CN113156844A - 基于mems传感器技术的护栏监测系统及方法 - Google Patents

基于mems传感器技术的护栏监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS传感器技术的护栏监测系统及方法，所述护栏监测系统包括安装于护栏板上的多个监测终端，以及无线通信网关和服务器平台；监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，其包括主控MCU、射频芯片、微动开关及MEMS传感器，MEMS传感器、微动开关与护栏板相接触，微动开关的控制信号及MEMS传感器的护栏板碰撞振动采集数据经主控MCU传输至射频芯片，射频芯片以无线自组网方式与无线通信网关通信，每个监测终端通信节点的护栏监测信息通过无线通信网关传输至服务器平台，再推送至养护单位，养护单位可以第一时间发现交通事故并组织救援，可以通过调取路面监控及时发现肇事车辆并保存证据链，还可以通过护栏倾斜幅度检测路面滑坡、塌方、沉陷等渐发性事件。

Description

基于MEMS传感器技术的护栏监测系统及方法
技术领域
本发明涉及公路安全设施技术领域，具体涉及一种基于MEMS传感器技术的护栏监测系统及护栏监测方法。
背景技术
发生交通事故时，往往伴随着安装在公路两侧的护栏被车辆碰撞。交通事故发生后，对于交通事故方，由于不能及时被发现，救援人员无法第一时间赶赴现场展开救援工作，耽误最佳救援时机。对于道路运营单位，事后往往很难追查到肇事车辆，护栏的维修、更换费用也无法索赔，给公路运营单位带来一些额外的经济负担。
公告号为CN204066326U的中国实用新型提供了一种公路护栏碰撞监测终端，包括盒体以及密封安装在盒体上的盖体，盒体内安装电池、控制线路板和加速度检测元件，控制线路板上设置中央控制器和通讯模块，中央控制器分别与加速度检测元件和通讯模块连接，电池为中央控制器和通讯模块供电，实现对护栏遭受碰撞时的实时监测，可以将输出的报警信号传至控制中心，但这种单一模式无法解决路网护栏系统监测和道路运营高效率管理。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)传感器技术的护栏监测系统及护栏监测方法，在护栏上布置多个监测终端，设置无线通信网关和服务器平台，监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，当护栏被车辆撞时，安装在护栏上的监测终端检测到护栏被撞，监测终端将碰撞信息通过无线自组网上报至无线通信网关，无线通信网关将该信息上报服务器平台，由服务器推送至养护单位，得以第一时间组织救援，还可以通过监测护栏倾斜幅度检测路面滑坡、塌方、沉陷等渐发性事件，提高道路运营管理效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
本发明提供的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统，包括安装于护栏板上的多个监测终端，以及无线通信网关和服务器平台；所述监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，其包括了主控MCU、射频芯片、微动开关及MEMS传感器；所述MEMS传感器、微动开关与护栏板相接触；所述无线通信网关包括网关无线通信模块；所述服务器平台包括服务器无线通信模块及数据处理模块；所述MEMS传感器、微动开关分别与主控MCU相连接，主控MCU连接射频芯片，射频芯片连接网关无线通信模块，网关无线通信模块连接服务器无线通信模块及数据处理模块，微动开关的控制信号及MEMS传感器的护栏板碰撞振动采集数据经主控MCU传输至射频芯片，射频芯片以无线自组网方式与无线通信网关通信，每个监测终端通信节点的护栏监测信息通过无线通信网关传输至服务器平台。
优选的是，所述监测终端还包括为监测终端供电的电池，电池连接主控MCU、射频芯片。
在上述任一技术方案中优选的是，所述网关无线通信模块采用GSM/GPRS通信模块。
在上述任一技术方案中优选的是，所述MEMS传感器包括用于检测护栏碰撞振动的加速度传感器，和用于检测护栏倾斜的陀螺仪；所述加速度传感器和陀螺仪装置于护栏板上。
