CN104698937B - 三维冲击记录仪及其记录方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维冲击记录仪及其记录方法，方法包括：采样步骤；冲击值和加速度补偿步骤；对采样数据进行记录步骤；当采样数据持续逼近或超过用户设置好的阈值或者数据波动范围过大时报警步骤。记录仪包括控制器、冲击数据采集模块、温湿度采集模块、光照采集模块、气压采集模块、存储模块、人机交互模块、通讯模块、电源。本发明能够采集多种运输环境数据，并能够进行冲击值补偿和加速度补偿，当运行过程中出现参数严重超标时还能够进行提醒和报警；并突破性地对运输类型进行辨别区分，预先设定不同物品在不同运输类型下的环境参数安全阈值；还能够通过光照数据判断是夜间运输时增大采样频率，从而实现对运输环境的精细和准确监控。

Description

三维冲击记录仪及其记录方法
技术领域
本发明属于运输环境监控技术领域，尤其是设计一种冲击记录仪及环境参数记录方法。
背景技术
在对大型或者贵重设备通过公路、铁路、航空或者海运进行长距离运输时，为了保证设备在运输过程中处于稳定安全的状态中，一般在运输环境中设置冲击记录仪，冲击记录仪对行进过程中的运输环境和状态进行实时监控，实现运输过程监控和记录。但现有冲击记录仪一般只能采集运输过程中的冲击值、倾角等参数，采集数据单一，而且通过实验发现，现有冲击记录仪采样到的数据并不精确。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种三维冲击记录仪及其记录方法，不仅能够对加速度和倾角数据进行精确采集，还集合温湿度、气压、光照等多种数据采样，此外能够针对这些数据进行进一步运算和处理。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三维冲击记录仪的记录方法，包括如下步骤：
步骤A，获取运输过程中冲击值、倾斜角度、温度和/或湿度、光照、气压采样数据；
步骤B，进行冲击值补偿和加速度补偿：
利用温度数据对冲击值进行补偿，补偿公式为：I=(1+(T-T基准)*k)* Ip，其中T基准为基准温度，k为温漂系数；
根据经过温度补偿后的加速度输出值对输出角度进行加速度补偿：计算公式分别为Xangle =tan-1(Ximpact - Zimpact)*180/PI，Yangle = -tan-1(Yimpact - Zimpact)*180/PI，再将以上获得的经过加速度补偿后的Xangle 与Yangle跟传感器的角度输出进行求平均值，得到补偿后的输出角度，其中Ximpact为X轴方向的冲击值，Yimpact为Y轴方向的冲击值，Zimpact为Z轴方向的冲击值；
步骤C，对采样数据进行记录；
步骤D，当采样数据持续逼近或超过用户设置好的阈值或者数据波动范围过大时，发出提醒信号或进行报警。
进一步的，还包括通过环境气压值判断物体的运输类型的步骤，步骤D中阈值包括各物品在各类型运输环境下的各参数的安全阈值，当采集到的环境参数超出或持续逼近该物品相应运输环境下的安全阈值或数据波动范围过大时，进行提醒和报警。
进一步的，所述步骤A中进行采样时，当通过环境光照数据判断物体运输途中属于夜间运输时，则增大各采集模块的采样频率。
进一步的，所述步骤C中对采样数据进行记录的过程包括以下步骤：针对冲击值以及倾斜角度分别制作抽样数据样本，对温度、湿度、光照强度、气压抽取最大值最小值以及平均值。
一种三维冲击记录仪，包括控制器、冲击数据采集模块、温湿度采集模块、光照采集模块、气压采集模块、存储模块、人机交互模块、通讯模块、电源，所述控制器分别与其他部件连接，电源为各部件供电，所述冲击数据采集模块用于采集冲击值和倾角数据，所述温湿度采集模块用于采集温度和湿度数据，所述光照采集模块用于采集环境光照数据，所述气压采集模块用于采集环境气压数据，所述控制器用于记录采样数据，并根据采样数据进行冲击值补偿和加速度补偿，并判断采样数据持续逼近或超过用户设置好的阈值或者数据波动范围过大时，发出提醒信号或进行报警。
