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    利用加速度傳感器測量物體的傾斜角度
    1 說明



    測量物體的傾斜角度是加速器傳感器的一種常見的應(yīng)用。雖然其基本原理十分簡單，但是在具體實(shí)現(xiàn)中仍然會(huì)遇到很多困難，比如傾斜角度的精度問題，數(shù)學(xué)計(jì)算過于復(fù)雜等等。本文將對(duì)精度問題進(jìn)行詳細(xì)討論，并給出一種簡化的計(jì)算方法。



    2 基本原理



    由于加速度傳感器在靜止放置時(shí)受到重力作用，因此會(huì)有 1g 的重力加速度。利用這個(gè)性質(zhì)，通過測量重力加速度在加速度傳感器的 X 軸和 Y 軸上的分量，可以計(jì)算出其在垂直平面上的傾斜角度。

    這樣，根據(jù)以上原理一個(gè) 2 軸加速度傳感器可以測量在 X-Y 平面上的傾斜角度。



    需要注意的是，2 軸加速度傳感器只能測量 X 軸和 Y 軸上的重力分量，因而只能測量 因而只能測量 X-Y平面上的傾斜角度 ?？墒怯捎谖矬w在空間傾斜的時(shí)候，很難保證傾斜完全在 X-Y 平面上，這樣只使用 2 軸加速度傳感器進(jìn)行測量會(huì)存在局限性，因此，我們考慮使用 3 軸加速度傳感器。如下圖所示，3 軸加速度傳感器可以測量 X 軸、Y 軸和 Z 軸的重力分量，計(jì)算空間傾斜角度的公式可以推廣為 。


    這個(gè)公式就是本文中用來測量物體傾斜角度的基本原理。需要說明的是，這里利用的是物體在靜止時(shí)受到重力的性質(zhì)，如果物體同時(shí)也有運(yùn)動(dòng)加速度的話，那么這個(gè)公式將不再準(zhǔn)確。所以必須為公式增加一個(gè)限制條件，即




    3 硬件實(shí)現(xiàn)



    目前，在消費(fèi)類產(chǎn)品中使用的加速度傳感器分為數(shù)字輸出 （例如 ADXL345）和模擬輸出 （例如 ADXL335）兩種。數(shù)字輸出的加速度傳感器可以直接通過 I2C 或 SPI 總線與 MCU 進(jìn)行連接；模擬輸出的加速度傳感器則需要使用 ADC 進(jìn)行采樣。現(xiàn)在，普遍使用的 MCU 中基本都有內(nèi)置的 ADC 通道，所以無論是數(shù)字輸出還是模擬輸出的加速度傳感器都可以非常容易地和 MCU 進(jìn)行連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測量功能。

    傳感器專題之壓電陶瓷加速度傳感器
    加速度傳感器是測量加速度的傳感器，應(yīng)用較廣的是壓電加速度傳感器，它采用石英、陶瓷等壓電材料制作，具有頻響寬、線性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、電力、化工、武器、船舶、汽車等領(lǐng)域的振動(dòng)、沖擊和爆炸等動(dòng)態(tài)測試中。目前，易度傳感主打國內(nèi)市場的產(chǎn)品EA-192，完美的詮釋了這一應(yīng)用。


    壓電加速度傳感器是利用陶瓷的壓電效應(yīng)制成的一種加速度傳感器。當(dāng)壓電陶瓷沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。壓電陶瓷加速度傳感器常見的結(jié)構(gòu)形式有基于壓電元件厚度變形的壓縮式加速度傳感器、基于壓電元件剪切變形的剪切式及復(fù)合型加速度傳感器等3種。


    下面以一種壓縮式加速度傳感器為例，簡單介紹壓電式加速度傳感器的工作原理。其結(jié)構(gòu)圖如圖所示，它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、頂壓彈簧、基座及外殼等部分組成。壓電元件置于基座上用彈簧將壓電元件壓緊。測量加速度時(shí)，由于被測物體與傳感器固定在一起，所以當(dāng)被測物件作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓電元件也就受到質(zhì)量塊由于加速度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的與加速度成正比的慣性力F作用，壓電元件由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷q。

