CN104597512A - 一种基于移动通信终端平台的便携式高精度地磁场探测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备包括：三轴磁强计模块、接口切换模块、人机交互模块；三轴磁强计模块完成地磁场的实时测量，并将实时测量得到的数据及三轴磁强计模块姿态数据发送给人机交互模块；接口切换模块实现人机交互模块与三轴磁强计模块、外部电源的连接切换；人机交互模块向三轴磁强计模块发送测量指令及采集三轴磁强计模块的测量数据及姿态信息，并将其转化为被测区域的地磁场真实值，同时将地磁场真实值发送至上级系统供用户判断，并能够接收上级系统或特定用户端的指令，在地磁场真实值异常时实现报警。本发明实现了被测区域地磁场信息的实时测量，易广泛布置、通用性好的优点，通用性较强。

Description

一种基于移动通信终端平台的便携式高精度地磁场探测设备

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种基于移动通信终端平台的便携式高精度地磁场探测设备。

背景技术

我国各类自然灾害频发，但现有预警手段有限，不能全方位解决自然灾害预警难题。通过地磁场变化来预测自然灾害是提高预警能力的有效手段之一。大量科学数据表明，在诸如地震等自然灾害发生前夕，震源附件地磁场会发生显著的异常变化。因此在地震等自然灾害频发地区大量布置地磁测量传感器能够有效实现所在地区的地磁场检测，从而为地震等自然灾害的早期预警提供技术支撑。但是目前地磁测量预警主要由地磁台来实现，由于地磁台分建设成本高昂，不易实现较高密度、较大范围的布置，因此必然存在监控盲点及测量样本不足的问题。

此外，目前常规高精度便携式磁强计设备相对于地磁台来说具有成本低、易大量布置的优点，但是对操作人员的专业水平要求较高、同时不具备数据发送及联网功能，不能够做到大范围测量数据的及时统一上报，实时性较差。与此同时，自然灾害频发地区往往位于农村、乡镇、偏远山区等经济欠发达地区，所在地人民群众科学知识水平有限，对专业仪器设备的操作、维护面临较大难度，因此同样不能够满足较高密度、较大范围内实时监测、上报所在地地磁场信息的现实应用需求。

综上所述，在我国地震等自然灾害频发，自然灾害预报系统需求迫切的现状下，尚缺乏具有高测量精度、具备通信功能、成本低、易维护、通用性好的便携式磁场探测设备。

发明内容

本发明的技术解决问题的目的在于：针对现有技术的不足，提供了一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场设备，本发明结合高精度三轴数字磁强计的测量功能与智能化人机交互界面，实现所在地区内地磁场信息的实时测量，同时能够接收上级系统的指令，完成测量结果的上报、发送及互联网分享。

本发明的技术解决方案是：

一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备，包括：三轴磁强计模块、接口切换模块、人机交互模块；

三轴磁强计模块，通过接口切换模块接收人机交互模块发出的由上级系统或特定用户端通过移动通信网络发送给人机交互模块的测量指令，完成所在区域地磁场的实时测量，并将实时测量得到的数据以及三轴磁强计模块姿态数据发送给移动终端平台；

接口切换模块，实现人机交互模块与三轴磁强计模块、外部电源的连接切换；在数据采集状态时，连接人机交互模块与三轴磁强计模块，实现人机交互模块对三轴磁强计模块的供电、数据采集以及测量指令的转发；在充电状态时，连接人机交互模块与外部电源，通过外部电源，为人机交互模块供电；

人机交互模块，通过接口切换模块向三轴磁强计模块发送地磁场测量指令以及采集三轴磁强计模块输出的测量数据及姿态信息，并将其转化为被测区域的地磁场真实值，同时将地磁场真实值发送至上级系统或特定用户端供用户判断，并能够接收上级系统或特定用户端的指令，在地磁场真实值异常时实现报警。

