空间运动传感器

技术领域

本发明涉及一种空间运动传感器， 更具体地， 涉及一种内置无线 通讯的空间运动传感器。

背景技术

普通的空间传感器，是通过空间传感器在运动 中采集真实世界中 的方向、 加速度值、 加速度保持时间等信息， 并通过无线通讯网络实 时地将运动数据上传至服务器实时分析。

申请日为 2010年 12月 22号，专利号为 201020676604. 5的实用 新型专利 "一种内置无线通讯模块的空间传感器" ，其包括了用于存 储运动数据的数据存储器，用于分析压缩运动 数据以及对其他模块进 行控制的 MCU, 用于数据实时传输的无线通信模块以及用于测 量线性 加速度数据的加速度传感器。此类空间传感器 主要用于测量线性加速 度数据， 因此对方向、 角度不断变化的运动测量数据误差较大， 从而 导致基于测量数据分析计算得出的结果也存在 较大的误差，限制了应 用范围。

发明内容

本发明提供一种添加了陀螺仪传感器和压电传 感器的内置无线 通讯模块的空间运动传感器， 所述空间运动传感器包括 MCU、 连接到 MCU的电源管理模块、 数据存储器、 MiniUSB接口。 所述空间运动传 感器还包括加速度传感器、 陀螺仪传感器、 压电传感器、 无线通讯模 组。 所述加速度传感器、 陀螺仪传感器、 压电传感器、 无线通讯模组 均连接到所述 MCU上。

优选的是，所述加速度传感器为单轴加速度传 感器或双轴加速度 传感器或三轴加速度传感器。

优选的是，所述陀螺仪传感器为利用高速回转 体的动量矩敏感壳 体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个 轴的角运动检测装置， 主要测量角速度数据。

优选的是， 所述陀螺仪传感器可以为压电陀螺仪传感器， 微机械 陀螺仪传感器， 光纤陀螺仪传感器， 激光陀螺仪传感器中任意一种。

优选的是， 所述压电传感器是一种利用压电效应制作的传 感器， 主要测量受力数据， 可以精确测量出运动频率。

优选的是，所述无线通讯模组包括远程无线通 讯模块和短程无线 通讯模块两者中的至少一种。

优选的是， 所述远程无线通讯模块为集成式通讯模组和使 用 SIM 卡的通讯模组。

优选的是，所述远程无线通讯模块支持 GSM/GPRS/EDGE/3G/4G等 通讯制式；

优选的是，所述短程无线通讯模块包括 Bluetooth、 WIFI、 ZigBee 三者中的至少一种。

优选的是， 所述电源管理模块包括可反复充电的锂电池。

优选的是，所述 MiniUSB接口连接到所述 MCU和所述电源管理模 块上。 优选的是，所述空间运动传感器还包括连接到 所述 MCU上的存储 器。

优选的是， 所述 MCU提供了一个电子罗盘接口， 可以根据客户需 求将电子罗盘连接到该接口上，即将电子罗盘 集成在空间运动传感器 上。

优选的是， 所述 MCU提供了一个 GPS定位模块接口， 可以根据客 户的需求将 GPS定位模块连接到该接口上，即将 GPS定位模块集成在 空间运动传感器上。

本发明提供的空间运动传感器能够测量的数据 类型丰富，其利用 不同的传感器来测量多种数据，其中加速度传 感器测量线性加速度数 据， 陀螺仪传感器测量角速度数据， 压电传感器测量受力后给出的压 电信号， 对比数据来源较为单一的其他传感器， 丰富的原始数据经分 析计算后得出的结果精确度更高， 且可以支持更多场景的应用。

本发明所述的加速度传感器可以测量真实世界 中一维、二维或三 维的运动状态。 加速度传感器通过测量运动状态生成线性加速 度数 据， 包含方向、 速度等空间位置信息及时间信息， 其采集的数据通过 服务器不同算法进行分析， 可以支持不同的应用模式， 例如运动姿势 识别、 位移报警以及桥梁监测等应用。

本发明所述的陀螺仪传感器，利用高速回转体 的动量矩敏感壳体 相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴 的角运动，测量角速度 数据。 测量数据经分析计算可以得出运动方向、 角度的变化等结果。

本发明所述的压电传感器是利用压电效应制作 的传感器，主要用 于测量受力， 可以精确测量出运动频率。

本发明所述的无线通讯模组， 可以摆脱专用接收器、 PC、 数据连 接线等得以独立工作， 并支持运动数据实时上传至服务器保存分析， 其中无线通讯模组中的远程通讯模块包括集成 式通讯模组，因此具备 集成式通讯模组的优点。