    無線傳感器的應(yīng)用


    無線傳感器在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用。無線傳感器在交通系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用總體而言可以分別從信息采集和道路控制兩個(gè)方面進(jìn)行分析：首先，全新的無線傳感技術(shù)已經(jīng)結(jié)合了集微電子、通信技術(shù)等一系列信息化技術(shù)，這就使得無線傳感器在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用變得更加多元化。對(duì)于我國這種發(fā)展中國家而言，在日漸完善的道路交通系統(tǒng)中，要想保證道路交通的能力，就要最大限度的去完善交通信號(hào)及道路交通管理的能力。當(dāng)無線傳感器技術(shù)運(yùn)用到道路交通中時(shí)，不但可以對(duì)道路實(shí)際的路況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集分析，還可以在最短時(shí)間內(nèi)做出及時(shí)的響應(yīng)。其次，通過傳感器系統(tǒng)的建立，就會(huì)使得整個(gè)城市的運(yùn)轉(zhuǎn)能力得到極大的提升，當(dāng)處在城市中或者較遠(yuǎn)區(qū)域的人們掌握到及時(shí)的道路交通信息，就會(huì)根據(jù)相應(yīng)的路況做出科學(xué)的調(diào)整，這不但會(huì)對(duì)自身同時(shí)也會(huì)對(duì)他人帶來極大的便利，交通順暢了，整個(gè)城市的運(yùn)輸管理和服務(wù)水平也自然得到了質(zhì)的飛躍。再次，采用先進(jìn)的無線傳感器技術(shù)還可以對(duì)車輛進(jìn)行違章檢測、道路收費(fèi)和信息檢索，同時(shí)對(duì)停車場收費(fèi)也可以進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，當(dāng)?shù)缆方煌ㄖ械耐＼囆畔?shù)據(jù)得到及時(shí)的規(guī)范處理，那對(duì)于一些人為性的交通事故也就可以得到避免。最后，科學(xué)的運(yùn)用無線傳感器的相關(guān)技術(shù)還可以提高運(yùn)輸部門對(duì)于整個(gè)城市的綜合服務(wù)水平，讓這個(gè)城市的運(yùn)作變得更加科學(xué)，便捷。


    無線傳感器在軍事上的應(yīng)用。在現(xiàn)代電子化的軍事較量中，無線電傳感器的作用更是不容小覷，現(xiàn)在較為成功的是在大型范圍內(nèi)進(jìn)行檢測的傳感器網(wǎng)絡(luò)與在小型區(qū)域檢測的小型傳感器網(wǎng)絡(luò)。在面對(duì)一些較為復(fù)雜且人員無法到達(dá)的地形時(shí)，就可以通過釋放傳感器來做到對(duì)此區(qū)域的全面掌控。而在戰(zhàn)斗單位上安裝各類傳感器，可以做到對(duì)敵方戰(zhàn)斗人員的即時(shí)監(jiān)控，來方便我方戰(zhàn)隊(duì)隨時(shí)制定進(jìn)攻方案與防御工事。無線傳感器還可以檢測出戰(zhàn)斗陣地上的一切可疑物體，幫助我方人員及時(shí)做出排查，從而最大限度的減少不必要的損失與傷亡。


    無線傳感器在家庭生活中的應(yīng)用。無線傳感器其實(shí)離我們的生活并不遙遠(yuǎn)，在很多的日?；顒?dòng)中傳感器技術(shù)都與我們息息相關(guān)，例如傳感器對(duì)于人們生活環(huán)境的及時(shí)檢測，不但可以根據(jù)數(shù)據(jù)提供出一個(gè)更為舒適的生活環(huán)境，同時(shí)還可以及時(shí)的對(duì)一些災(zāi)害做出預(yù)警，保障每一個(gè)人的安全。


