CN104658146A - 基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置及方法 - Google Patents

基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置及方法，监测装置包括主控模块，所述主控模块与安装在井盖上的重力加速度传感器、GPS模块连接；所述主控模块与GPRS/WIFI模块双向连接；所述GPRS/WIFI模块与监控终端通信。本发明首次在井盖监控上引入重力加速度传感器，可以准确判断井盖的状态，及时报警，大大提高了井盖监控系统的有效性和准确性，由此也加强了整个井盖监控系统的稳定性。

Description

基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置及方法。
背景技术
道路井盖一旦遇到破损或是被盗，如果得不到及时处理，会有车辆或行人因不知情而出现事故，安全隐患很大，因此,对井盖的缺失或损坏做到准确的判断就显得尤为重要。如果有破损或丢失发生，一般是行人直接发现并及时报警，此种全靠自觉的方式明显缺乏可控性，不能从根本上达到实时报警的要求，所以设计一种能自动识别井盖状态的装置可以有效的解决不能及时发现的弊端，通过重力加速度传感器对井盖的加速度和倾角的变化进行实时分析，可以准确的判断出井盖的当前状态，做到及时发现，及时报警。
 重力传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是 “对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应 ”。重力传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作重力加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置，包括主控模块，所述主控模块与安装在井盖上的重力加速度传感器连接；所述主控模块与GPRS/WIFI模块双向连接；所述GPRS/WIFI模块与监控终端通信。
所述主控模块与GPS模块连接，GPS模块可以定位井盖的具体位置。
所述主控模块与看门狗电路、实时时钟电路连接。
本发明还提供了一种利用上述监测装置监测井盖运动状态的方法，包括以下步骤：
1）重力加速度传感器判断井盖是否处于自由落体状态，若是，则进入5）；否则，进入2）；
2）主控模块判断井盖的重力加速度是否大于阈值a，若是，进入3）；否则，返回1）；其中，a=1.5g～2.5g；
3）主控模块判断井盖的重力加速度变化周期是否大于阈值t，若是，进入4）；否则，返回1）；其中，t=300ms～600ms；
4）主控模块判断井盖倾角的变化是否大于阈值w，若是，则判断井盖损坏或者被盗，监控终端启动报警程序；否则，返回1）；其中，w=60～90度。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明首次在井盖监控上引入重力加速度传感器，可以准确判断井盖的状态，及时报警，大大提高了井盖监控系统的有效性和准确性，由此也加强了整个井盖监控系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明一实施例监控装置示意图；
图2为本发明一实施例方法流程图；
图3为本发明变量A反映井盖抖动的状态图；
图4为本发明井盖不规则运动时A的变化曲线；
图5为本发明井盖不规则运动时倾角的变化曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明一实施例包括主控模块，所述主控模块与安装在井盖上的重力加速度传感器、GPS模块连接；所述主控模块与GPRS/WIFI模块双向连接；所述GPRS/WIFI模块与监控终端通信。
本发明的重力加速度传感器型号为ADXL345，ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达± 16g。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。该器件提供多种特殊检测功能。活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先出(FIFO)缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理器负荷降至最低，并降低整体系统功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。
GPRS/WIFI通讯功能，监控终端要及时将井盖的状态通过GRPS上传至监控中心，尤其是出现被盗或移动的时候，要保证在第一时间向监控中心报警，这就是对通讯实效性提出要求。出于节电考虑，GPRS通讯部分的工作采取‘滴答式’的工作模式，即在没有出现井盖轨迹异常的情况下，系统每隔4个小时启动一次通讯，并向监控终端发送状态。收到监控终端回复后再次进入休眠，等待下一次的唤醒。如果出现井盖轨迹异常，系统会实时启动GPRS/WIFI通讯，并一直向监控终端报告状态，直至解除。
