倾斜角度监测装置和系统论文和设计

全文摘要

本申请涉及一种倾斜角度监测装置和系统，包括：加速度传感器，用于在发生倾斜位移时产生加速度数据；处理单元，用于在接收到所述加速度数据时从低功耗状态唤醒，并根据所述加速度数据计算出倾斜角度；数据传输单元，用于在接收到所述倾斜角度时从省电模式进入发射状态，并将所述倾斜角度上传到云端服务器。该倾斜角度监测装置能够对长时间保持固定状态的外置灯杆、线杆等设施进行监测，采用加速度传感器进行检测，可以确保检测结果的准确度较高；处理单元和数据传输单元大部分时间处于低功耗的休眠状态，只有在加速度传感器产生动作后才会被触发，因而功耗低、成本低，同时还能够保证及时将状态信息上传。

主设计要求

1.一种倾斜角度监测装置，其特征在于，包括：加速度传感器，用于在发生倾斜位移时产生加速度数据；处理单元，用于在接收到所述加速度数据时从低功耗状态唤醒，并根据所述加速度数据计算出倾斜角度；数据传输单元，用于在接收到所述倾斜角度时从省电模式进入发射状态，并将所述倾斜角度上传到云端服务器。

设计方案

1.一种倾斜角度监测装置，其特征在于，包括：

加速度传感器，用于在发生倾斜位移时产生加速度数据；

处理单元，用于在接收到所述加速度数据时从低功耗状态唤醒，并根据所述加速度数据计算出倾斜角度；

数据传输单元，用于在接收到所述倾斜角度时从省电模式进入发射状态，并将所述倾斜角度上传到云端服务器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加速度传感器为三轴加速度传感器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述三轴加速度传感器采用三轴陀螺仪和三轴加速度计组合而成。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述三轴加速度传感器的一个传感方向与重力方向垂直设置，一个传感方向与重力方向平行设置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：所述数据传输单元为物联网通信模块。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述物联网通信模块为NB-IoT模组；

在未接收到所述处理单元发送的数据时，所述NB-IoT模组处于省电模式。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述处理单元还用于：

将计算出倾斜角度与预设的报警阈值进行比较；

如果所述倾斜角度大于报警阈值，则将所述倾斜角度发送给所述数据传输单元。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据传输单元还用于：

获取位置信息；

将所述位置信息与所述倾斜角度一同上传到云端服务器。

9.一种监测系统，其特征在于：包括权利要求1-8所述的倾斜角度监测装置。

设计说明书

技术领域

本申请涉及物联网传感器技术领域，具体涉及一种倾斜角度监测装置。

背景技术

随着城市化进程的进一步加快，市政公用设施建设发展迅速。市政、电力、通信等部门有大量市政设备、资产需要管理。其中各种线杆成为了不可忽视的一项。大量在外线杆由于缺乏有效的实时监控管理手段，出现了了大量的线杆倒伏造成人员财产损失的情况，同时大量的损坏线杆也因无法及时获知而得不到及时修复，这样不仅影响了相关设备的正常工作，造成巨大的直接或间接经济损失，而且倒伏后仍继续工作的线杆，或者倾斜的线杆悬而未决，都给和谐社会安全造成了极大负面影响。

倾斜监测终端是用来监测路灯杆、电线杆、外置广告牌匾、基站塔等设施状态的，当监测的设施出现倾倒情况时，倾斜监测终端会将倒伏信息告知管理者。现有的倾斜监测终端普遍都是采用陀螺仪作为检测倾斜的传感器，采用3G\/GPRS等通讯方式将信息上传至基站再下发到管理者手机或电脑端。

相关技术中，陀螺仪(角速率传感器)以机械系统部件为主，体积大，笨重，不耐冲击，且本身无法产生电信号，陀螺仪测角速度的是惯性原理，在短时间内比较准确而长时间则会因为漂移而产生误差，所以陀螺仪适用于短时间、动态情况的姿态变化。在通讯方式方面，目前存在的倾斜监测终端大多以GPRS\/3G\/CDMA等通讯，此类通讯方式所依托的模组功耗高，对电池的要求较大，并且3G模组成本高，价格昂贵，且后续所产生运营商的服务费用高。