进一步的，还包括与控制器连接的输出设备。
进一步的，还包括与控制器连接的对外接口。
有益效果：
本发明提供的冲击记录仪和记录方法能够采集冲击值、角度、温湿度、气压、光照等多种运输环境数据，并能够进行冲击值补偿和加速度补偿，当运行过程中出现参数严重超标时还能够进行提醒和报警。并且，本发明突破性地对运输类型进行辨别区分，并预先设定不同物品在不同运输类型下的环境参数安全阈值，此外，还能够通过光照数据判断是夜间运输时增大采样频率，从而实现对运输环境的精细和准确监控。
附图说明
图1为本发明提供的冲击记录仪系统结构框图；
图2为冲击记录仪外壳结构示意图。
附图标记列表：
1-外壳，2-电源插头，3-充电接口，4-显示屏，5-SIM卡座，6-按键，7-天线，8-USB接口，9-嵌入式打印机，10-触摸笔。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
加速度倾角传感器MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，因其具有体积小巧、精度高、低温漂等优点，近年来获得高速发展，现已广泛用于各种领域之中，本发明采用MEMS六轴加速度倾角传感器能够显著提升冲击记录仪数据记录的精确性，并在此基础上进一步丰富了冲击记录仪的功能。
本实施例提供了一种冲击记录仪，如图1所示，该记录仪包括以下各个部件：控制器以及与控制器分别连接的冲击数据采集模块、温湿度采集模块、光照采集模块、气压采集模块、存储模块、输出设备、人机交互模块、通讯模块、对外接口、电源。其中，本例中控制器采用MSP430主控系统，功耗低，能够提高系统的集成度，控制实现记录仪中的所有运算和判断分析功能；冲击数据采集模块采用MEMS六轴加速度倾角传感器MPU6050，能够采集运输过程中的冲击值和倾角数据，冲击值即为瞬态的加速度值；温湿度采集模块采用单总线温湿度传感器AM2305，能够将运输环境中温度和湿度的数据采集集成于一体，当然，也可以采用独立的温度采集部件和湿度采集部件对温湿度数据分别进行采集；光照采集模块采用IIC光照传感器BH1750FVI，气压采集模块采用气压传感器BMP180。控制器还可连接由DS1302所构成的时间系统，作为整个系统的时钟。通讯模块优选采用采用SIM卡模块，插入SIM即可通过移动通信网络接收和发送数据，为了提高数据传输稳定性能，SIM卡模块优选与天线相连；对外接口一般采取USB2.0接口。存储模块采用双32M存储芯片，容量大、安全性高，用于存储控制器传来的数据。输出设备采用嵌入式打印机、一体化集成于冲击记录仪上，方便携带。人机交互模块优选采用触摸屏，结合显示和输入功能，通过人机交互模块，用户可以设置参数并读取采样输出值，本领域内技术人员也可以采用键盘和显示器等常规人机交互设备。电源向上述各个部件供电。必须说明，以上各部件的型号均为一种优选示例，不应作为本发明的限制，本领域内技术人员可以根据系统兼容性和成本需要采用能够实现同样功能的其他型号芯片或产品进行替换。
采用上述部件组合而成的记录仪外形如图2所示，记录仪优选采用金属外壳，外壳1上具有电源插头2、充电接口3、显示屏4、SIM卡座5、按键6、天线7、USB接口8、嵌入式打印机9，其余电子元件均设于外壳内。按键采用薄膜按键，触感灵敏，按键能够控制电源的通断，电源插头和充电接口提供了直接供电和蓄电池供电两种方式，由于显示屏为TFT800*480电阻式触摸屏，记录仪外壳上还固定有触摸笔10以供触摸屏操作，通过SIM卡座可以插入SIM卡进行无线通讯。
进一步的，记录仪中还可与报警装置（例如声光报警器）连接，控制器判断当符合报警条件时则启动报警装置发出警报，报警装置也可集成在记录仪中。
基于上述结构的记录仪，本发明还提供了一种运输过程中环境数据的记录方法，包括如下步骤：
