基于物联网的运输冲击记录仪及其记录方法与流程

本发明涉及汽车运输监控技术领域，具体为一种基于物联网的运输冲击记录仪及其记录方法。

背景技术：

随着运输行业的飞速发展，为了加强运输监督管理，减少运输过程中的经济损失，运输冲击记录仪得到了广泛的应用；货物运输过程中发生的事故是一个随机的过程，存在着大量可以引起货物损坏的因素，运输冲击记录仪记录的数据就显得十分重要；运输冲击记录仪记录了运输过程中的运输路线、货物受到的冲击、姿态变化(如急刹车、急转弯)和环境信息；这些数据可为运输的驾驶行为、检测、检修、事故、包装设计等提供参考分析，减少不必要的人力物力消耗。

目前的运输冲击记录仪只是记录冲击力、速度、温度、定位、气压、光照等数据，没有考虑到货物在车厢里是否会发生碰撞，而且上述数据也没有实现实时共享。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提供一种基于物联网的运输冲击记录仪，采用运动传感器技术、超宽带技术、物联网技术，有效地解决了现有技术中无法记录货物在车厢里是否会发生碰撞且数据不能实时共享的问题。

本发明的另一目的在于提供一种基于物联网的运输冲击记录仪的记录方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于物联网的运输冲击记录仪，包括姿态数据采集模块、gps定位模块、超宽带模块、主控模块、物联网模块、存储模块、usb接口模块、报警模块；姿态数据采集模块采集汽车行驶过程中的各种原始姿态数据，gps定位模块采集经纬度信息，超宽带模块采集测距信息；主控模块把采集到的数据进行处理，并把处理后的数据保存到存储模块；物联网模块实现数据上传到物联网上；usb接口模块实现和外部设备的连接；报警模块通过鸣响实现报警功能。

所述的姿态数据采集模块采用九轴运动传感器，实现对汽车姿态数据的采集；所述的九轴运动传感器为mems(micro-electro-mechanicalsystem)运动传感器；所述的姿态数据采集模块通过iic接口和主控模块连接。

所述的超宽带模块采集测距信息，用来监测和避免货物和车厢壁发生碰撞，超宽带模块采用超宽带雷达p440模块，p440模块与主控模块通过usb线缆连接；超宽带模块安装在货物的四个角上，检测货物与车厢壁的距离变化，当距离小于设定值时，发出报警。

所述的物联网模块实现数据的传输，采用m5311_cm模组进行传输，物联网模块将数据上传到阿里云物联网平台，m5311_cm模组通过串口和主控模块相连接。

所述的主控模块采用高性能嵌入式arm处理器，实现对采集到的数据进行运算和处理，及数据的存储和传输；主控模块把姿态数据采集模块采集到的数据，包括三轴加速度数据，三轴陀螺仪数据，三轴磁向量数据，进行互补滤波解算融合，得到姿态角；主控模块把汽车姿态数据、冲击力数据、超宽带测距数据、gps定位数据、时间数据以固定的格式存储到存储模块里，同时实时上传到物联网平台上。

所述的gps定位模块采集经纬度信息，gps定位模块通过串口和主控模块连接；所述的存储模块实现对数据的存储，采用大容量sd卡来存储数据；所述的usb接口模块实现和外部设备的连接，提供五个usb接口；所述的报警模块实现报警功能，采用压电式有源蜂鸣器。

一种基于物联网的运输冲击记录仪的记录方法，包括下述步骤：

姿态数据采集模块将采集的汽车行驶过程中的各种原始姿态数据输送至主控模块，gps定位模块将采集的经纬度信息输送至主控模块，超宽带模块将采集的测距信息输送至主控模块；主控模块把采集到的数据进行处理，并把处理后的数据保存到存储模块，同时，主控模块通过物联网模块实现数据上传到物联网上，通过物联网发布功能，实时共享给司机。