三轴磁强计模块采用具备倾斜补偿的高精度数字式三轴磁强计为最优。

三轴磁强计模块包括三轴磁强计单元、加速度传感器单元、数据处理单元以及USB接口单元，其中：

三轴磁强计单元，测量被测区域地磁场，并将地磁场在自身三维坐标系上的磁场分量转化为与之对应的模拟电压输出；

加速度传感器单元，采集三轴磁强计模块的姿态信息，输出三轴磁强计模块俯仰角和横滚角的角度信息的模拟电压值；

数据处理单元，将三轴磁强计和加速度计输出的模拟电压值转换为数字量输出给USB接口单元；

USB接口单元，将数据处理单元处理完成的测量数据及角度信息的数字量通过USB接口和接口切换模块发送给人机交互模块。

数据处理单元包括5通道的AD转换电路、并-串转换电路；AD转换电路分别将三轴磁强计测量的地磁场三轴磁场分量的模拟电压值与两个姿态角度的模拟电压值转换为数字量，然后通过并-串转换电路电路将5个数字量串行输出给USB接口单元。

接口切换模块包括USB接口和单刀双掷开关，具体工作方式如下：

当处于数据采集状态时，接口切换模块的USB接口与三轴磁强计模块的USB接口单元相连，将单刀双掷开关切换至数据采集端，完成数据采集以及测量指令的转发，同时人机交互模块为三轴磁强计模块供电；

当处于在充电状态时，接口切换模块的USB接口与外部提供电源的USB充电线相连接，将单刀双掷开关切换至充电端时，实现外部电源对人机交互模块充电。

人机交互模块包括功能设置单元、数据处理单元、测量数据显示单元、地图与天气显示单元、接收与发送单元，其中：

功能设置单元，设置人机交互模块的初始化参数及系统安全设置，所述的初始化参数包括测量持续时间、测量采样率、测量异常判断条件、磁场测量校准参数；所述的系统安全设置为初次进入功能设置单元时需要设置密码，后续需要正确输入设置的密码时方可使用功能设置单元；

数据处理单元，将三轴磁强计模块通过接口切换模块输出的三轴磁场数字量还原为地磁场真实值、并与三轴磁强计模块输出的俯仰角、横滚角信息进行补偿计算得出被测区域地磁场的方向及地磁场垂直分量信息；

测量数据显示单元，将数据处理单元处理完成的地磁场真实值及姿态信息进行显示；

地图与天气显示单元，将被测区域的地理坐标、天气、卫星地图信息进行显示；

接收与发送单元，通过通信接口将人机交互模块的处理后的测量数据发送给上级系统或特定用户端，并接收上级系统或特定用户端发送的指令，在地磁场真实值异常时实现报警以及测量数据的共享，并将测量信息发送至共享群体。

接收与发送单元包括测量信息编辑单元、通讯录编辑单元、指令接收单元、短信息发送单元、网络分享单元、报警单元；其中：

测量信息编辑单元，自动完成测量信息编辑功能，测量信息中包含所在地地磁场测量信息、所在地天气信息、所在地地理坐标信息、所在地时间信息；

通讯录编辑单元，提供短信息发送群体的通讯录编辑功能、调用现有人机交互界面内部的通讯录实现信息共享发送群体的选择；

指令接收单元，接收上级系统或用户端发送的允许报警和允许分享指令；

短信息发送单元，在接收到上级系统或特定用户端发送的允许分享命令后，将测量信息编辑单元编辑完成的测量信息发送至通讯录编辑单元提供的用户群体；

网络分享单元，在接收到上级系统或用户端发送的允许分享命令后，将测量信息编辑单元编辑完成的测量信息通过移动互联网分享至微博、微信等互联网社交平台；

报警单元，在接收到上级系统或用户端发送的允许报警命令后，实现报警。

所述的人机交互界面采用移动终端平台实现；

移动移动终端平台为任何搭载移动操作系统且具备OTG(On-The-Go技术)功能，并且接入移动通信网络的智能手机、平板电脑平台。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明将高精度三轴磁强计的测量功能与智能化人机交互界面相结合，实现了被测区域地磁场信息的实时测量，相比于地磁台具有成本低廉、易广泛布置、通用性好的优点，通用性较强。

