倾斜角度监测装置和系统的制作方法
本申请涉及物联网传感器技术领域，具体涉及一种倾斜角度监测装置。
背景技术：
随着城市化进程的进一步加快，市政公用设施建设发展迅速。市政、电力、通信等部门有大量市政设备、资产需要管理。其中各种线杆成为了不可忽视的一项。大量在外线杆由于缺乏有效的实时监控管理手段，出现了了大量的线杆倒伏造成人员财产损失的情况，同时大量的损坏线杆也因无法及时获知而得不到及时修复，这样不仅影响了相关设备的正常工作，造成巨大的直接或间接经济损失，而且倒伏后仍继续工作的线杆，或者倾斜的线杆悬而未决，都给和谐社会安全造成了极大负面影响。
倾斜监测终端是用来监测路灯杆、电线杆、外置广告牌匾、基站塔等设施状态的，当监测的设施出现倾倒情况时，倾斜监测终端会将倒伏信息告知管理者。现有的倾斜监测终端普遍都是采用陀螺仪作为检测倾斜的传感器，采用3g/gprs等通讯方式将信息上传至基站再下发到管理者手机或电脑端。
相关技术中，陀螺仪(角速率传感器)以机械系统部件为主，体积大，笨重，不耐冲击，且本身无法产生电信号，陀螺仪测角速度的是惯性原理，在短时间内比较准确而长时间则会因为漂移而产生误差，所以陀螺仪适用于短时间、动态情况的姿态变化。在通讯方式方面，目前存在的倾斜监测终端大多以gprs/3g/cdma等通讯，此类通讯方式所依托的模组功耗高，对电池的要求较大，并且3g模组成本高，价格昂贵，且后续所产生运营商的服务费用高。
三轴加速度计可以测横滚、俯仰的，其特点是体积小巧，精度高，可直接输出信号。并且加速度计是测量线性加速度的，其原理是利用力平衡原理，加速度计在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，会产生误差。
技术实现要素：
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种倾斜角度监测装置和系统。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种倾斜角度监测装置，包括：
加速度传感器，用于在发生倾斜位移时产生加速度数据；
处理单元，用于在接收到所述加速度数据时从低功耗状态唤醒，并根据所述加速度数据计算出倾斜角度；
数据传输单元，用于在接收到所述倾斜角度时从省电模式进入发射状态，并将所述倾斜角度上传到云端服务器。
进一步地，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。
进一步地，所述三轴加速度传感器采用三轴陀螺仪和三轴加速度计组合而成。
进一步地，所述三轴加速度传感器的一个传感方向与重力方向垂直设置，一个传感方向与重力方向平行设置。
进一步地，所述数据传输单元为物联网通信模块。
进一步地，所述物联网通信模块为nb-iot模组；
在未接收到所述处理单元发送的数据时，所述nb-iot模组处于省电模式。
进一步地，所述处理单元还用于：
将计算出倾斜角度与预设的报警阈值进行比较；
如果所述倾斜角度大于报警阈值，则将所述倾斜角度发送给所述数据传输单元。
进一步地，所述数据传输单元还用于：
获取位置信息；
将所述位置信息与所述倾斜角度一同上传到云端服务器。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种倾斜角度监测系统，包括：
如上所述的任意一种倾斜角度监测装置；
云端服务器，用于接收所述数据传输单元上传的倾斜角度，并按照预设的报警方式发出报警信息。
进一步地，所述云端服务器还用于：
接收所述数据传输单元上传的位置信息，并根据位置信息在地图上的对应位置显示异常图标。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
该倾斜角度监测装置能够对长时间保持固定状态的外置灯杆、线杆等设施进行监测，采用加速度传感器进行检测，可以确保检测结果的准确度较高；处理单元和数据传输单元大部分时间处于低功耗的休眠状态，只有在加速度传感器产生动作后才会被触发，因而功耗低、成本低，同时还能够保证及时将状态信息上传。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种倾斜角度监测装置的电路框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和系统的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种倾斜角度监测装置，包括：