所述的超宽带模块采集测距信息包括下述步骤：

在车厢里货物的四个角上分别安装一个p440模块，p440模块通过usb线缆和主控模块相连；设定车辆静止时采集到的距离为基准值；p440模块每10ms采集一次距离数据，当第一p440模块检测到d1大于基准值的1+1/2时，第二p440模块检测到d2小于基准值的1/2时，说明货物向车厢壁的一侧倾斜；或者，当第一p440模块检测到d1小于基准值的1/2时，第二p440模块检测到d2大于基准值的1+1/2时，说明货物向车厢壁的另一侧倾斜；这时认定为货物固定松动，有发生碰撞的危险，发出报警，提醒司机货物固定松动。

所述的物联网模块数据上传流程，包括下述步骤：

步骤1，申请平台账号，进入阿里云的物联网平台注册一个账号，并且实名认证；

步骤2，创建设备，登录阿里云物联网平台，进入平台管理控制台，进入设备管理，创建产品，版本选择为基础版，确定产品名称，节点类型为设备，在产品中创建设备，由此得到设备的三元组，在物联网平台中，设备三元组是设备的唯一标识；

步骤3，设置规则引擎，通过设置规则引擎，将上传的数据信息，按照规则引擎配置成所需要的格式，实现数据格式的转换，便于其他服务使用和订阅者阅读；

步骤4，初始化设备，主控模块通过串口发送at指令来初始化m5311_cm模组。

步骤5，设备联网，主控模块发送at指令启动m5311_cm模组连接到阿里云物联网平台。

步骤6，数据上传，主控模块把sd卡中的数据读取出来，通过物联网模块m5311_cm模组发送到物联网平台上，发送成功后，发送下一组数据；

步骤7，发布数据，云平台将接收到的数据，按照规则引擎进行格式转换，最后将数据实时发布给阿里云物联网的订阅者或其他服务。

所述的姿态数据采集模块测量值互补滤波流程，包括下述步骤：

步骤1，初始化四元数，用陀螺仪测量出载体初始状态的姿态角，计算出四元数的初始值；四元数在数学上是一种超复数，是一个具有四个元素的矢量，这些元素用来表示该矢量方向和转动角度；

步骤2，采集测量值，采集三轴加速度测量值，三轴陀螺仪测量值，三轴磁力计测量值；

步骤3，归一化测量值，将加速度测量值和磁力计测量值归一化为单位向量；

步骤4，求出向量叉积，利用归一化四元素表示的坐标转换矩阵求出加速度向量叉积和磁力计向量叉积；

步骤5，计算误差，加速度向量叉积与磁力计向量叉积求和作为修正误差；

步骤6，修正陀螺仪，利用步骤5求出的误差修正陀螺仪测量值；

步骤7，更新四元数，利用修正后的陀螺仪测量值更新四元数；

步骤8，归一化四元数，将更新后的四元数归一化为单位向量，进入下一轮的求向量叉积；

步骤9，求出姿态角，将四元数转化成姿态角，然后，进入下一轮的采集测量值；

加速度数据校准中已经减去重力对加速度z轴的影响，因此通过公式计算出冲击力的大小，公式为：

式中g为冲击力值，x为加速度计x轴单位换算后的值，y为加速度计y轴单位换算后的值，z为加速度计z轴单位换算后的值；

由于加速度计会受到噪声的影响，将冲击力值g进行滤波处理，得到一组没有毛刺的值，然后对这组值进行判断，找出冲击力大于2的数值；这是正常路面车辆行驶时比较大的冲击力，将冲击力大于2的点的位置、时间、经纬度、行驶速度等数据信息找出，判断路面情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用运动传感器技术、超宽带技术和物联网技术，体积小，功耗低，成本低。

本发明采用的运动传感器技术，运用互补滤波算法，融合来自多种传感器的数据，弥补了单个传感器计算准确位置和方位时的不足，实现了高精度的运动检测。

本发明采用超宽带技术，对车厢内的货物进行定位测距，为监测和避免货物与车厢壁发生碰撞提供了一种新的技术手段。

本发明采用物联网技术，充分利用物联网的通信和服务功能，把位置信息、冲击力信息、颠簸信息实时共享到物联网上，供其他司机查阅、参考，方便司机及时了解道路情况，做出适当的选择，避开路况不好的路段。