在上述任一技术方案中优选的是，所述微动开关与护栏板的一面相接触；微动开关为弹开状态，监测终端断电；微动开关为压平状态，监测终端通电工作。
在上述任一技术方案中优选的是，所述主控MCU设置有滤波处理模块。
在上述任一技术方案中优选的是，多个监测终端分散式布置于护栏板上，每个监测终端为一个通信节点，每个通信节点都具有中继转发功能模块，和通信故障冗余功能模块，当前中继节点发生故障则自动切换至其他节点以保证通信的可靠。
在上述任一技术方案中优选的是，所述服务器平台采用服务器或PC机，通过服务器无线通信模块及数据处理模块连接客户端，用于根据事件类型和策略将护栏监测信息推送给养护单位相应路段的救援、维护、管理人员，为养护单位相关人员第一时间赶赴现场开展救援和维修工作提供了前提条件。
在上述任一技术方案中优选的是，所述客户端包括移动客户端或web客户端，通过网络连接服务器平台，用于救援、维护、管理人员通过客户端手机或web页面登陆查看相应权限范围内的护栏监测的系统运行、检测情况，提高信息化管理水平。
本发明还提供了一种采用如上任一项所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统的护栏监测方法，该基于MEMS传感器技术的护栏监测方法包括：在护栏板上分散式布置多个监测终端，监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，当护栏被车辆撞时，安装在护栏上的监测终端检测到护栏板发生碰撞或倾斜时，将通信节点位置的护栏监测信息以无线自组网方式上报至无线通信网关，包括加速度传感器检测护栏板由于碰撞而产生振动的信息，包括陀螺仪检测护栏板由于路面滑坡、塌方、沉陷造成倾斜的信息；护栏监测信息经无线通信网关通过GSM/GPRS通信上报服务器平台，再由服务器平台推送至养护单位。
在上述任一技术方案中优选的是，所述监测终端采用粘贴的方式安装于护栏，加速度传感器和陀螺仪直接接触护栏板，微动开关安装于监测终端的背面、与护栏板的一面接触；微动开关在监测终端未安装于护栏时，其为弹开状态，监测终端为断电状态；当监测终端背面直接粘在护栏上，微动开关与护栏板接触，微动开关压平，监测终端通电工作；监测终端在安装时通过无线方式完成参数设置，微动开关作为无线配对时的控制信号，设置监测终端的节点地址、通信频段及位置经纬度参数。
在上述任一技术方案中优选的是，所述监测终端采用无线自组网通信方式，每个监测终端为一个通信节点，每个通信节点都具备中继转发功能和通信故障冗余功能，如果当前中继节点发生故障，则自动切换至其他通信节点，以保证通信的可靠性。
在上述任一技术方案中优选的是，所述监测终端的主控MCU一般为休眠状态，接收无线组网轮询数据包和传感器产生中断时唤醒；MEMS传感器采用中断方式采集数据，当振动和倾斜角度超过一定阈值，产生中断唤醒主控MCU后连续采集加速度传感器或陀螺仪数据，并对采集的数据进行滤波处理，通过处理后的数据，判断护栏是否发生碰撞或倾斜事件；当接收到本监测终端节点的无线组网通信轮询包时，将检测到的事件通过无线通信上传；没有检测到事件，则回复轮询应答。
与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益效果：
本发明的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统及护栏监测方法，主要由安装于护栏板上的多个监测终端、无线通信网关和服务器平台组成，监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，其包括了主控MCU、射频芯片、微动开关、MEMS传感器及电池，电池为监测终端供电，MEMS传感器、微动开关与护栏板相接触，射频芯片负责无线数据收发和数据传输，微动开关的控制信号及MEMS传感器的护栏板碰撞振动采集数据经主控MCU传输至射频芯片，射频芯片以无线自组网方式与无线通信网关通信，每个监测终端通信节点的护栏监测信息通过无线通信网关传输至服务器平台，再推送至养护单位，养护单位可以第一时间发现交通事故并组织救援，可以通过调取路面监控及时发现肇事车辆并保存证据链，还可以通过护栏倾斜幅度检测路面滑坡、塌方、沉陷等渐发性事件，提高道路运营管理效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为按照本发明的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统的一优选实施例的系统结构原理图；