本发明内置 MCU (单片机） 和数据存储器， 可以进行一些简单的 数据压缩处理， 有效地减低数据传送量。

此外， 本发明所述的空间运动传感器还提供内置锂电 池， 并支持 反复充电。

本发明所述的内置 MCU提供了一个电子罗盘接口，可选地根据用 户需求定制电子罗盘，即将电子罗盘集成到本 发明所述的空间运动传 感器上，本发明所述的空间运动传感器结合电 子罗盘读取的数据可以 获知传感器静止时的地理朝向和运动时的地理 朝向，由此获得运动的 方向 （即东西南北） 。

本发明内置的 MCU提供了一个 GPS定位模块接口，可选地根据用 户需求定制 GPS定位模块，即将 GPS定位模块集成到本发明所述的空 间运动传感器上， 集成了 GPS定位模块以后， 本发明所述的空间运动 传感器结合 GPS定位模块可以对传感器进行定位，传感器上 传的数据 可以绑定位置信息共同上传，在实际应用中可 以获知数据来自哪个地 理位置的哪个设备， 有益于明确数据来源。

与传统技术相比，基于物联网技术的空间运动 传感器有着鲜明的 特征。 首先， 它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署 了海量的 多种类型传感器， 每个传感器都是一个信息源， 不同类别的传感器所 捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得 的数据具有实时性， 按 一定的频率周期性地采集环境信息， 不断更新数据。

其次， 它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网 技术的重要 基础和核心仍旧是互联网， 通过各种有线和无线网络与互联网融合， 将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网 上的传感器定时采集的 信息需要通过网络传输， 由于其数量极其庞大， 形成了海量信息， 在 传输过程中， 为了保障数据的正确性和及时性， 必须适应各种异构网 络和协议。

本发明提供一种空间运动传感器， 其架设在物联网技术上， 可以 采集到真实世界中的方向、 加速度值、 加速度保持时间等信息， 也可 以采集到方向不断变化， 角度不断变化的角速度数据， 并通过无线通 讯网络实时地将运动数据上传至服务器， 便于所述服务器实时地分 附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作优选的说 明。

图 1是按照本发明的空间运动传感器的结构模块� �意图。

图 2是按照本发明的空间运动传感器的工作原理� �意图。

具体实施方式

为了更清楚地阐述本发明，现在对结合图 1和图 2所示的本发明 的实施例进行详细的说明。

如图 1， 本发明提供的空间运动传感器包括 MCU, 及连接到所述 MCU的电源管理模块、 数据存储器。 其还包括加速度传感器、 陀螺仪 传感器， 无线通讯模组， 压电传感器。 所述加速度传感器、 陀螺仪传 感器、 无线通讯模组、 压电传感器均连接到所述 MCU上。所述 MCU还 提供电子罗盘接口和 GPS定位模块接口，可以根据用户需要集成在本 发明所述的空间运动传感器上。

所述电源管理模块包括具有充电功能的锂电池 ；所述无线通讯模 组包括远程无线通讯模块和短程无线通讯模块 的至少一种，即可以单 独为远程无线通讯模块或短程无线通讯模块或 两者的结合，所述远程 无线通讯模快包括集成式通讯模组和使用 SIM卡的通讯模组，所述短 程无线通讯模块包括 Bluetooth、 WIFI、 ZigBee其中的至少一种。

所述加速度传感器为单轴加速度传感器或双轴 加速度传感器或 三轴加速度传感器， 本实施例中使用三轴加速度传感器， 它可以采集 真实世界中方向、 加速度、 时间等数据； 所述三轴加速度传感器在加 电后会按照预定频率采集自身三个方向的加速 度向量值；所述的陀螺 仪传感器利用高速回转体的动量矩敏感壳体相 对惯性空间绕正交于 自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置， 主要用于角速度的测量， 测量数据经分析计算可以得出运动方向、角度 的变化等结果； 所述压 电传感器主要用于测量受力， 可以精确测量出运动频率。

所述 MCU为计算单元， 执行整个系统程序； 所述无线通讯模组负 责与外界通讯； 所述 USB接口为 MiniUSB接口， 是一个充电接口和程 序代码烧写的接口， 其作为充电接口以及 MCU与外界通讯接口； 所述 电源管理模块负责提供稳定电压， 并负责电池的充电控制。所述数据 存储器负责存储系统数据及系统程序。