附图说明

图1为本发明基于物联网的运输冲击记录仪组成示意图。

图2为本发明冲击记录仪超宽带模块测距原理图。

图3为本发明冲击记录仪超宽带模块安装及测距俯视示意图。

图4为本发明冲击记录仪超宽带模块安装及测距后视示意图。

图5为本发明冲击记录仪物联网模块数据上传流程图。

图6为本发明冲击记录仪传感器测量值互补滤波流程图。

其中：1-车厢壁，2-第一超宽带模块，3-货物，4-第二超宽带模块，5-第三超宽带模块，6-记录仪本体，7-usb线缆，8-第四超宽带模块；9-p440模块，10-第一天线，11-第二天线，12-第一无线脉冲信号，13-第二无线脉冲信号。

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。

请参阅图1，一种基于物联网的运输冲击记录仪，包括姿态数据采集模块、gps定位模块、超宽带模块、主控模块、物联网模块、存储模块、usb接口模块、报警模块；姿态数据采集模块采集汽车行驶过程中的各种原始姿态数据，gps定位模块采集经纬度信息，超宽带模块采集测距信息；主控模块把采集到的数据进行处理，并把处理后的数据保存到存储模块；物联网模块实现数据上传到物联网上；usb接口模块实现和外部设备的连接；报警模块通过鸣响实现报警功能。

所述的姿态数据采集模块采用九轴运动传感器，实现对汽车姿态数据的采集；所述的九轴运动传感器为mems(micro-electro-mechanicalsystem,微机电系统)运动传感器；所述的mems运动传感器为mpu9150传感器，mpu9150为invensense公司的全球首例九轴运动感测芯片，整合三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计为一片芯片，消除了陀螺仪、加速度计和磁力计的焊接误差，避免了多传感器之间数据通信不同步的问题，减小了电路板和整体空间；动态响应快，集成度高，精度高，体积小；易于实现批量化、数字化及智能化。

所述的汽车姿态数据为汽车的位置、速度和运动姿态信息。

所述的运动姿态信息也称为姿态角，包括航向角(yaw)、俯仰角(pitch)和横滚角(roll)。

所述的姿态数据采集模块通过iic接口和主控模块连接。

所述的gps定位模块采集经纬度信息，采用杭州中科微电子研发生产的atgm336h；atgm336h是一款高性能bds/gnss全星座定位导航模块，模块的跟踪灵敏度为-148dbm，定位精度为2.5米；具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势，可应用于大多数便携设备中。

atgm336h的数据输出格式是标准的异步串行cmos电平，包含了定位、星历、授时在内的所有的数据，以固定的格式和固定周期进行循环更新输出。

atgm336h通过串口和主控模块连接，采用外置天线；使用时，天线需固定在车厢外边，以便接受gps卫星信号。

所述的超宽带模块采集测距信息，用来监测和避免货物和车厢壁发生碰撞，采用timedomain公司的超宽带雷达p440模块；p440是一种波段在3.1g到4.8ghz之间的超宽带无线收发器，可作为单基地雷达使用；p440模块与主控模块通过usb线缆连接。

货物运输时，一些不规则的大件贵重货物，如大型变压器，由于形状不规则，放到车厢里后，货物和车厢壁之间无法有效地防护；运输时如果固定不牢的话，路面又很颠簸，很可能会发生碰撞。

超宽带模块可以安装在货物的四个角上，检测货物与车厢壁的距离变化，当距离小于设定值时，发出报警。

一种基于物联网的运输冲击记录仪的记录方法，包括下述步骤：

姿态数据采集模块将采集的汽车行驶过程中的各种原始姿态数据输送至主控模块，gps定位模块将采集的经纬度信息输送至主控模块，超宽带模块将采集的测距信息输送至主控模块；主控模块把采集到的数据进行处理，并把处理后的数据保存到存储模块，同时，主控模块通过物联网模块实现数据上传到物联网上，通过物联网发布功能，实时共享给司机。

