基于ZigBee和MEMS传感器的户外广告安全检测方法与流程

本发明属于无网络监测领域，具体涉及一种基于ZigBee和MEMS传感器的户外广告安全检测方法。

背景技术：

如今大型户外广告设备在城市以及交通干道沿线等得到广泛使用，普及度不断提高。而由于体积较大，长期出在户外环境中，受风吹雨淋，老化腐蚀等问题影响，存在安全隐患，弱发生倾斜甚至倾倒，将造成难以预估的生命和财产损失。

目前国内大多数户外广告设备的监测方法一是依靠相关部门的工作人员通过目测或者简单的设备来进行现场检测，二是在户外设备周边通过摄像头采集图像信息进行远程监测，甚至有些处于无监测状态，被动等待事故发生。而以上两种方法往往也存在测量精度不足，范围有限，无法有效发现潜在威胁等缺陷。

而随着无线通信技术和微机电系统(MEMS)的快速发展，小体积、低功耗、应用方便的无线传感网络随之出现，并成为今年来应用和研究的热点。ZigBee技术是无线传感网络领域近几年最热门的技术之一，是一种基于IEEE802.15.4协议标准的一种无线通信技术，具有短距离，低速率，低复杂度，低功耗和低成本的特点，在自动控制和远程数据采集领域得到广泛应用。该技术的发展和成熟为解决上述问题提供了途径。

MEMS运动传感器基于近年来快速发展的MEMS技术，是一个可大批量生产的独立智能系统，在几毫米的封装内集成三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、温度传感器等多个传感器。它的应用为姿态信息的采集和处理提供了很大便利，广泛应用于手机、平板电脑、便携导航设备、航空航天领域等。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于ZigBee和MEMS传感器的户外广告安全检测方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

采用ZigBee无线技术搭建网络平台，并采用MEMS运动传感器数据融合算法，实现了对户外广告设备的高精度测量和多点监测；

户外无线广告安全监测系统总体结构由传感器采集子系统、智能终端监控平台、无线传感网络三部分组成；

传感器采集子系统的硬件由多个传感器数据采集节点组成，需要放置在监测目标的不同部位以便综合数据获取目标的整体状态。传感器数据采集节点包括传感器测量模块、无线控制收发模块和电源模块。传感器模块采集加速度和角速度数据，通过融合算法获取姿态。无线控制收发模块采用ZigBee控制与射频集成芯片实现，负责完成传感器数据与系统网络的对接。电源模块由锂电池与稳压电路组成；

智能终端监控平台以基于ARM9的S3C2440芯片为核心，由Micro2440核心模块、电源模块、触摸屏模块、串口模块、协调器模块、GPRS模块等组成。各无线传感器节点将采集到的数据通过无线组网传给协调器节点，再经串口发送给核心模块，分析数据判断是否存在异常并作出相应处理；

无线传感网络是系统的核心部分，由无线传感网络节点和节点软件模块组成。负责系统数据的采集、转发和接收的功能。无线传感网络节点的通信模块由CC2530及其外围电路构成，与终端的区别在于内部软件不同。由于广告设备面积有限，无线传感器网络采用星形网络拓扑结构；

本发明方法具有数据测量稳定性好，测量精度高，传输性能可靠等特点。

附图说明

图1为无线广告安全监测系统结构。

图2为单个传感器数据采集节点。

图3为传感器检测轴及其方向。

图4为数据融合算法流程图。

图5为各种拓扑结构图。

图6为终端节点的软件流程图。

图7为处理器软件流程。

图8为终端监控平台结构图。

图9为本发明方法应用例。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。本发明设计实现了一种基于ZigBee无线传感网络的分布多点式监测系统和基于MEMS运动传感器的无线采集系统，并设计了终端监控平台实现对户外广告设备的监测。

本发明所采用的技术方案是：

由传感器和ZigBee无线控制收发模块组成ZigBee传感器终端节点，数个ZigBee传感器终端节点组成传感器采集子系统。传感器采集子系统与ZigBee协调器组建无线传感网络，将各节点采集的测量数据发送至终端监控平台进行分析处理，并将结果发送到远程服务器。无线广告安全监测系统结构如图1所示。

单个传感器数据采集节点的结构如图2所示，包括传感器测量模块、ZigBee无线控制收发模块和电源模块。多个节点在监测目标的不同部位均匀分布，测量不同位置的姿态信息。传感器测量模块采用MPU6050传感器，该传感器可获取当前节点位置的三轴加速度和三轴角速度信息，传感器检测轴及其方向如图3所示。通过数据融合算法得到三个姿态角度数据，数据融合算法流程如图4所示。MPU6050内部集成了数字运动处理器(DMP)，可以直接输出四元数，解算出欧拉角，大大简化了数据融合的计算过程，并且减轻了处理器的负担，加速了处理流程，提高了系统的实时性。

MPU6050将四元数以q30的格式输出，即将浮点数放大了230倍。在求欧拉角之前需要先除以230转化为浮点数。计算公式为：

w＝quat[0]/q30

x＝quat[1]/q30

y＝quat[2]/q30

z＝quat[3]/q30

公式中，w、x、y、z为转换后的浮点型的四元数，quat[0]～quat[3]是MPU6050的DMP解算后的四元数，q30是一个常量：1073741824，即2的30次方。