步骤A，在运输过程中，各传感器能够输出冲击值、倾斜角度、温度和/或湿度、光照、气压数据，控制器根据采样间隔对上述数据进行采样，采样间隔是1000Hz。MEMS六轴加速度倾角传感器MPU6050能够采集并输出运输过程中的冲击值Ip（单位g），冲击值Ip实际上包括三个方向上的值——Ximpact（X轴方向的冲击值）、Yimpact（Y轴方向的冲击值）、Zimpact（Z轴方向的冲击值）和角度值Xangles（X轴方向的角度值）、Yangles（X轴方向的角度值）。单总线温湿度传感器AM2305能够采集并输出环境温度T（单位℃）和环境湿度，光照传感器BH1750FVI能够采集并输出采样环境光照数据，气压传感器BMP180能够采集并输出环境气压。上述传感器采样到的数据均传输至控制器MSP430中。控制器针对传感器传输的数据进行采样，在单位采样间隔内，采样多组冲击值和倾斜角度数据，分别筛选各自最大值作为冲击值采样值和倾斜角度采样值，在单位采样间隔内，采样一组温湿度，光照，气压数据作为温湿度采样值、光照采样值和气压采样值。
进一步的，本发明还可以通过环境光照数据判断物体运输途中属于白天运输或者夜间运输，例如，假设正常白天的光照亮一般大于100Lx，则当光照亮明显小于100Lx时，可判断为夜间，本例中假设小于20Lx为夜间。考虑到物体可能在封闭环境中运输，光照传感器可裸露在运输工具厢体外，以获得更为精确的外部环境光照数据。由于夜间运输车辆少以及可视度低，驾驶人员容易疏忽，意外发生率大大增加，因此当控制器根据光照数据判别目前处于夜间运输时，会增大各采集模块的采样频率，这样做的好处是采集到的数据更为密集，在发生采样值超过安全阈值时能够迅速发出警报，此外高频率的数据采样能够使运动轨迹的还原更接近实际情况。
步骤B，控制器根据上述采集到的多种数据进行冲击值补偿和加速度补偿，具体为：
利用温度数据对冲击值进行补偿，补偿公式为：I=(1+(T-T基准)*k)* Ip，其中T基准为基准温度，取为25℃，k为温漂系数，本例中取为0.02%/℃。三个方向上的冲击值应分别代入上述公式进行补偿，得到补偿后的Ximpact、Yimpact、Zimpact。
根据经过温度补偿后的加速度输出值Ximpact、Yimpact、Zimpact以及PI(本例中取值3.14159)对输出角度进行加速度补偿，可以得到加速度补偿的角度值Xangle、Yangle，计算公式分别为Xangle =tan-1(Ximpact - Zimpact)*180/PI，Yangle = -tan-1(Yimpact - Zimpact)*180/PI；再将以上获得的经过加速度补偿后的Xangle 与Yangle跟传感器的角度输出进行求平均值，即Xangle与传感器输出的x轴上的角度值进行平均，Yangle与传感器输出的y轴上的角度值进行平均，分别得到平均后的x轴和y轴上的角度值，即为补偿后的输出角度。
步骤C，本发明对采样数据进行记录：针对冲击值以及倾斜角度分别制作抽样数据样本，而对温度、湿度、光照强度、气压则只抽取最大值最小值以及平均值，其中，最值可以用匹对法实现，平均值Daver=(Daver1*(n-1)+data)/n，(n为采样到的数据总条数，Daver1为不加入data之前的平均值)。抽样样本以冲击值为例，将经过步骤A采样的数据data来更新数据抽样样本的最大值dMax与最小值dMin，假如抽样样本的数据条数小于30，则data将直接按照时间排列插入抽样样本中；假如抽样样本的数据条数大于30，并且data在dMax~dMin区间内，则将data插入抽样样本，并从抽样样本中抽取最小值后剔除；当data超过dMax时，则将data插入抽样样本，将dMax更新为data，并从抽样样本中抽取最小值后剔除；然后对抽样样本根据时间进行快速排列，得到一组（例如30条）最值，方便用户查看。此外，本发明还可以记录详细样本，由用户预先设置详细样本的记录间隔（例如1min～5min），在每个记录间隔将当前通过步骤A获得的冲击值、角度、温湿度、光照、气压采样数据存储入详细样本中，这些数据包括采样到的数据data将实时插入并根据时间排列到数据的详细样本中。数据的抽样样本、详细样本、各数据最值、平均值可以通过打印设备进行打印或者USB导出。这些数据能够形成完整的历史数据，通过历史数据能够还原运输过程的运动轨迹。