三轴加速度计可以测横滚、俯仰的，其特点是体积小巧，精度高，可直接输出信号。并且加速度计是测量线性加速度的，其原理是利用力平衡原理，加速度计在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，会产生误差。

实用新型内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种倾斜角度监测装置和系统。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种倾斜角度监测装置，包括：

加速度传感器，用于在发生倾斜位移时产生加速度数据；

处理单元，用于在接收到所述加速度数据时从低功耗状态唤醒，并根据所述加速度数据计算出倾斜角度；

数据传输单元，用于在接收到所述倾斜角度时从省电模式进入发射状态，并将所述倾斜角度上传到云端服务器。

进一步地，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。

进一步地，所述三轴加速度传感器采用三轴陀螺仪和三轴加速度计组合而成。

进一步地，所述三轴加速度传感器的一个传感方向与重力方向垂直设置，一个传感方向与重力方向平行设置。

进一步地，所述数据传输单元为物联网通信模块。

进一步地，所述物联网通信模块为NB-IoT模组；

在未接收到所述处理单元发送的数据时，所述NB-IoT模组处于省电模式。

进一步地，所述处理单元还用于：

将计算出倾斜角度与预设的报警阈值进行比较；

如果所述倾斜角度大于报警阈值，则将所述倾斜角度发送给所述数据传输单元。

进一步地，所述数据传输单元还用于：

获取位置信息；

将所述位置信息与所述倾斜角度一同上传到云端服务器。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种倾斜角度监测系统，包括：

如上所述的任意一种倾斜角度监测装置；

云端服务器，用于接收所述数据传输单元上传的倾斜角度，并按照预设的报警方式发出报警信息。

进一步地，所述云端服务器还用于：

接收所述数据传输单元上传的位置信息，并根据位置信息在地图上的对应位置显示异常图标。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

该倾斜角度监测装置能够对长时间保持固定状态的外置灯杆、线杆等设施进行监测，采用加速度传感器进行检测，可以确保检测结果的准确度较高；处理单元和数据传输单元大部分时间处于低功耗的休眠状态，只有在加速度传感器产生动作后才会被触发，因而功耗低、成本低，同时还能够保证及时将状态信息上传。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种倾斜角度监测装置的电路框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和系统的例子。

图1是根据一示例性实施例示出的一种倾斜角度监测装置，包括：

加速度传感器，用于在发生倾斜位移时产生加速度数据；

处理单元，用于在接收到所述加速度数据时从低功耗状态唤醒，并根据所述加速度数据计算出倾斜角度；

数据传输单元，用于在接收到所述倾斜角度时从省电模式进入发射状态，并将所述倾斜角度上传到云端服务器。

一些实施例中，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。

一些实施例中，所述三轴加速度传感器采用三轴陀螺仪和三轴加速度计组合而成。

一些实施例中，所述三轴加速度传感器的一个传感方向与重力方向垂直设置，一个传感方向与重力方向平行设置。

目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且分辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集成较少，且大多数只是提供模拟量输出。就传感器的发展情况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小型化及产品精度等指标方面较领先，如模电为倾角传感器。就网络查询反馈看，产品主要集中在欧美几家大公司，在国内普遍应用较广的有如芬兰的VTI公司，德国的西门子公司、英国的CLino公司、美国的CrossBow Technology公司等。就国内外产品种而言，其数量较少，但从数字化、小型化、精度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值。如LS系列产品分辨率可达1.8，英国Clino公司SP系列产品高度只有22mm，特殊的可达16mm，可用于一些特殊场合。CrossBow公司CXTA、美国数字公司A2产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连。同时在查阅的过程中可以看出，加速度传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也得到广泛的应用。

通过对倾角监测的环境和应用范畴考虑，选择VTI SCA3000三轴加速度传感器。VTI三轴加速度传感器是基于VTI的3D-MEMS电容传感器技术的高精度三轴数字加速度传感器。SCA3000由三个高精度微电机加速度传感元件和一个灵活的SPI数字接口组成。传感器的双排引脚封装保证在SCA3000整个生命周期安全可靠的工作。