    無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。因?yàn)槿粢獙o線監(jiān)測器用于外界環(huán)境當(dāng)中，就要考慮到外界環(huán)境的不穩(wěn)定性與隨機(jī)性，這就要求所選取的無線傳感器要具備價(jià)格低廉、部署簡單、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，從而保證對(duì)于環(huán)境監(jiān)測的可持續(xù)性。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)集成了傳感器、微處理器、無線接口和電源四個(gè)模塊。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中業(yè)已成熟的解決方案可以借鑒到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來。但是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的用途和優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)專用的通信協(xié)議和路由算法已經(jīng)成為了當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)急待研究的課題。


    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)


    1、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括了大面積的空間分布


    比如在軍事應(yīng)用方面，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在戰(zhàn)場上跟蹤敵人的軍事行動(dòng)，智能化的終端可以被大量地裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中，在目標(biāo)地點(diǎn)撒落下去，形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。


    2、 能源受限制


    網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無人區(qū)或者對(duì)人體有傷害的惡劣環(huán)境中，更換電源幾乎是不可能的事，這勢必要求網(wǎng)絡(luò)功耗要小以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，而且要盡最大可能的節(jié)省電源消耗。


    3、 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置，自動(dòng)識(shí)別節(jié)點(diǎn)


    這包括自動(dòng)組網(wǎng)、對(duì)入網(wǎng)的終端進(jìn)行身份驗(yàn)證、防止非法用戶入侵。相對(duì)于那些布置在預(yù)先指定地點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以借鑒ad hoc方式來配置，當(dāng)然前提是要有一套合適的通信協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)在無人干預(yù)情況下自動(dòng)運(yùn)行。


    4、 網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)管理和高度協(xié)作性


    在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)處理由節(jié)點(diǎn)自身完成，這樣做的目的是減少無線鏈路中傳送的數(shù)據(jù)量，只有與其他節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息才在鏈路中傳送。以數(shù)據(jù)為中心的特性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的又一個(gè)特點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)不是預(yù)先計(jì)劃的，而且節(jié)點(diǎn)位置也不是預(yù)先確定的，這樣就有一些節(jié)點(diǎn)由于發(fā)生較多錯(cuò)誤或者不能執(zhí)行指定任務(wù)而被中止運(yùn)行。為了在網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)視目標(biāo)對(duì)象，配置冗余節(jié)點(diǎn)是必要的，節(jié)點(diǎn)之間可以通信和協(xié)作，共享數(shù)據(jù)，這樣可以保證獲得被監(jiān)視對(duì)象比較全面的數(shù)據(jù)。


    對(duì)用戶來說，向所有位于觀測區(qū)內(nèi)的傳感器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)請求，然后將采集的數(shù)據(jù)送到指定節(jié)點(diǎn)處理，可以用一個(gè)多播路由協(xié)議把消息送到相關(guān)節(jié)點(diǎn)，這需要一個(gè)唯一的地址表，對(duì)于用戶而言，不需要知道每個(gè)傳感器的具體身份號(hào)，所以可以用以數(shù)據(jù)為中心的組網(wǎng)方式。


    5、與移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別


    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，和移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)有相似點(diǎn)，但又有很多不同。移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以用于沒有無線基礎(chǔ)設(shè)施存在或出于費(fèi)用和安全方面的考慮不方便設(shè)置無線基礎(chǔ)設(shè)施的場合，而傳感器很多時(shí)候被布置在近地環(huán)境中，地波吸收現(xiàn)象不能被忽視，并且高密度布置的傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多用戶接口也造成了很高的誤比特率。作為移動(dòng)通信的兩種基本組網(wǎng)模式之一，移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的傳輸模型是典型的多對(duì)多式，而傳感器網(wǎng)中的傳輸模型更偏向于分層次模型（多對(duì)一傳輸）。一般來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)比典型的移動(dòng)終端或手持設(shè)備有更多的資源受限要求，但對(duì)于計(jì)算的要求則是可有可無的，當(dāng)需要執(zhí)行計(jì)算任務(wù)時(shí)，如果通信成本比計(jì)算成本低，計(jì)算任務(wù)就被送到中心節(jié)點(diǎn)去執(zhí)行。
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