(2)本发明通过采用移动通信终端智能机平台实现人机交互界面，进而实现了通信及互联网接入功能，相比于现有便携式磁强计具有成本低廉、可通信、可组网，易操作、易维护及通用性好的优点。

(3)本发明研制的人机交互界面安装在任意一台搭载移动操作系统、具备OTG功能并且接入移动通信网络的智能手机或平板电脑上，同时配合高精度三轴数字式磁强计模块及OTG/充电接口切换模块即可实现全部功能，具有非常强的使用灵活性及易操作性。

附图说明

图1为本发明应用原理图；

图2为本发明原理结构图；

图3为本发明工作状态图；

图4为本发明三轴磁强计模块结构图；

图5为本发明接口切换模块结构图；

图6为本发明人机交互模块结构图；

图7为本发明人机交互模块应用程序结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步介绍。

如图1所示，通过在自然灾害敏感地点上大量布置地磁场测量设备。每个磁场测量设备均具备通信功能，可接入到移动通信网络当中，实时将测量数据通过通信链路上报至上级系统当中。当地磁场测量数据发生大面积异常时，可为上级系统的灾害预警决策提供测量数据支撑。同时，每个地磁场测量设备也可接受上级系统的指令，为所在地小范围区域内提供报警信息，以便于周围人员的安全撤离。

如图2所示，本发明一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备包括：三轴磁强计模块、接口切换模块、人机交互模块；

三轴磁强计模块，通过接口切换模块接收人机交互模块发出的由上级系统或特定用户端通过移动通信网络发送给人机交互模块的测量指令，完成所在区域地磁场的实时测量，并将实时测量得到的数据以及三轴磁强计模块姿态数据发送给移动终端平台；

接口切换模块，实现人机交互模块与三轴磁强计模块、外部电源的连接切换；在数据采集状态时，连接人机交互模块与三轴磁强计模块，实现人机交互模块对三轴磁强计模块的供电、数据采集以及测量指令的转发；在充电状态时，连接人机交互模块与外部电源，通过外部电源，为人机交互模块供电；

人机交互模块，通过接口切换模块向三轴磁强计模块发送地磁场测量指令以及采集三轴磁强计模块输出的测量数据及姿态信息，并将其转化为被测区域的地磁场真实值，同时将地磁场真实值发送至上级系统或特定用户端供用户判断，并能够接收上级系统或特定用户端的指令，在地磁场真实值异常时实现报警。

其中接口切换模块与人机交互模块可选择是否封装在一起，当接口模块与人机交互模块封装在一起时。其工作方式如图3所示，当三轴磁强计模块与接口切换模块连接时，将接口切换模块上的单刀双掷开关切换至数据采集侧时，即可完成测量指令的转发及数据测量以及向三轴磁强计模块供电；当接口切换模块和外部电源连接时，即可完成外部电源向人机交互模块充电。当接口模块与人机交互模块不封装在一起时，工作方式不会发生改变。

人机交互界面采用移动终端平台实现；移动移动终端平台为任何搭载移动操作系统且具备OTG(On-The-Go技术)功能，并且接入移动通信网络的智能手机、平板电脑平台。

三轴磁强计模块

三轴磁强计模块采用具备倾斜补偿的高精度数字式三轴磁强计为最优。

如图4所示，三轴磁强计模块包括三轴磁强计单元、加速度传感器单元、数据处理单元以及USB接口单元，其中：

三轴磁强计单元，测量被测区域地磁场，并将地磁场在自身三维坐标系上的磁场分量转化为与之对应的模拟电压输出；该电压在0～2.5V之间，地磁场分量为0时，该电压为1.25V。当地磁场分量为负，即方向相反是，该电压位于0～1.25V之间。