图2示出了本发明实施例提供的冲击记录仪超宽带模块测距原理图，p440模块9的两个雷达天线全部安装好，第一天线10用来发送脉冲，第二天线11用来接收脉冲；超宽带雷达p440模块天线发射高带宽高斯脉冲12，通过脉冲在车厢壁1和第一天线10、第二天线11之间反射计算检测时间；射频信号速度为每纳秒0.3米，由此可算出车厢壁和天线的距离。

图3和图4示出了本发明实施例提供的冲击记录仪超宽带模块安装及测距示意图。

车辆运输时有上下、左右、前后方向的冲击力，上下方向冲击力主要是颠簸产生的，左右方向冲击力主要是转弯或单侧颠簸产生的，前后方向冲击力是启动车辆或停止车辆产生的，货物3与车厢壁1发生碰撞主要考虑左右方向冲击力。

请参阅图3，实施时，在车厢里货物的四个角上分别放一个p440模块，共4个模块，通过usb线缆7(4条)和记录仪本体6的主控模块相连；根据货物的具体情况，可以放置4个模块，也可以放置2个模块，即只放置货物后面的横向(即左右方向)的2个：第一模块2和第二模块4，或只放置货物前面的横向的2个：第三模块5和第四模块8。

请参阅图4，实施例以后面的横向的2个模块进行说明；设定车辆静止时采集到的距离为基准值；p440模块每10ms采集一次距离数据，当第一模块2检测到d1大于基准值的1+1/2时，第二模块4检测到d2小于基准值的1/2时，说明货物3向车厢壁1的右侧倾斜；或者，当第一模块2检测到d1小于基准值的1/2时，第二模块4检测到d2大于基准值的1+1/2时，说明货物3向车厢壁1的左侧倾斜；这时认定为货物固定松动，有发生碰撞的危险，发出报警，提醒司机货物固定松动；司机可以停车采取必要的紧固措施，防止货物3与车厢壁1发生碰撞。

p440模块通过usb线缆把测距信息传送给主控模块。

所述的物联网模块实现数据的传输，采用m5311_cm模组进行传输，上传到阿里云物联网平台。

物联网(iot，internetofthings)即“万物相连的互联网”，是在互联网基础上利用无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“internetofthings”。

阿里云物联网平台是阿里巴巴集团推出的专业物联网服务平台，为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下连接海量设备，支撑设备数据采集上云，向上提供平台api，实现平台数据共享及下发设备端。

所述的m5311_cm模组是中移物联网有限公司研发的物联网专用模组，中移物联网有限公司是由中国移动通信有限公司出资成立的独立运作的专业子公司。

所述的m5311_cm模组是一款基于mt2625平台的工业级nb-iot(narrowbandinternetofthings，窄带物联网)无线通信模组，主要应用于低功耗、远距离的数据传输业务，内嵌lwm2m/mqtt/http/tcp/udp/coap等数据传输协议及扩展的at命令，满足中国移动蜂窝物联网通用模组技术规范。

所述的mt2625是联发科公司推出的nb-iot系统单芯片，高度集成nb-iot调制解调数字信号处理器、射频天线及前端模拟基带，还集成armcortex-m微控制器、伪静态随机存储器、闪存与电源管理单元，整合了一系列丰富的外围输入输出接口。

mt2625支持3gpp(第三代合作伙伴计划)nb-iot的450mhz-2.1ghz全频段运作，适合全球范围内智能家居、物流跟踪、智能抄表等静态或移动型物联网应用。

m5311_cm模组通过串口和主控模块相连接；主控模块通过串口向m5311_cm模组发送at指令来初始化、控制、传输数据。

图5所示为物联网模块数据上传流程。

步骤1，申请平台账号，进入阿里云的物联网平台注册一个账号，并且实名认证。

步骤2，创建设备，登录阿里云物联网平台，进入平台管理控制台，进入设备管理，创建产品，版本选择为基础版，确定产品名称，节点类型为设备，在产品中创建设备，由此得到设备的三元组，在物联网平台中，设备三元组是设备的唯一标识。