图2为按照本发明的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统的图1所示实施例的监测终端硬件结构示意图；
图3为按照本发明的基于MEMS传感器技术的护栏监测方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了克服公路护栏监测在现有技术中所存在的监测信息反馈不及时、无法及时开展救援和道路管理效率不高等问题，本发明实施例提出一种基于MEMS传感器技术的护栏监测系统及护栏监测方法，在护栏上布置多个监测终端，设置无线通信网关和服务器平台，监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，当护栏被车辆撞时，安装在护栏上的监测终端检测到护栏被撞，监测终端将碰撞信息通过无线自组网上报至无线通信网关，无线通信网关将该信息上报服务器平台，由服务器推送至养护单位，得以第一时间组织救援，还可以通过监测护栏倾斜幅度检测路面滑坡、塌方、沉陷等渐发性事件，提高道路运营管理效率。
以下结合图1至3，说明本实施例的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统的结构、特点和护栏监测方法的实现过程。
本实施例所述基于MEMS传感器技术的护栏监测系统，包括安装于护栏板上的多个监测终端，以及无线通信网关和服务器平台；监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，其包括了主控MCU、射频芯片、微动开关、MEMS传感器及电池；电池为监测终端供电；MEMS传感器、微动开关与护栏板相接触；无线通信网关包括网关无线通信模块；服务器平台包括服务器无线通信模块及数据处理模块；电池连接主控MCU、射频芯片，MEMS传感器、微动开关分别与主控MCU相连接，主控MCU连接射频芯片，射频芯片连接网关无线通信模块，网关无线通信模块连接服务器无线通信模块及数据处理模块，微动开关的控制信号及MEMS传感器的护栏板碰撞振动采集数据经主控MCU传输至射频芯片，射频芯片以无线自组网方式与无线通信网关通信，每个监测终端通信节点的护栏监测信息通过无线通信网关传输至服务器平台；服务器平台与客户端实现数据交互。
本实施例的护栏监测系统，网关无线通信模块采用GSM/GPRS通信模块。
本实施例的护栏监测系统，MEMS传感器包括用于检测护栏碰撞振动的加速度传感器，和用于检测护栏倾斜的陀螺仪。加速度传感器和陀螺仪装置于护栏板上。
本实施例的护栏监测系统，微动开关与护栏板的一面相接触。微动开关为弹开状态，监测终端断电；微动开关为压平状态，监测终端通电工作。
本实施例的护栏监测系统，主控MCU设置有滤波处理模块。
本实施例的护栏监测系统，多个监测终端分散式布置于护栏板上，每个监测终端为一个通信节点，每个通信节点都具有中继转发功能模块，和通信故障冗余功能模块，当前中继节点发生故障则自动切换至其他节点以保证通信的可靠。
本实施例的护栏监测系统，服务器平台采用服务器或PC机，通过服务器无线通信模块及数据处理模块连接客户端，用于根据事件类型和策略将护栏监测信息推送给养护单位相应路段的救援、维护、管理人员，为养护单位相关人员第一时间赶赴现场开展救援和维修工作提供了前提条件。
本实施例的护栏监测系统，客户端包括移动客户端或web客户端，通过网络连接服务器平台，用于救援、维护、管理人员通过客户端手机或web页面登陆查看相应权限范围内的护栏监测的系统运行、检测情况，提高信息化管理水平。
采用基于MEMS传感器技术的护栏监测系统，安装于护栏板上的多个监测终端，监测终端采用无线自组网通信模块，无线自组网通信的方式，每个监测终端为一个通信节点。当护栏被车辆撞时，安装在护栏上的监测终端检测到护栏被撞，监测终端将碰撞信息通过无线自组网上报至无线通信网关，无线通信网关将该信息上报服务器平台，由服务器平台推送至养护单位或道路运营单位，收到护栏被撞的提示后，可以第一时间发现交通事故并组织救援工作，为救援赢得宝贵的时间，还可以通过及时调取路面监控，及时发现肇事车辆，并保存证据链。另外，通过监测护栏倾斜幅度继而检测路面滑坡、塌方、沉陷等渐发性事件，提高道路运营单位管理效率。