如图 2所示， 本发明所述的空间运动传感器的工作原理为： 歩骤一： 通电启动后， 空间运动传感器进入联网阶段。其自动调 用无线通讯模组， 与通讯网络建立连接。如果成功建立连接则调 用无 线通讯模组， 将数据存储器中的数据传送给数据服务器， 并清空数据 存储器， 然后执行歩骤二， 否则直接执行歩骤二。

歩骤二： 与通讯网络建立连接后， 所述空间运动传感器系统进入 监听阶段。所述 MCU对加速度传感器、 陀螺仪传感器、 压电传感器进 行检测。如果采集到的信息均是长时间处于无 运动状态， 即各传感模 块采集到的均为无效数据时， 则本装置进入休眠状态， 否则进入歩骤 歩骤三： 当加速度传感器、 陀螺仪传感器、 压电传感器进入工作 状态时， 所述空间运动传感器系统进入数据采集阶段。 MCU不断地从 加速度传感器中取出采集的数据，然后进行判 断，如果需要发送数据， 则执行歩骤四， 否则执行歩骤五。

歩骤四：

1、 当所述 MCU认为需要立即发送数据后， 该 MCU直接将数据进 行分割压缩打包；

2、 处理好的数据将被逐包送往无线通讯模组， 如果此时可以连 接至数据服务器， 即网络已经连接， 则本发明直接通过无线网络发送 到数据服务器端，如果此时无法连接至数据服 务器，即网络无法连接， 则将数据存储至数据存储器； 3、 回到数据采集阶段。

歩骤五：

1、 当所述 MCU认为不需要立即发送数据后， 该 MCU直接将数据 进行分割压缩打包；

2、 处理好的数据将被保存至数据存储器中；

3、当存储的数据量或采集时间达到预定的传� �条件时，所述 MCU 从数据存储器中取出积累的数据包， 并逐包送往无线通讯模组， 通过 无线网络发送到服务器端；

4、 回到数据采集阶段；

6.重复上面的过程回到监听阶段或关闭电源停� ��运行。

本发明通过陀螺仪传感器， 压电传感器与加速度传感器相结合， 可以准确侦测到物体在真实世界中的方向、加 速度值、加速度保持时 间、 受力状态、 震动频率等信息， 所以本发明所采集的数据类型较为 丰富， 通过服务器的不同算法分析可以产生不同的应 用模式， 例如对 运动数据地采集、运动姿态的捕捉、位移侦测 等。而且本发明包含无 线通讯模组，通过与运营商的无线通讯网络的 有效结合使本发明可以 摆脱专用接收器、 PC、 数据连接线等， 得以独立工作， 并支持采集到 的运动数据实时上传至服务器。

本发明采用的无线通讯模组包含集成式通讯模 组（详见专利申请 号为 201120272566. 1的专利申请），集成式通讯模组使用专用集� �芯 片代替 SIM卡，有效减小通讯模组的体积，且集成芯片 通过悍接固定， 使本发明不会因为震动磨损导致通讯模组无法 正常工作，且集成芯片 的材质决定了其更加抗氧化、 耐腐蚀、 耐高 /低温， 可以使本发明的 通讯模组在一些极端条件下仍可正常工作。

本发明所述的集成式通讯模组， 能够抗震、 耐磨损、 耐腐蚀、 耐 氧化、 且具有全球唯一性， 并能在振动、 高温、 低温、 潮湿等极端环 境下正常工作。 为实现上述目的， 本发明提供一种集成式通讯模组， 包括载体、通信模块和通用集成电路芯片。通 信模块和通用集成电路 芯片的针脚均悍接固定在载体上。