加速度传感器单元，采集三轴磁强计模块的姿态信息，输出三轴磁强计模块俯仰角和横滚角的角度信息的模拟电压值；该电压在0～3V之间，当被测角度为0°时，该电压为1.5V。

数据处理单元，将三轴磁强计和加速度计输出的模拟电压值转换为数字量输出给USB接口单元；

数据处理单元包括5通道的AD转换电路、并-串转换电路；AD转换电路分别将三轴磁强计测量的地磁场三轴磁场分量的模拟电压值与两个姿态角度的模拟电压值转换为数字量，然后通过并-串转换电路电路将5个数字量串行输出给USB接口单元。

USB接口单元，将数据处理单元处理完成的测量数据及角度信息的数字量通过USB接口和接口切换模块发送给人机交互模块以及人机交互模块为三轴磁强计模块的充电。该USB接口单元采用USB2.0接头，为公头。在工作时，将USB2.0公头接口接口切换模块的USB母头接口连接后，移动通信终端为高精度三轴数字式磁强计模块供电，USB接口模块随即将以19200bps的速率将测量数据发送给移动通信终端，所发送的数据位1位起始位、8位数据位以及1位停止位。

接口切换模块

如图5所示，接口切换模块包括USB接口和单刀双掷开关，具体工作方式如下：

当处于数据采集状态时，接口切换模块的USB接口与三轴磁强计模块的USB接口单元相连，将单刀双掷开关切换至数据采集端，完成数据采集以及测量指令的转发，同时人机交互模块为三轴磁强计模块供电；

当处于在充电状态时，接口切换模块的USB接口与外部提供电源的USB充电线相连接，将单刀双掷开关切换至充电端时，实现外部电源对人机交互模块充电。

USB接口分为USB母头和micro USB公头两个接口，其中micro USB公头安装在移动终端平台智能机的micro USB接口上，而USB母头则用来和高精度三轴数字式磁强计模块的USB接头(公头)或充电线的USB接头(公头)互联，从而实现数据采集或为移动终端智能机充电的功能。

人机交互模块

如图6、7所示，人机交互模块包括功能设置单元、数据处理单元、测量数据显示单元、地图与天气显示单元、接收与发送单元，其中：

功能设置单元，设置人机交互模块的初始化参数及系统安全设置，所述的初始化参数包括测量持续时间、测量采样率、测量异常判断条件、磁场测量校准参数；所述的系统安全设置为初次进入功能设置单元时需要设置密码，后续需要正确输入设置的密码时方可使用功能设置单元；

其中，测量持续时间是指高精度三轴数字式磁强计的连续工作时间；测量采样率是指人机交互模块对高精度三轴数字式磁强计输出的测量数据的每秒钟采样数；测量异常判断条件是指可设置在设定的测量时间段内地磁场测量结果超过地磁场参数正常极值的次数、地磁场垂直分量在持续测量时间内平均测量值的最大最小值地磁场垂直分量在持续测量时间段内的最大变化量，当在设定的测量时间段内，测量结果达到或超过测量异常判断条件时，即可认为当前区域地磁场发生异常显示刷新率是指人机交互模块上测量数值的刷新时间；磁场测量校准参数是指可通过设置系数的方式实现测量结果的校准，利用下式，可根据实测结果设置校准系数K及偏置量X_偏置的数值，从而实现测量数据的简单校准：

X_较准＝X_测量×K+X_偏置

数据处理单元，将三轴磁强计模块通过接口切换模块输出的三轴磁场数字量还原为地磁场真实值、并与三轴磁强计模块输出的俯仰角、横滚角信息进行补偿计算得出被测区域地磁场的方向及地磁场垂直分量信息；