加速度传感器，用于在发生倾斜位移时产生加速度数据；
处理单元，用于在接收到所述加速度数据时从低功耗状态唤醒，并根据所述加速度数据计算出倾斜角度；
数据传输单元，用于在接收到所述倾斜角度时从省电模式进入发射状态，并将所述倾斜角度上传到云端服务器。
该倾斜角度监测装置能够对长时间保持固定状态的外置灯杆、线杆等设施进行监测，采用加速度传感器进行检测，可以确保检测结果的准确度较高；处理单元和数据传输单元大部分时间处于低功耗的休眠状态，只有在加速度传感器产生动作后才会被触发，因而功耗低、成本低，同时还能够保证及时将状态信息上传。
一些实施例中，所述加速度传感器为三轴加速度传感器。
一些实施例中，所述三轴加速度传感器采用三轴陀螺仪和三轴加速度计组合而成。
一些实施例中，所述三轴加速度传感器的一个传感方向与重力方向垂直设置，一个传感方向与重力方向平行设置。
目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且分辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集成较少，且大多数只是提供模拟量输出。就传感器的发展情况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小型化及产品精度等指标方面较领先，如模电为倾角传感器。就网络查询反馈看，产品主要集中在欧美几家大公司，在国内普遍应用较广的有如芬兰的vti公司，德国的西门子公司、英国的clino公司、美国的crossbowtechnology公司等。就国内外产品种而言，其数量较少，但从数字化、小型化、精度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值。如ls系列产品分辨率可达1.8，英国clino公司sp系列产品高度只有22mm，特殊的可达16mm，可用于一些特殊场合。crossbow公司cxta、美国数字公司a2产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连。同时在查阅的过程中可以看出，加速度传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也得到广泛的应用。
通过对倾角监测的环境和应用范畴考虑，选择vtisca3000三轴加速度传感器。vti三轴加速度传感器是基于vti的3d-mems电容传感器技术的高精度三轴数字加速度传感器。sca3000由三个高精度微电机加速度传感元件和一个灵活的spi数字接口组成。传感器的双排引脚封装保证在sca3000整个生命周期安全可靠的工作。
vtisca3000三轴加速度传感器在整个设计、生产和测试阶段都是以高稳定性、高可靠性、高质量来要求，它的目标市场是汽车应用。这个三轴加速度传感器在工作范围内具有极期稳定的输出(包括全温区、湿度和机械噪声环境下)。
更加清楚地解释本专利，对加速度传感器测量倾角的原理进行说明。
对于一轴加速度传感器而言，当它的传感方向和重力加速度方向一致时，假如此时为零倾斜角度，设加速度传感器测量结果为f(θ)，θ为倾斜角度，g为重力加速度。
f(θ)＝gcosθ(1)
对f(θ)求导得：
所以当倾斜角θ太小时，测量的分辨率就会太小，当角度足够大时精度才会上升。所以对一轴倾斜角传感器的运用是：把它的传感方向与重力加速度方向垂直时的状态设为零倾斜角度。运用此方法测量倾斜角的原理是：
f(θ)＝gsinθ(4)
当θ→0时：
此时倾斜角度小时测量精度高，而对于一轴加速度传感器而言，只能测一个方向的倾斜角。所以用一个两轴加速度传感器，两个传感方向皆垂直于重力加速度，当两轴倾斜角倾斜时，加速度传感器测量结果为：
f(θx)＝gsinθx(6)
f(θy)＝gsinθy(7)
如何利用θx和θy求出倾斜角θ。首先定义两组三轴向量：[x，y，z]为参考0倾斜向量，[u，v，r]为倾斜后的向量。设向量[z，y，z]先绕y轴倾斜θx′，再绕x轴倾斜θy′，所以从[x，y，z]到[u，v，r]的转换为：
计算得到：
设x、y为水平方向，z为垂直方向。(x，y，z)＝(0，0，1)于是便有：
v＝sinθv′cosθx′(11)
r＝cosθx′cosθv′(12)
此时u＝kf(θx)＝kgsinθx，v＝kf(θy)＝kgsinθy，所以：
θx＝θx′(13)
sinθv＝sinθv′cosθx′(14)
而传感器实际倾斜角为：