GPS定位功能，此功能为系统可选功能，通过读取GPS定位信息，可以让监控中心获取井盖的确切位置并在地图中做出准确标识，方便维护。
为了保证系统长期稳定可靠的工作，系统引入了看门狗电路，其作用是防止程序进入死循环，监控程序的正常运行。在程序正常执行一遍后，会清零到看门狗计数器，所以不会到达最大计数值，但是如果程序由于外部干扰等原因而进入死循环，看门狗电路会强行使系统复位。
井盖的状态有：
a：静止（常态）
b：抖动（大型车辆驶过引起路面震动或是有车辆从井盖碾压而过）
c：自由落体（井盖破裂后跌落井下）
d：剧烈不规则运动（被人为搬走维修或是偷盗）
由上面的状态可以看出，井盖正常的状态为静止和抖动，当发生意外时的状态为跌落或是剧烈不规则运动。这些状态也是本发明方法的依据。
由于井盖个体差异非常小，它们的状态的变化类别也相对单一，所以只要用重力加速度和倾角的变化两个参数进行分析就可以达到系统要求，结合井盖的实际状况，本发明提出基于重力加速度和倾角的阀值算法。
首先将井盖的状态用加速度a和倾角θ建立数学表达。
a：静止的时候加速度a和倾角θ的输出都是零，另外需要注意的是，该三轴加速度计在静止状态下的各轴输出不全为 0。在静止状态下，X、Y、Z 哪一轴的方向与重力加速度方向反向，则该轴的输出为 1g，其他两轴输出为 0；与重力加速度同向，则该轴的输出为-1g，其他两轴输出为 0。 综上所述，静止状态下的a和θ的表达式为：
             a = ax+ay+az = 1g
             θ = 0°
b：抖动，当大型车辆驶过引起路面震动或是有车辆从井盖碾压而过的时候，井盖会随着地面的震动产生抖动，这种抖动的特点是幅度小，速度快，持续时间短，而且只要是加速度的变化，倾角几乎不发生变化。
这里我们设定一个变量A用来表示合加速度向量的大小，即
；
其中ax，ay，az为X, Y, Z三个轴的数据，A是三轴的合加速度矢量的幅值，它的大小与井盖速度变化的剧烈程度有关，而与运动的方向无关，这也符合井盖轨迹判断只关注幅值忽略方向的特点。
    将抖动用A来表示的话，可以看作是加速度在一个原点做来回的摆动，如图3所示。
由图3可以看出来，当井盖收到碾压时，很短时间内加速度的变化是密集的，同时都集中在原点附近进行上下摆动。此时倾角θ是不变的。
c：自由落体，如果井盖跌落，就会形成自由落体状态，ADXL345本身具有自由落体检测功能，可以检测器件是否正在掉落，如果自由落体发生，ADXL345的配置端口会置位，通知处理器，非常方便实用，软件处理也很简单。
d：剧烈不规则运动，这种运动说明井盖已经被扳开，并有一个持续的运动，表现在加速度上就是持续的大幅度的变化，而且不规则，此时倾角的变化也比较大。图4和图5分别体现了不规则运动中加速度幅值A和倾角θ的变化特点。
    以上就是井盖4种状态的数学表达，可以发现每种状态所对应的加速的变化和倾角变化还是非常明显的，所以我们提出了利用重力加速度和倾角的阀值算法来判断井盖是否被盗或是损坏。同时，我们为了更好区别抖动和不规则运动时加速度变化的快慢差别，引入了时间阀值。至此，整体的方法流程如图2所示。

Claims (4)

1.一种基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置，其特征在于，包括主控模块，所述主控模块与安装在井盖上的重力加速度传感器连接；所述主控模块与GPRS/WIFI模块双向连接；所述GPRS/WIFI模块与监控终端通信。
2.根据权利要求1所述的基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置，其特征在于，所述主控模块与GPS模块连接。
3.根据权利要求2所述的基于重力加速度传感器的井盖运动状态监测装置，其特征在于，所述主控模块与看门狗电路、实时时钟电路连接。
4.一种利用权利要求1～3之一所述监测装置监测井盖运动状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）重力加速度传感器判断井盖是否处于自由落体状态，若是，则进入5）；否则，进入2）；
2）主控模块判断井盖的重力加速度是否大于阈值a，若是，进入3）；否则，返回1）；其中，a=1.5g～2.5g；
3）主控模块判断井盖的重力加速度变化周期是否大于阈值t，若是，进入4）；否则，返回1）；其中，t=300ms～600ms；
4）主控模块判断井盖倾角的变化是否大于阈值w，若是，则判断井盖损坏或者被盗，监控终端启动报警程序；否则，返回1）；其中，w=60～90度。
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