VTISCA3000三轴加速度传感器在整个设计、生产和测试阶段都是以高稳定性、高可靠性、高质量来要求，它的目标市场是汽车应用。这个三轴加速度传感器在工作范围内具有极期稳定的输出(包括全温区、湿度和机械噪声环境下)。

更加清楚地解释本专利，对加速度传感器测量倾角的原理进行说明。需要说明的是，下面介绍的计算过程均为现有技术，本申请不涉及对计算程序的改进。

对于一轴加速度传感器而言，当它的传感方向和重力加速度方向一致时，假如此时为零倾斜角度，设加速度传感器测量结果为F(θ)，θ为倾斜角度，g为重力加速度。

F(θ)＝g cosθ (1)

对F(θ)求导得：

所以当倾斜角θ太小时，测量的分辨率就会太小，当角度足够大时精度才会上升。所以对一轴倾斜角传感器的运用是：把它的传感方向与重力加速度方向垂直时的状态设为零倾斜角度。运用此方法测量倾斜角的原理是：

F(θ)＝g sinθ (4)

当θ→0时：

此时倾斜角度小时测量精度高，而对于一轴加速度传感器而言，只能测一个方向的倾斜角。所以用一个两轴加速度传感器，两个传感方向皆垂直于重力加速度，当两轴倾斜角倾斜时，加速度传感器测量结果为：

F(θ_{x<\/sub>)＝gsinθ_x<\/sub>(6)}

F(θ_{y<\/sub>)＝gsinθ_y<\/sub>(7)}

如何利用θ_{x<\/sub>和θ_{y<\/sub>求出倾斜角θ。首先定义两组三轴向量：[x，y，z]为参考0倾斜向量，[u，v，r]为倾斜后的向量。设向量[z，y，z]先绕y轴倾斜θ_{x<\/sub>′，再绕x轴倾斜θ_{y<\/sub>′，所以从[x，y，z]到[u，v，r]的转换为：}}}}

计算得到：

设x、y为水平方向，z为垂直方向。(x，y，z)＝(0，0，1)于是便有：

v＝sinθ_{y<\/sub>′cosθ_{x<\/sub>′(11)}}

r＝cosθ_{x<\/sub>′cosθ_{y<\/sub>′(12)}}

此时u＝kF(θ_{x<\/sub>)＝kg sinθ _{x<\/sub>，v＝kF(θ_{y<\/sub>)＝kgsinθ_{y<\/sub>，所以：}}}}

θ_{x<\/sub>＝θ_{x<\/sub>′ (13)}}

sinθ_{v<\/sub>＝sinθ_{v<\/sub>′cosθ_{x<\/sub>′ (14)}}}

而传感器实际倾斜角为：

所以只要得出两轴加速度传感器测量结果F(θ_{x<\/sub>)和F(θ_{y<\/sub>)就可以计算出θ_{x<\/sub>和θ_{y<\/sub>，进而知道总的倾斜度。}}}}

同一轴传感器，两轴传感器测量精度有限，当θ_{x<\/sub>或θ_{y<\/sub>越接近±π\/2时，分辨率越低。只有在倾斜角度接近0时分辨率最高。利用两轴加速度传感器的这种测量方法可以实现全方位倾斜测量。}}

为实现高精度全摆幅倾斜测量就必须把两轴加速度传感器垂直放置，一个传感方向与重力方向垂直，一个传感方向与重力方向平行。运用此方法测量倾斜角。加速度传感器测量结果为：

F(θ_{x<\/sub>)＝g cosθ _x<\/sub>(16)}

F(θ_{y<\/sub>)＝gsinθ_y<\/sub>(17)}

此时θ为单方向上全摆幅、高精度倾斜角度。运用两轴加速度传感器无法解决倾斜角测量中全方位和全摆幅不能共同实现的矛盾。所以为测量一个全方位、全摆幅的倾斜角就必须使用三轴加速度计。

运用三轴加速度计测量倾斜角就必须把测量范围分为两档，一档为倾斜角为-π\/4～π\/4，二档为倾斜角为(-π\/2～-π\/4)&(π\/4～π\/2)。当倾斜角度在-π\/4～π\/4之间时，设计图

倾斜角度监测装置和系统论文和设计

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