商丘有无线加速度传感器

利用加速度传感器测量物体的倾斜角度
1 说明



测量物体的倾斜角度是加速器传感器的一种常见的应用。虽然其基本原理十分简单，但是在具体实现中仍然会遇到很多困难，比如倾斜角度的精度问题，数学计算过于复杂等等。本文将对精度问题进行详细讨论，并给出一种简化的计算方法。



2 基本原理



由于加速度传感器在静止放置时受到重力作用，因此会有 1g 的重力加速度。利用这个性质，通过测量重力加速度在加速度传感器的 X 轴和 Y 轴上的分量，可以计算出其在垂直平面上的倾斜角度。

这样，根据以上原理一个 2 轴加速度传感器可以测量在 X-Y 平面上的倾斜角度。



需要注意的是，2 轴加速度传感器只能测量 X 轴和 Y 轴上的重力分量，因而只能测量 因而只能测量 X-Y平面上的倾斜角度 。可是由于物体在空间倾斜的时候，很难保证倾斜完全在 X-Y 平面上，这样只使用 2 轴加速度传感器进行测量会存在局限性，因此，我们考虑使用 3 轴加速度传感器。如下图所示，3 轴加速度传感器可以测量 X 轴、Y 轴和 Z 轴的重力分量，计算空间倾斜角度的公式可以推广为 。


这个公式就是本文中用来测量物体倾斜角度的基本原理。需要说明的是，这里利用的是物体在静止时受到重力的性质，如果物体同时也有运动加速度的话，那么这个公式将不再准确。所以必须为公式增加一个限制条件，即




3 硬件实现



目前，在消费类产品中使用的加速度传感器分为数字输出 （例如 ADXL345）和模拟输出 （例如 ADXL335）两种。数字输出的加速度传感器可以直接通过 I2C 或 SPI 总线与 MCU 进行连接；模拟输出的加速度传感器则需要使用 ADC 进行采样。现在，普遍使用的 MCU 中基本都有内置的 ADC 通道，所以无论是数字输出还是模拟输出的加速度传感器都可以非常容易地和 MCU 进行连接，进而实现测量功能。
无线传感器的应用


无线传感器在交通系统中的应用。无线传感器在交通系统中的实际应用总体而言可以分别从信息采集和道路控制两个方面进行分析：首先，全新的无线传感技术已经结合了集微电子、通信技术等一系列信息化技术，这就使得无线传感器在交通系统中的应用变得更加多元化。对于我国这种发展中国家而言，在日渐完善的道路交通系统中，要想保证道路交通的能力，就要较大限度的去完善交通信号及道路交通管理的能力。当无线传感器技术运用到道路交通中时，不但可以对道路实际的路况信息进行实时的采集分析，还可以在较短时间内做出及时的响应。其次，通过传感器系统的建立，就会使得整个城市的运转能力得到较大的提升，当处在城市中或者较远区域的人们掌握到及时的道路交通信息，就会根据相应的路况做出科学的调整，这不但会对自身同时也会对他人带来较大的便利，交通顺畅了，整个城市的运输管理和服务水平也自然得到了质的飞跃。再次，采用先进的无线传感器技术还可以对车辆进行违章检测、道路收费和信息检索，同时对停车场收费也可以进行统一规范，当道路交通中的停车信息数据得到及时的规范处理，那对于一些人为性的交通事故也就可以得到避免。最后，科学的运用无线传感器的相关技术还可以提高运输部门对于整个城市的综合服务水平，让这个城市的运作变得更加科学，便捷。


无线传感器在军事上的应用。在现代电子化的军事较量中，无线电传感器的作用更是不容小觑，现在较为成功的是在大型范围内进行检测的传感器网络与在小型区域检测的小型传感器网络。在面对一些较为复杂且人员无法到达的地形时，就可以通过释放传感器来做到对此区域的全面掌控。而在战斗单位上安装各类传感器，可以做到对敌方战斗人员的即时监控，来方便我方战队随时制定进攻方案与防御工事。无线传感器还可以检测出战斗阵地上的一切可疑物体，帮助我方人员及时做出排查，从而较大限度的减少不必要的损失与伤亡。


无线传感器在家庭生活中的应用。无线传感器其实离我们的生活并不遥远，在很多的日常活动中传感器技术都与我们息息相关，例如传感器对于人们生活环境的及时检测，不但可以根据数据提供出一个更为舒适的生活环境，同时还可以及时的对一些灾害做出预警，保障每一个人的安全。


无线传感器在环境监测中的应用。因为若要将无线监测器用于外界环境当中，就要考虑到外界环境的不稳定性与随机性，这就要求所选取的无线传感器要具备价格低廉、部署简单、操作简便等优点，从而保证对于环境监测的可持续性。