步骤D，针对补偿后的采样数据，本发明还能够提供提醒警报功能，当采样数据持续逼近或超过用户设置好的阈值或者数据波动范围过大时，记录仪中控制器会发出提醒信号或进行报警，控制仪通过通讯模块能够自动发动短信或者电话提醒运输司机以及监管人员(需提前设置好号码以及报警方式)，除了通过通讯模块之外，记录仪还可以通过报警装置发出不易被忽视的声光报警信号，从而提醒运输司机和监管人员注意运输安全从而达到安全运输的目的。本发明采样数据包括冲击值、倾斜角度、温度和/或湿度、光照、气压，每种采样数据都可能有不同的安全阈值和波动安全幅度，用户可以通过人机交互模块在控制器中预先设定有一种采样数据或几种采样数据同时超过安全阈值或波动范围过大时则进行提醒警报。对安全阈值的判断包括以下几种情况：采样值超过安全阈值上限或下限，或连续多个采样数据距离安全阈值过近。以下举例说明：例如温度值上限为37℃，当采样值超过37℃则进行提醒警报，或连续5个采样值均超过36.5℃（37℃-0.5℃，0.5℃为设定的逼近幅度）时进行提醒警报。对数据波动范围过大的判断可能有如下几种情况：前后两个采样数据之间的差值过大，采样数据中任意n个连续数据中的最高值和最低值之间的差值过大，前后两个采样数据之间的差值过大且连续出现多次，采样数据中任意n个连续数据中的最高值和最低值之间的差值过大且在一段时间内超过一定次数。例如X轴采样N个数据样本如下：…-3.15g、+2.58g、+2.99g、-2.85g、-3.15g、+2.13g…；在上述数据样本中，在预先设定的时间内前后数据差值多次超过5g，即属于数据波动过大情况，由此可判断被检测物体在该时间内状态发生多次改变，即发生激烈运动。
本发明还可以通过环境气压值判断物体的运输类型是属于海运、陆运或者空运。根据冲击记录仪的气压传感器输出的气压p(单位:kPa)，通过下列运算公式，可以得到当前的海拔高度：altitude = 44330*(1-pow(p/101.33,1/5.255))。一般海运的海拔高度在0m左右，陆路的海拔高度>10m，空运>5000m，因此当得出的海拔高度altitude在0m左右时（例如判断-10<altitude<10）,可以得出本次运输属于海运；当10<altitude<5000时,可以得出本次运输属于陆运；当altitude>5000时，可以得出本次运输属于空运。上述海运、陆运、空运的海拔高度判断标准仅仅是举例说明，这些高度判断阈值可以根据需要进行调整。根据被运输物体以及其运输方式，国标或者相关规定规范了运输途中各参数的安全范围，基于对运输类型的区分，本发明可以更加规范被运输物品的运输条件以及验收标准，保证使用安全。冲击记录仪中可以预先存储各物品在各类型运输环境下的各参数的安全阈值范围，当进行运输时，可以选择具体的物品类型，即可在运输环境中进行实时的环境安全判断，当采集到的环境参数超出或持续逼近安全阈值或数据波动范围过大时，可进行实时提醒和报警。例如电流互感器在运输时，行业要求陆运前进方向X的冲击值<3g，左右方向Y<2g，上下方向Z<3g，安装本发明设计的仪器之后，当根据气压自动分辨当前运输属于陆运时，实时判断运输采样的数据是否超出行业规定的冲击值安全上限，当超出冲击值安全上限时则通过报警装置发出警报，时刻监督运输中的各种变化，及时消除不稳定因素。在运输时，经常两种甚至三种运输方式相结合，例如陆运结合空运（陆运-空运-陆运）、海运结合陆运（陆运-海运-陆运），通过在不同类型运输中设置不同的安全阈值范围，记录仪自动判断当前运输状态并根据不同运输状态下的不同阈值进行判断，当采样超出或持续逼近安全阈值或数据波动范围过大时进行提醒和报警，使得本记录仪对运输环境的监控极其精细和准确。