优选的是， 通用集成电路芯片内存有用户标识和密钥。

优选的是， 通用集成电路芯片的体积小于或等于 5mm X 6mm X 0. 8mm。

优选的是， 通信模块可选用 GSM模块、 GPRS模块、 EDGE模块、 3G模块或 4G模块。

优选的是， 载体可以是同一载体。

优选的是，通信模块和通用集成电路芯片也可 以分别悍接固定在 不同载体上。

优选的是，通信模块和通用集成电路芯片分别 悍接固定在不同载 体上时， 通过排线相互连接。

本领域技术人员不难看出，本发明包括了上述 本发明的基本方案 和各优选方案的任意组合。

按照本发明，通用集成电路芯片是用悍接的方 法把其针脚来固定 在载体上的。 这样载体上的通用集成电路芯片就不能随意的 拆卸下 来， 因此其就可以有较强的抗冲击和震动能力， 不会因为震动或拆卸 导致磨损或变形损坏。而且由于通用集成电路 芯片不可随意更换且其 中还存有用户标识，因此还能有效地避免用户 转网或将通讯卡挪为他 用时导致的欠费等情况，保障了企业或运营商 对用户和业务的有效管 控， 并保证了用户忠诚度。通用集成电路芯片里面 存储的内容是不可 擦写的且具有全球唯一标识， 所以在物联网应用中， 所有使用本集成 通讯模组的设备或者终端在全球范围内都具有 唯一识别性。

在本发明中， 通用集成电路芯片代替了传统的塑料卡体的 SIM 卡、 USIM卡或 ISIM卡等用户识别卡。 传统用户识卡不计卡槽体积为 24mm X 14mm X 1mm， 而通用集成电路芯片的体积小于或等于 5mm X 6mm X 0. 8mm， 不到传统的用户识别卡的体积的十分之一， 这样的小体积 能有效地促进产品的小型化和工业化生产。由 于通用集成电路芯片主 要是由硅、锗等材质制成， 比用塑料制成传统的用户识别卡有更强的 抗氧化、 抗腐蚀、 耐高低温、 耐潮湿能力， 所以在极端环境下也能正 常工作。

按照本发明所述的集成通讯模组能搭配不同的 通信模块：通信模 块可选用 GSM模块、 GPRS模块、 EDGE模块、 3G模块或 4G模块。 在 产品的通讯制式升级换代的过程中，本集成通 讯模组不用更换通用集 成电路芯片， 只需更换与升级后的通讯制式相对应的通信模 块即可。 因为无需更换通用集成电路芯片，可以进一歩 保证设备或终端的全球 通讯唯一性。

将本集成通讯模组内置到设备或终端机中， 并开启设备或终端 机。此时， 通信模块向通用集成电路芯片索取用户标识和 密钥， 并通 过通讯基站将用户标识和密钥发送至运营商后 台管理系统。运营商后 台管理系统对用户标识和密钥进行验证，如果 验证通过就会为该用户 标识和密钥赋予通讯号码；此时本集成式通讯 模组与通讯网络将建立 联系并保持实时连接。如果验证失败， 本集成通讯模组则无法与通讯 网络建立连接， 即无通讯信号。

当设备或终端机之间需要进行短信、 彩信、语音、 数据或其他内 容的通讯时，发送方的设备与接收方的设备或 终端机首先均要成功建 立与通讯网络的连接。通信模块将要需要发送 的内容与发送方的设备 的用户标识和密钥以及接收方的设备或终端机 的通讯号码打包并通 过通讯基站发送至运营商的后台管理系统；运 营商的后台管理系统对 其进行解析得到要发送的内容和发送方的设备 的用户标识与密钥以 及接收方的设备或终端机的通讯号码，之后运 营商后台管理系统将发 送方的设备的用户标识和密钥对应的通讯号码 与要发送的内容进行 打包，并通过接收方的设备或终端机的通讯号 码对应的用户标识所连 接的通讯信道将要发送的内容发到接收方的设 备或终端上。

在按照本发明所述的集成通讯模组中，通用集 成电路芯片内有用 户标识和密钥；通信模块和通用集成电路芯片 是通过悍接在载体上来 实现连接的， 它们可以悍接在同一个载体上， 也可以分别悍接在不同 的载体上通过排线连接。 通用集成电路芯片代替了传统的 SIM 卡、 USIM卡或 ISIM卡等用户识别卡， 无需卡槽固定且不能随意更换， 保 障了设备或终端的全球唯一性； 由于通用集成电路芯片主要是由硅、 锗等材质制成且它是直接悍接在载体上，比用 塑料制成传统的用户识 别卡直接镶嵌在卡槽中具有更强的耐氧化、 耐腐蚀、 抗震、 耐磨损、 耐高低温、 耐潮湿能力， 所以在极端环境下也能正常工作。

同时， 本发明支持使用 SIM的通讯模组， 具有很好的兼容性。 本 发明预留了电子罗盘和 GPS定位模块接口，可在用户需要或业务需要 时进行定制。

以上所述， 仅为本发明的优选实施例， 不能依此限定本发明实施 的范围， 即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效 变化与修饰， 皆应仍属本发明涵盖的范围内。