接下来需要将四元数转换成欧拉角表示，根据公式：

公式中，θ、ψ分别为绕空间坐标系X轴、Y轴、Z轴的旋转角度，即roll、pitch和yaw，w、x、y、z为浮点型的四元数。由于arctan函数和arcsin函数的结果区间是这并不能覆盖所有朝向(对于θ角，的取值范围已经满足)，因此需要用arctan2函数来代替arctan函数。即

如此就得到了所需要的姿态角度数据，根据每个角度不同时刻下的变化值，可以获得设备状态的稳定性数据。

无线传感网络由网络节点和节点软件模块组成，采用星形拓扑结构即可覆盖有限的广告设备面积，如图5。在该网络中，一个协调器作为整个ZigBee网络的核心设备节点，负责ZigBee网络的建立，并选定整个网络的频道，决定网络传输数据的通信速率。也可将网络配置成广播或者组播等传播模式，并允许合适的终端节点和路由器加入到网络中；当ZigBee网络通过协调器被初始化建立起来之后，即使将这个协调器关闭，所建立的ZigBee网络仍然能够正常工作。终端节点的主要功能是实现与协调器或者是路由器之间数据的接收与发送，在不接收或者发送数据的状态下，可以软件控制使它处于休眠的省电模式，以此可以延长终端节点的工作周期。

ZigBee的无线传感网络节点均采用CC2530作为无线通信模块，协调器与终端设备的硬件结构基本相同，都是由CC2530芯片及其外围电路构成，CC2530结合了领先的RF收发器，片内集成了标准的增强型8051 CPU。CC2530芯片很好地支持了TI公司的Z-Stack 2007协议栈，能够非常方便地组建无线网络，实现节点间的无线传输。ZigBee的协议分为两部分，IEEE 802.15.4定义了PHY(物理层)和MAC(介质访问控制层)技术规范；ZigBee联盟定义了NWK(网络层)、APS(应用程序支持子层)、APL(应用层)技术规范。ZigBee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供API(应用层)，用户可以直接调用。

Z-Stack 2007协议栈是基于任务轮询调度的机制。在主函数开始执行后首先进行一系列必要的初始化，然后就将控制权交给操作系统一直循环查询需要处理的任务。任务号是按照任务的优先级分配，并且将任务处理函数存放在tasksArr[]数组中。具体的任务事件处理是根据任务的ID号(task-id)和具体事件号调用相应事件处理函数。系统ZigBee节点的程序就是放在应用处理函数中不同事件号下来实现。对于采集节点，在设定的定时周期响应函数osal-start-timerEx()产生的事件中执行传感器数据采集。对于控制执行节点，在串口接收响应事件函数中实现。终端节点的软件流程图如图6所示。对于协调器节点，接收RF传输的数据并将数据通过串口发送给嵌入式处理器，处理器会根据接收到的数据显示、分析报警并发送相应控制信号给协调器。软件流程如图7所示。

终端监控平台采用三星公司生产的基于ARM9内核的微处理器S3C2440作为主控芯片，硬件组成主要包括了Micro2440核心板、电源电路、触摸屏接口电路、串口电路、协调器模块、GPRS模块等，结构框图如图8所示。软件运行在嵌入式Linux系统下，GUI程序采用Qt开发。Qt是由奇趣科技开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序，也可用于开发非GUI程序，比如控制台工具和服务器。

各无线传感器节点将采集到的数据通过无线组网方式将数据传给协调器节点，协调器与嵌入式系统通过串口实现数据的交流。嵌入式系统接收到传感器采集数据后需要对数据分析判断姿态角度数据是否正常，以此判定设备是否正常工作。如果发现异常立即做出相应处理。同时，一旦发现异常都会通过GPRS模块给指定人员发送短信通知，做到实时监控。此外，监控中心可通过LCD触摸屏控制，设置相关参数，显示实时数据及波形曲线，并具备数据库存储与显示功能，能够通过GPRS模块向远程服务器发送数据。

为了提高运行效率，Qt应用程序采用多线程工作模式，ZigBee协调器和GPRS模块调用分别单独占用一个子线程，主线程负责数据处理、波形显示和数据存储查询。

如图9所示，将多个无线传感器终端节点安装在户外广告牌匾背面刚体支架的关键受力点上，具体位置视具体情况而定，不同广告牌的关键受力点不同。终端节点数量可根据实际情况酌量添加，ZigBee无线网络理论上可最大支持65535个节点，在实际应用中可以不必担心节点数目受限，一般采用4～20个节点即可完全满足测量需求。协调器节点与嵌入式监控平台需要不间断供电，距离广告牌也不能太远，可以将协调器节点、嵌入式监控平台统一安装到附近设备箱中，方便现场维护与调试。实时数据可由GPRS模块同步到云端服务器，当有异常状况发生时，监控平台可以通过短信及预警信息发送云端等两种方式通知给相关管理人员。

经过实验证明，该系统数据测量稳定性好，测量精度高，传输性能可靠，系统可行。