所以只要得出两轴加速度传感器测量结果f(θx)和f(θy)就可以计算出θx和θy，进而知道总的倾斜度。
同一轴传感器，两轴传感器测量精度有限，当θx或θy越接近±π/2时，分辨率越低。只有在倾斜角度接近0时分辨率最高。利用两轴加速度传感器的这种测量方法可以实现全方位倾斜测量。
为实现高精度全摆幅倾斜测量就必须把两轴加速度传感器垂直放置，一个传感方向与重力方向垂直，一个传感方向与重力方向平行。运用此方法测量倾斜角。加速度传感器测量结果为：
f(θx)＝gcosθx(16)
f(θy)＝gsinθy(17)
此时θ为单方向上全摆幅、高精度倾斜角度。运用两轴加速度传感器无法解决倾斜角测量中全方位和全摆幅不能共同实现的矛盾。所以为测量一个全方位、全摆幅的倾斜角就必须使用三轴加速度计。
运用三轴加速度计测量倾斜角就必须把测量范围分为两档，一档为倾斜角为-π/4～π/4，二档为倾斜角为(-π/2～-π/4)&(π/4～π/2)。当倾斜角度在-π/4～π/4之间时，
一些实施例中，所述数据传输单元为物联网通信模块。
一些实施例中，所述物联网通信模块为nb-iot模组；
在未接收到所述处理单元发送的数据时，所述nb-iot模组处于省电模式。
一些实施例中，所述处理单元还用于：
将计算出倾斜角度与预设的报警阈值进行比较；
如果所述倾斜角度大于报警阈值，则将所述倾斜角度发送给所述数据传输单元。
一些实施例中，所述数据传输单元还用于：
获取位置信息；
将所述位置信息与所述倾斜角度一同上传到云端服务器。
本发明主要涉及倾斜监测装置，用于监测室外基站塔、灯杆、线杆等设施的状态；采用高灵敏度的三轴加速度传感器芯片，当灯杆或电线杆出现倾斜或倒伏时，会产生一定的倾斜角度(大于15度)；三轴加速度传感器触发处理单元(可以采用cpu)，使处理单元从低功耗状态醒来，通过触发nb-iot模组从psm(powersavingmode，省电模式)状态进入发射状态，将灯杆的状态信息和位置信息等数据上传到数据管理平台，实现灯杆的位置管理及状态监测。
psm即低功耗模式，其原理是允许nb-iot模组在空闲态一段时间后，关闭信号的收发和as(接入层)相关功能，相当于部分关机，从而减少天线、射频、信令处理等的功耗消耗，可大幅度省电。
nb-iot模组在psm状态下，不接收任何网络寻呼，对于网络侧来说，nb-iot模组此时是不可达的。但终端还是注册在网络中，因此要发送数据时，不需要重新连接或建立pdn连接。
nb模组具备低功耗等优点，对于电池的电量损耗低，便于灯杆、线杆上倾斜监测设备使用，不需要频繁更换电池，并且nb卡服务费用相较于2g/3g的服务费要低很多。广覆盖、低成本也是选择nb模组的重要原因之一。
三轴加速度传感器检测到倾斜角度后可将角度信息透传到处理单元，经过处理单元的运算处理后，判断倾斜角度是否到达报警阈值。例如，通过程序设置倾斜角度为10°的报警值，当传感器检测到倾斜监测设备倾斜10°后，mcu以nb-iot的通讯协议将报警信息发送到nb基站，再由基站转发到中国移动的onenet平台。
当模组接入onenet平台时，先在onenet平台建立对应硬件的产品类型，简单的说就是硬件产品在平台上的抽象。过程也非常简单，可参考官方提供的文档。建立完成之后，此时平台上产品处于离线状态，表示硬件模组还不能与平台进行通信，处于断开状态。接下来完成模组与平台连接的工作。连接成功后，onenet平台上的设备会显示处于在线状态，硬件与平台连接成功。通过at+miplnotify可以向平台发送数据，具体的可参考官方手册。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种倾斜角度监测系统，包括：
如上所述的任意一种倾斜角度监测装置；
云端服务器，用于接收所述数据传输单元上传的倾斜角度，并按照预设的报警方式发出报警信息。
一些实施例中，所述云端服务器还用于：
接收所述数据传输单元上传的位置信息，并根据位置信息在地图上的对应位置显示异常图标。
云端服务平台可实现24小时在线监测硬件产品的运行状态，并基于线上地图，可精确显示设备状态信息。当被监测设备出现倾斜时，地图上相应的报警地理位置图标会变红，并提示异常或报警信息，网页发出报警音，相关负责人员可立即点击图标掌握火警的具体位置，及时展开排查、确认、修复的工作。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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