在当今信息技术呈爆炸式发展的潮流中,无线传感器以其全新的数据获取与处理技术逐渐进入人们的视线,并且在很多领域得到了广泛的应用与普及。当今国内无线传感器的发展方向大多集中在对于传感器数据接收的网络节点处，并且对用于信息处理的硬件设备也有部分研究。而伴随研究的不断深入与科技创新的不断突破，无线传感器已经开始向着智能式与便携式方向发展，它作为协作技术的核心部分其前景不可**。无线传感器的所有技术是过去单一传感器技术、无线电通信技术的完美融合，并且在融合的同时更在操作便捷性上做出了较大的突破。无线电传感器因为其特殊的节点式感应接收模式使得它在通信能力上就会显得十分有限，对一些大规模的数据也很难及时做到处理与响应，而对于这种十分有限的数据处理能力，要想让无线电传感器发挥出其较大的作用，就要根据实际的处理区域情况做出一系列相应的调整对策。作为当今国际学术领域的研究热点，无线电传感器的出现让微电子技术与计算机网络技术完美融合在一起。并使得这一技术在军事科技、*科技、城市规划、抢险赈灾、环境保护等方面都体现出了十分重要的价值，**都已无法忽视这一重要的技术。
无线传感器的选用原则


虽然无线传感器的出现时间并不长，但是它依旧有很多的种类，且每个类别所履行的实际任务也不同，在遇到实际的问题时，要根据现场的实际测量目的、测量对象及测量环境来科学的选取合适的无线传感器来进行数据收集。而无线传感器的实际选择应该遵循以下几个重要原则：


灵敏度的选择。一般而言，对于无线电传感器来说设备的灵敏度当然是越高越好，但是在实际的使用中就会发现常常无线传感器的灵敏度会受到很多外界因素的不可抗逆性干扰，这就会使得整个数据测量的精确度受到干扰，此外，在方向性这一方面，传感器的灵敏度也不是越高越好，而是需要根据测量的对象来做进一步的选择，例如，如果选择的测量对象并非单向量，那么传感器的灵感度选择还是越小越好。


稳定性及精度选择。无论何种设备在使用过程中都会出现性能变化，所以对于无线传感器而言，其稳定性还是十分重要的指标。所以在实际的传感器选择时就需要优先考虑测量的环境，在对使用环境做出详尽调查之后合理安排传感器的类型。而当一些传感器**龄服役过后还是需要对传感器的性能进一步进行测评，而对于一些环境变量不太稳定的区域，就可以选择一些更为耐用的传感器来应对环境的改变。之所以如此注重传感器的稳定性，是因为无线传感器的稳定性和精度之间是存在着严密的关系，一旦传感器的稳定性出现偏差，那么对于传感器的精度将是致命的打击。在测量时，有时还需要根据测量目的不同来选择无线传感器的类型。一般的测量目的分为定量分析和定性分析两类，对于定性分析而言，有一个概念性的数据结果即可，所以就不必使用精度偏高的传感器；而定量分析需要精确地得出监测数据，此时就需要精度等级较高的传感器来满足对于测量要求。


频率响应。传感器的机械性能和结构不但可以影响其精确度与稳定性，还会对传感器的频率产生影响，只有传感器的频率响应得到十足的保证，传感器的测量范围也才能得到保证。
无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源四个模块。传统的计算机网络技术中业已成熟的解决方案可以借鉴到无线传感器网络中来。但是基于无线传感器网络自身的用途和优点，开发专用的通信协议和路由算法已经成为了当前无线传感器网络领域内急待研究的课题。


无线传感器网络的特点


1、 无线传感器网络包括了大面积的空间分布


比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署在战场上跟踪敌人的军事行动，智能化的终端可以被大量地装在宣传品、子弹或炮弹壳中，在目标地点撒落下去，形成大面积的监视网络。


2、 能源受限制


网络中每个节点的电源是有限的，网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，更换电源几乎是不可能的事，这势必要求网络功耗要小以延长网络的寿命，而且要尽较大可能的节省电源消耗。


3、 网络自动配置，自动识别节点


这包括自动组网、对入网的终端进行身份验证、防止非法用户入侵。相对于那些布置在预先*地点的传感器网络而言，无线传感器网络可以借鉴ad hoc方式来配置，当然前提是要有一套合适的通信协议保证网络在无人干预情况下自动运行。


4、 网络的自动管理和高度协作性


在无线传感器网络中，数据处理由节点自身完成，这样做的目的是减少无线链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息才在链路中传送。以数据为中心的特性是无线传感器网络的又一个特点，由于节点不是预先计划的，而且节点位置也不是预先确定的，这样就有一些节点由于发生较多错误或者不能执行*任务而被中止运行。为了在网络中监视目标对象，配置冗余节点是必要的，节点之间可以通信和协作，共享数据，这样可以保证获得被监视对象比较全面的数据。