当本次运输属于陆运时，本发明还可以进一步判别运输类型究竟为铁路运输还是公路运输，由于铁路运输比公路运输平缓，冲击值输出稳定，根据连续采样的冲击值的稳定度可以得出属于陆运中的公路运输或者铁路运输（需与预先设定的公路运输和铁路运输的稳定度范围相比较）。冲击值的稳定度通过如下方式计算：取所有数据样本的前后数据的差值进行求平均，平均值越小，数据越稳定。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种三维冲击记录仪的记录方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A，获取运输过程中冲击值、倾斜角度、温度和/或湿度、光照、气压采样数据；
步骤B，进行冲击值补偿和加速度补偿：
利用温度数据对冲击值进行补偿，补偿公式为：I=(1+(T-T基准)*k)* Ip，其中T基准为基准温度，k为温漂系数，Ip为冲击值；
根据经过温度补偿后的冲击值对输出角度进行加速度补偿：计算公式分别为Xangle=tan-1(Ximpact- Zimpact)*180/PI，Yangle = -tan-1(Yimpact- Zimpact)*180/PI，再将以上获得的经过加速度补偿后的Xangle 与Yangle跟传感器的角度输出进行求平均值，得到补偿后的输出角度，其中Ximpact为X轴方向的冲击值，Yimpact为Y轴方向的冲击值，Zimpact为Z轴方向的冲击值，Xangle为X轴方向的角度值，Yangle 为Y轴方向的角度值；
步骤C，对采样数据进行记录；
步骤D，当采样数据持续逼近或超过用户设置好的阈值或者数据波动范围过大时，发出提醒信号或进行报警；
还包括通过环境气压值判断物体的运输类型是属于海运、陆运或者空运，步骤D中阈值包括各物品在各类型运输环境下的各参数的安全阈值，当采集到的环境参数超出或持续逼近该物品相应运输环境下的安全阈值或数据波动范围过大时，进行提醒和报警；
所述步骤A中进行采样时，当通过环境光照数据判断物体运输途中属于夜间运输时，则增大各采集模块的采样频率。
2.根据权利要求1所述的三维冲击记录仪的记录方法，其特征在于：所述步骤C中对采样数据进行记录的过程包括以下步骤：针对冲击值以及倾斜角度分别制作抽样数据样本，对温度、湿度、光照强度、气压抽取最大值最小值以及平均值。
3.一种三维冲击记录仪，用于实现权利要求1或2所述的三维冲击记录仪的记录方法，其特征在于：包括控制器、冲击数据采集模块、温湿度采集模块、光照采集模块、气压采集模块、存储模块、人机交互模块、通讯模块、电源，所述控制器分别与其他部件连接，电源为各部件供电，所述冲击数据采集模块用于采集冲击值和倾角数据，所述温湿度采集模块用于采集温度和湿度数据，所述光照采集模块用于采集环境光照数据，所述气压采集模块用于采集环境气压数据，所述控制器用于记录采样数据，并根据采样数据进行冲击值补偿和加速度补偿，并判断采样数据持续逼近或超过用户设置好的阈值或者数据波动范围过大时，发出提醒信号或进行报警；还包括通过环境气压值判断物体的运输类型是属于海运、陆运或者空运，阈值包括各物品在各类型运输环境下的各参数的安全阈值，当采集到的环境参数超出或持续逼近该物品相应运输环境下的安全阈值或数据波动范围过大时，进行提醒和报警；进行采样时，当通过环境光照数据判断物体运输途中属于夜间运输时，则增大各采集模块的采样频率。
4.根据权利要求3所述的三维冲击记录仪，其特征在于：还包括与控制器连接的输出设备。
5.根据权利要求3或4所述的三维冲击记录仪，其特征在于：还包括与控制器连接的对外接口。
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