具体计算公式如下：

X_E＝X_S cosφ+Y_S sinφsinθ-Z_S cosθsinφ

Y_E＝Y_S cosθ+Z_S sinθ

Z_E＝X_S sinφ-Y_S sinθcosφ+Z_S cosθcosφ

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{Y_E}{X_E}$

上式中，X_s、Y_s、Z_s为高精度三轴数字式磁强计的测量输出结果，X_E、Y_E、Z_E为地磁场三轴垂直分量信息计算结果，θ和分别为俯仰角和横滚角，α则为地磁场方向相对高精度三轴数字式磁强计X轴偏转过的角度，通过对α角度的监测即可实现对地磁场方向变化量的检测。因此通过上述公式计算，即可实现具备倾角补偿的地磁场参数测量。

测量数据显示单元，将数据处理单元处理完成的地磁场真实值及姿态信息进行显示；

地图与天气显示单元，将被测区域的地理坐标、天气、卫星地图信息进行显示(地图、天气信息可以供使用人员实时查看目前所在位置)；

接收与发送单元，通过通信接口将人机交互模块的处理后的测量数据发送给上级系统或特定用户端，并接收上级系统或特定用户端发送的指令，在地磁场真实值异常时实现报警以及测量数据的共享，并将测量信息发送至共享群体。

接收与发送单元包括测量信息编辑单元、通讯录编辑单元、指令接收单元、短信息发送单元、网络分享单元、报警单元；其中：

测量信息编辑单元，自动完成测量信息编辑功能，测量信息中包含所在地地磁场测量信息、所在地天气信息、所在地地理坐标信息、所在地时间信息；

通讯录编辑单元，提供短信息发送群体的通讯录编辑功能、调用现有人机交互界面内部的通讯录实现信息共享发送群体的选择；

指令接收单元，接收上级系统或用户端发送的允许报警和允许分享指令；

短信息发送单元，在接收到上级系统或特定用户端发送的允许分享命令后，将测量信息编辑单元编辑完成的测量信息发送至通讯录编辑单元提供的用户群体；

网络分享单元，在接收到上级系统或用户端发送的允许分享命令后，将测量信息编辑单元编辑完成的测量信息通过移动互联网分享至微博、微信等互联网社交平台；

报警单元，在接收到上级系统或用户端发送的允许报警命令后，实现报警。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备，其特征在于包括：三轴磁强计模块、接口切换模块、人机交互模块；

三轴磁强计模块，通过接口切换模块接收人机交互模块发出的由上级系统或特定用户端通过移动通信网络发送给人机交互模块的测量指令，完成所在区域地磁场的实时测量，并将实时测量得到的数据以及三轴磁强计模块姿态数据发送给人机交互模块；

接口切换模块，实现人机交互模块与三轴磁强计模块、外部电源的连接切换；在数据采集状态时，连接人机交互模块与三轴磁强计模块，实现人机交互模块对三轴磁强计模块的供电、数据采集以及测量指令的转发；在充电状态时，连接人机交互模块与外部电源，通过外部电源，为人机交互模块供电；

人机交互模块，通过接口切换模块向三轴磁强计模块发送地磁场测量指令以及采集三轴磁强计模块输出的测量数据及姿态信息，并将其转化为被测区域的地磁场真实值，同时将地磁场真实值发送至上级系统或特定用户端供用户判断，并能够接收上级系统或特定用户端的指令，在地磁场真实值异常时实现报警。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备，其特征在于：所述三轴磁强计模块采用具备倾斜补偿的高精度数字式三轴磁强计为最优。

3.根据权利要求2所述一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备，其特征在于：所述三轴磁强计模块包括三轴磁强计单元、加速度传感器单元、数据处理单元以及USB接口单元，其中：