对用户来说，向所有位于观测区内的传感器发送一个数据请求，然后将采集的数据送到*节点处理，可以用一个多播路由协议把消息送到相关节点，这需要一个一的地址表，对于用户而言，不需要知道每个传感器的具体身份号，所以可以用以数据为中心的组网方式。


5、与移动ad hoc网络的区别


无线传感器网络作为一种分布式传感器网络，和移动ad hoc网络有相似点，但又有很多不同。移动ad hoc网络可以用于没有无线基础设施存在或出于费用和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合，而传感器很多时候被布置在近地环境中，地波吸收现象不能被忽视，并且高密度布置的传感器网络中的多用户接口也造成了很高的误比特率。作为移动通信的两种基本组网模式之一，移动ad hoc网络中的传输模型是典型的多对多式，而传感器网中的传输模型更偏向于分层次模型（多对一传输）。一般来说，无线传感器网络的节点比典型的移动终端或手持设备有更多的资源受限要求，但对于计算的要求则是可有可无的，当需要执行计算任务时，如果通信成本比计算成本低，计算任务就被送到中心节点去执行。

无线传感器网络典型的网络结构和工作方式如下：
将大量传感器节点布置或抛洒到感兴趣的区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。每个节点都有自己控制的一个区域，通过感知设备，如温度、湿度、声音或光学设备，化学分析装置，电磁感应装置等，来对周围的物理环境进行监控，也可以通过配置一些专用的功能单元来实现与特定环境交互的功能。节点的通信距离一般较短，只能与自己通信范围内的其他传感器节点(称作邻居节点或邻居)交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。因此，节点既是信息的采集和发出者，也是信息的转发传输者，采集的数据通过多跳路由到达汇聚节点(一些文献也称作网关)，汇聚节点是一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也可以利用飞机飞越网络上空，通过无线通信采集网关数据。为了保证网络内大多数节点都可以与网关建立无线链路，并且保证传感器节点对目标区域有很好的覆盖，节点的分布要相当的密集。高密度分布还可以在某些传感器节点能量耗尽或者出现故障时不影响网络的连通性和整体的工作。无线传感器网络典型的体系结构如图1所示。节点具有传感、信号处理和无线通信功能。

与传统的无线网络相比，无线传感器网络具有以下特点：
(1)电源容量有限。无线传感器网络节点一般由电池供电，而且在使用过程中也不能给电池充电或更换电池。因此无线传感器网络设计的基本原则就是都要以节能为前提。


(2)传感器节点由于受到低成本、小体积和低功耗的限制，其硬件、软件资源非常有限。


(3)无中心。无线传感器网络一般是一个对等式的网络。


(4)自组织。无线传感器网络的布设和展开*依赖于任何预设的基础设施。


(5)多跳路由。网络中节点通信距离有限，如果希望与较远的节点进行通信，则需要通过中间节点多跳路由来实现。


(6)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；网络的拓扑结构会随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。


(7)节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，传感器节点往往分布得非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。


无线传感器网络属于一种特殊的Ad hoc网络[1—5]，它虽然与传统的Ad hoc网络有很多相似的地方，但是与传统的Ad hoc网络相比，无线传感器网络的节点分布更加密集，能量更加有限，无线传感器网络中的传感器节点在大多数情况下是静止的。在无线传感器网络中，数据是被分散处理的，系统会根据需要尽早对数据进行处理，这样可以减少网络的流量，降低功耗并提高系统利用率。由于成本和功耗的限制，无线传感器网络节点的硬件设备资源十分有限，数据的处理能力和存储能力都比较弱。这就决定了在设计无线传感器网络各层技术标准的时候都要以简单和节能为较重要的前提条件。


无线传感器网络的协议分层结构基本采用传统网络的分层结构，即包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。另外，能量、移动、任务等管理平台用于监控网络中的能量利用、节点移动和任务分配。这些平台能够帮助传感器节点在较低能耗下协作完成某些监控任务。图2所示为无线传感器网络的协议栈结构。

能量管理平台用来管理一个节点如何使用它的能量。例如，当一个节点收到一个邻居节点发来的消息之后，它可以将它的接收机关闭，避免接收到重复的消息。同样，当一个节点的能量较低时，它会向邻节点广播一条消息，告诉邻节点自己已经没有多少能量，不能再用来对消息进行传递了，这样它就可以不再接收邻节点发来的需要传递的消息，将能量都留给自己的消息发送。移动管理平台能够监测并记录节点的移动。任务管理平台用来平衡和规划某个区域的感知任务，安排哪些节点执行哪些感知任务，能量高的节点可以比那些能量低的节点多承担一些任务。有了这些管理平台，节点能够低能耗地协调工作，能够在移动的情况下传递数据，能够在节点之间共享资源。


无线传感器网络自身的特点决定了它不能使用目前已经存在的一些标准协议，国外的研究工作者为无线传感器网络的各个层次都提出了一些解决方案，但是总的来说，到目前为止还没有形成可被广泛认同的标准。