步骤3，设置规则引擎，通过设置规则引擎，可以将上传的数据信息，按照规则引擎配置成所需要的格式，实现数据格式的转换，便于其他服务使用和订阅者阅读。

步骤4，初始化设备，主控模块通过串口发送at指令来初始化m5311_cm模组。

步骤5，设备联网，主控模块发送at指令启动m5311_cm模组连接到阿里云物联网平台。

步骤6，数据上传，主控模块把sd卡中的数据读取出来，通过m5311_cm模组发送到物联网平台上，发送成功后，发送下一组数据。

步骤7，发布数据，云平台将接收到的数据，按照规则引擎进行格式转换，最后将数据实时发布给阿里云物联网的订阅者或其他服务。

所述的主控模块采用高性能嵌入式arm处理器，实现对采集到的数据进行运算和处理，及数据的存储和传输；

所述的arm处理器采用基于armcortex-m4内核的stm32f407zgt6高性能处理器，其时钟频率达到168mhz，功耗低，具有更快的模数转换速度、更强大的输入/输出端口。

主控模块把九轴传感器采集到的数据，包括三轴加速度数据，三轴陀螺仪数据，三轴磁向量数据，进行互补滤波解算融合，得到姿态角。

图6为本发明冲击记录仪传感器测量值互补滤波流程图

步骤1，初始化四元数，用陀螺仪测量出载体初始状态的姿态角，计算出四元数的初始值；四元数在数学上是一种超复数，是一个具有四个元素的矢量，这些元素用来表示该矢量方向和转动角度。

步骤2，采集测量值，采集三轴加速度测量值，三轴陀螺仪测量值，三轴磁力计测量值。

步骤3，归一化测量值，将加速度测量值和磁力计测量值归一化为单位向量。

步骤4，求出向量叉积，利用归一化四元素表示的坐标转换矩阵求出加速度向量叉积和磁力计向量叉积。

步骤5，计算误差，加速度向量叉积与磁力计向量叉积求和作为修正误差。

步骤6，修正陀螺仪，利用步骤5求出的误差修正陀螺仪测量值。

步骤7，更新四元数，利用修正后的陀螺仪测量值更新四元数。

步骤8，归一化四元数，将更新后的四元数归一化为单位向量，进入下一轮的求向量叉积。

步骤9，求出姿态角，将四元数转化成姿态角，然后，进入下一轮的采集测量值。

加速度数据校准中已经减去重力对加速度z轴的影响，因此通过公式计算出冲击力的大小，公式为：

式中g为冲击力值，x为加速度计x轴单位换算后的值，y为加速度计y轴单位换算后的值，z为加速度计z轴单位换算后的值。

由于加速度计会受到噪声的影响，将冲击力值g进行滤波处理，得到一组没有毛刺的值，然后对这组值进行判断，找出冲击力大于2的数值；这是正常路面车辆行驶时比较大的冲击力，可以将冲击力大于2的点的位置、时间、经纬度、行驶速度等数据信息找出，判断路面情况。

左右方向冲击力的值和p440模块检测到的d1、d2距离值结合起来，可以判断出货物是否在车厢内发生碰撞；为货物的包装、固定提供参考数据，为以后的货物定损提供依据。

主控模块把汽车姿态数据、冲击力数据、超宽带测距数据、gps定位数据、时间数据以固定的格式存储到存储模块里，同时实时上传到物联网平台上；通过物联网发布功能，实时共享给其他司机，其他司机能够及时了解到路况信息，判断出道路的颠簸情况，有针对性的进行运输路线选择，避开那些颠簸严重的路段。

这些数据还可以通过sd卡或usb接口上传到电脑上，在电脑屏幕上可以把这些数据以曲线的形式直观的显示出来；为事后分析提供依据，为货物的包装、固定提供参考数据，为了解路况提供参考信息。

所述的存储模块实现对数据的存储，采用大容量sd卡来存储数据。

所述的usb接口模块实现和外部设备的连接，提供五个usb接口。

一个usb接口实现和电脑连接，完成本发明装置的配置、升级，还可以把sd卡中的数据上传到电脑中；其余四个usb接口实现和超宽带模块连接，完成测距数据的传输。

所述的报警模块实现报警功能，采用压电式有源蜂鸣器；这种蜂鸣器声音大，司机容易听到。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。