三轴磁强计单元，测量被测区域地磁场，并将地磁场在自身三维坐标系上的磁场分量转化为与之对应的模拟电压输出；

加速度传感器单元，采集三轴磁强计模块的姿态信息，输出三轴磁强计模块俯仰角和横滚角的角度信息的模拟电压值；

数据处理单元，将三轴磁强计和加速度计输出的模拟电压值转换为数字量输出给USB接口单元；

USB接口单元，将数据处理单元处理完成的测量数据及角度信息的数字量通过USB接口和接口切换模块发送给人机交互模块以及人机交互模块为三轴磁强计模块的充电。

4.根据权利要求1所述一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备，其特征在于：所述数据处理单元包括5通道的AD转换电路、并-串转换电路；AD转换电路分别将三轴磁强计测量的地磁场三轴磁场分量的模拟电压值与两个姿态角度的模拟电压值转换为数字量，然后通过并-串转换电路电路将5个数字量串行输出给USB接口单元。

5.根据权利要求3所述一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备，其特征在于：所述接口切换模块包括USB接口和单刀双掷开关，具体工作方式如下：

当处于数据采集状态时，接口切换模块的USB接口与三轴磁强计模块的USB接口单元相连，将单刀双掷开关切换至数据采集端，完成数据采集以及测量指令的转发，同时人机交互模块为三轴磁强计模块供电；

当处于在充电状态时，接口切换模块的USB接口与外部提供电源的USB充电线相连接，将单刀双掷开关切换至充电端时，实现外部电源对人机交互模块充电。

6.根据权利要求1所述一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备，其特征在于：所述人机交互模块包括功能设置单元、数据处理单元、测量数据显示单元、地图与天气显示单元、接收与发送单元，其中：

功能设置单元，设置人机交互模块的初始化参数及系统安全设置，所述的初始化参数包括测量持续时间、测量采样率、测量异常判断条件、磁场测量校准参数；所述的系统安全设置为初次进入功能设置单元时需要设置密码，后续需要正确输入设置的密码时方可使用功能设置单元；

数据处理单元，将三轴磁强计模块通过接口切换模块输出的三轴磁场数字量还原为地磁场真实值、并与三轴磁强计模块输出的俯仰角、横滚角信息进行补偿计算得出被测区域地磁场的方向及地磁场垂直分量信息；

测量数据显示单元，将数据处理单元处理完成的地磁场真实值及姿态信息进行显示；

地图与天气显示单元，将被测区域的地理坐标、天气、卫星地图信息进行显示；

接收与发送单元，通过通信接口将人机交互模块的处理后的测量数据发送给上级系统或特定用户端，并接收上级系统或特定用户端发送的指令，在地磁场真实值异常时实现报警以及测量数据的共享，并将测量信息发送至共享群体。

7.根据权利要求6所述一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备，其特征在于：所述的接收与发送单元包括测量信息编辑单元、通讯录编辑单元、指令接收单元、短信息发送单元、网络分享单元、报警单元；其中：

测量信息编辑单元，自动完成测量信息编辑功能，测量信息中包含所在地地磁场测量信息、所在地天气信息、所在地地理坐标信息、所在地时间信息；

通讯录编辑单元，提供短信息发送群体的通讯录编辑功能、调用现有人机交互界面内部的通讯录实现信息共享发送群体的选择；

指令接收单元，接收上级系统或用户端发送的允许报警和允许分享指令；

短信息发送单元，在接收到上级系统或特定用户端发送的允许分享命令后，将测量信息编辑单元编辑完成的测量信息发送至通讯录编辑单元提供的用户群体；

网络分享单元，在接收到上级系统或用户端发送的允许分享命令后，将测量信息编辑单元编辑完成的测量信息通过移动互联网分享至微博、微信等互联网社交平台；

报警单元，在接收到上级系统或用户端发送的允许报警命令后，实现报警。

8.根据权利要求6所述一种基于移动通信终端平台的便携式高精度磁场探测设备，其特征在于：所述的人机交互界面采用移动终端平台实现；

移动移动终端平台为任何搭载移动操作系统(Mobile operating system)且具备OTG功能，并且接入移动通信网络的智能手机、平板电脑平台。