本实施例的采用了基于MEMS传感器技术的护栏监测系统的护栏监测方法包括：
在护栏板上分散式布置多个监测终端，监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，当护栏被车辆撞时，安装在护栏上的监测终端检测到护栏板发生碰撞或倾斜时，将通信节点位置的护栏监测信息以无线自组网方式上报至无线通信网关，包括加速度传感器检测护栏板由于碰撞而产生振动的信息，包括陀螺仪检测护栏板由于路面滑坡、塌方、沉陷造成倾斜的信息；护栏监测信息经无线通信网关通过GSM/GPRS通信上报服务器平台，再由服务器平台推送至养护单位。
护栏监测系统包括安装在护拦板上的监测终端、无线网关和平台服务器，监测终端采用无线自组网通信，每个监测终端为一个通信节点。每个通信节点都具有中继转发功能，且具有通信故障冗余功能，也就是当前中继节点发生故障，自动切换至其他节点，保证通信的可靠。监测终端检测到护栏发生碰撞或倾斜时，将节点位置信息上报至无线通信网关，由无线通信网关通过GPRS/GPRS通信将信息上报至服务器平台，系统示意图如图1所示。
安装在护栏上的监测终端实时监测护栏的振动和倾斜幅度，当检测到由于碰撞、路基塌陷等原因产生的护栏振动和倾斜幅度超过阈值时，监测终端唤醒主控MCU进行全速采集振动和倾斜角度传感器，经过数据滤波和数据分析，确认是否发生护栏碰撞或路面塌陷。
当检测到护栏碰撞或路面塌陷事件，通过监测终端组成的无线自组网将事件发送至无线通信网关，无线通信网关再通过GPRS/GPRS通信方式将事件上传互联网服务器平台。服务器平台根据事件类型和策略将信息推送给相应路段的救援和维护人员，为相关人员第一时间赶赴现场开展救援和维修工作提供了前提条件。
此外，管理人员还可以通过客户端web页面登陆查看相应权限范围内的护栏监测系统的运行、检测情况，提高信息化管理水平。
用于护栏监测的监测终端硬件电路主要包括主控MCU、电池、射频芯片、微动开关及MEMS传感器组成，硬件电路原理框图如图2所示。其中，MEMS传感器可以包括加速度传感器、陀螺仪，加速度传感器用于检测护栏由于碰撞而产生的振动，陀螺仪用于检测护栏由于路面滑坡、塌方、沉陷造成倾斜。
微动开关装在监测终端的背面，与护栏板接触的一面。未安装时，微动开关弹开，监测终端断电。安装采用粘贴的方式，监测终端背面直接粘在护栏上，微动开关压平，监测终端通电工作。监测终端在安装时参数设置通过无线方式，该微动开关可作为无线配对时的控制信号，设置的参数包括监测终端的节点地址、通信频段及位置经纬度。
监测终端采用电池供电，为了降低功耗，延长使用时间，主控MCU平时大部分时间都处于休眠状态，只有在接收无线组网轮询数据包和传感器产生中断时才唤醒。加速度传感器和陀螺仪等MEMS传感器采用中断方式采集数据，当振动和倾斜角度超过一定阈值，产生中断唤醒主控MCU后连续采集加速度传感器或陀螺仪数据，并对采集的数据进行滤波处理，并进行进一步处理，判断护栏是否发生碰撞或倾斜事件。当接收到本监测终端节点的无线组网通信轮询包时，将检测到的事件通过无线通信上传。没有检测到事件，则回复轮询应答，流程如图3所示。
以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进行限定；以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围；在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于MEMS传感器技术的护栏监测系统，包括安装于护栏板上的多个监测终端，以及无线通信网关和服务器平台，其特征在于，所述监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，其包括了主控MCU、射频芯片、微动开关及MEMS传感器；所述MEMS传感器、微动开关与护栏板相接触；所述无线通信网关包括网关无线通信模块；所述服务器平台包括服务器无线通信模块及数据处理模块；所述MEMS传感器、微动开关分别与主控MCU相连接，主控MCU连接射频芯片，射频芯片连接网关无线通信模块，网关无线通信模块连接服务器无线通信模块及数据处理模块，微动开关的控制信号及MEMS传感器的护栏板碰撞振动采集数据经主控MCU传输至射频芯片，射频芯片以无线自组网方式与无线通信网关通信，每个监测终端通信节点的护栏监测信息通过无线通信网关传输至服务器平台。
