012.10.008.

[5]赵祥欣.基于三维加速度传感器的跌倒监测研究[D].浙江大学,2008.

刘磊（1990—），男，内蒙古赤峰人，硕士，研究方向：动态测试与智能仪器。

作者简介：