2.如权利要求1所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统，其特征在于，所述监测终端还包括为监测终端供电的电池，电池连接主控MCU、射频芯片。
3.如权利要求1所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统，其特征在于，所述网关无线通信模块采用GSM/GPRS通信模块。
4.如权利要求1所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统，其特征在于，所述MEMS传感器包括用于检测护栏碰撞振动的加速度传感器，和用于检测护栏倾斜的陀螺仪；所述加速度传感器和陀螺仪装置于护栏板上。
5.如权利要求1所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统，其特征在于，所述微动开关与护栏板的一面相接触；微动开关为弹开状态，监测终端断电；微动开关为压平状态，监测终端通电工作。
6.如权利要求1所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统，其特征在于，多个监测终端分散式布置于护栏板上。
7.一种采用如权利要求1至6任一项所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统的护栏监测方法，其特征在于，该方法包括：在护栏板上分散式布置多个监测终端，监测终端采用无线自组网通信模式，每个监测终端为一个通信节点，当护栏被车辆撞时，安装在护栏上的监测终端检测到护栏板发生碰撞或倾斜时，将通信节点位置的护栏监测信息以无线自组网方式上报至无线通信网关，包括加速度传感器检测护栏板由于碰撞而产生振动的信息，包括陀螺仪检测护栏板由于路面滑坡、塌方、沉陷造成倾斜的信息；护栏监测信息经无线通信网关通过GSM/GPRS通信上报服务器平台，再由服务器平台推送至养护单位。
8.如权利要求7所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统的护栏监测方法，其特征在于，所述监测终端采用粘贴的方式安装于护栏，加速度传感器和陀螺仪直接接触护栏板，微动开关安装于监测终端的背面、与护栏板的一面接触；微动开关在监测终端未安装于护栏时，其为弹开状态，监测终端为断电状态；当监测终端背面直接粘在护栏上，微动开关与护栏板接触，微动开关压平，监测终端通电工作；监测终端在安装时通过无线方式完成参数设置，微动开关作为无线配对时的控制信号，设置监测终端的节点地址、通信频段及位置经纬度参数。
9.如权利要求7所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统的护栏监测方法，其特征在于，所述监测终端采用无线自组网通信方式，每个监测终端为一个通信节点，每个通信节点都具备中继转发功能和通信故障冗余功能，如果当前中继节点发生故障，则自动切换至其他通信节点，以保证通信的可靠性。
10.如权利要求7所述的基于MEMS传感器技术的护栏监测系统的护栏监测方法，其特征在于，所述监测终端的主控MCU一般为休眠状态，接收无线组网轮询数据包和传感器产生中断时唤醒；MEMS传感器采用中断方式采集数据，当振动和倾斜角度超过一定阈值，产生中断唤醒主控MCU后连续采集加速度传感器或陀螺仪数据，并对采集的数据进行滤波处理，通过处理后的数据，判断护栏是否发生碰撞或倾斜事件；当接收到本监测终端节点的无线组网通信轮询包时，将检测到的事件通过无线通信上传；没有检测到事件，则回复轮询应答。
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