为了满足市场发展需求，我司与中交一公局集团有限公司旗下数字化创新部门，联合研发了一款基于MEMS加速度的无线三轴倾角仪。该倾角仪使用窄带物联网（NB-IoT）技术，结合自主研发的滤波算法和快速标定技术，确保了在各种环境下都能提供准确稳定的测量数据，通过优化电路设计和唤醒策略，大幅降低产品的休眠和工作功耗，具有测量数据精确稳定、工作时间长、使用灵活等特点，可广泛应用于地震监测、桥梁和建筑物变形监测等领域。
硬件设计特点1.STM32的休眠模式：STM32系列微控制器通常具有低功耗模式，允许用户在不需要实时响应的情况下降低功耗。当进入休眠模式时，大部分功能被停止，但唤醒机制仍然可用。这种模式对于需要长时间待机但偶尔需要唤醒进行某些操作的应用非常有用。
2.外设与主控芯片的电源管理：当主控芯片进入休眠模式时关闭不需要的外设电源模块，确保了只有必要的部分在工作，可以进一步降低功耗。
3.多种供电方式：外部9-24V直接供电和电池供电的设计考虑到了系统的灵活性和可靠性，同时可根据实际需求增加太阳能充电。当使用外部电源或太阳能充电时，除了为主控芯片和外设供电外，还可以为电池充电。这种设计也有助于在外部电源不可用或不稳定的情况下，系统能够自动切换到电池供电，确保系统的持续运行。
软件设计特点1.提供角度阈值报警功能，允许用户为每个轴设置一个角度阈值。若第一次采集数据没有超过阈值，系统会进入休眠模式，以节省能源。当数据超过阈值时，系统会连续采集三次数据并发出警报，然后再次进入休眠模式。这种设计可以确保在需要时能够迅速响应，同时节省能源。
2.NB无线发射模块的功耗是一个需要考虑的重要因素，特别是在电池供电的应用中。通过先采集后启动无线发送数据，可以减少系统的功耗。这种策略可以确保只在需要发送数据时才启动无线发射模块，从而延长系统的使用时间。
3.滤波是数据预处理的重要步骤，用于去除数据中的噪声和干扰，提高数据的准确性和可靠性。根据数据的特性和需求，选择合适的滤波器类型和参数。将滤波器应用于原始数据，通过数学变换去除噪声和干扰。
4.加速度误差补偿是一种通过技术手段来减小或消除加速度测量误差的方法。为了提高加速度测量的准确性和可靠性，需要进行误差补偿。以进一步提高加速度测量的准确性。
产品介绍
图4.1三轴无线倾角仪产品图
技术规格：
为了评估本产品，我们针对滤波算法、误差补偿、重复精度三个方面进行测试验证。倾角仪的三个轴精度相同，以下实验均以其中一个轴的数据进行分析。
5.1滤波算法
测试步骤：
1)将倾角仪固定在测试台上，静止状态下采集数据作为我们的基准数据，用于后续的比较。
2)对测试台引入振动来模拟真实的动态环境，测试六十分钟动态数据，这些数据将包含由于振动产生的噪声和扰动。
3)优化每一分钟动态数据，不同滤波方法优化后的数据与静态数据对比，从而获得更准确的结果。
测试结果：
静止状态下测得角度值为9.842°，将此作为基准值进行分析。下表展示了测试数据经过两种常规滤波处理和自研滤波处理后的结果。
图5.1滤波前后数据与基准值对比
为了更清晰地展示滤波效果，单独绘制了滤波后数据与基准值的对比图，如图5.2所示。
图5.2滤波后数据与基准值对比
经过滤波处理后，数据呈现出明显的正弦图像形式，与施加的振动干扰形式相符合。为了进一步优化数据质量，需要采取误差补偿措施来减小剩余误差。
5.2误差补偿
静态六位置法是一种用于标定MEMS加速度计确定性误差的有效方法。通过在六个固定姿态下获取样本数据，可以对加速度计的输出进行准确的校准和标定。在环境受限的情况下，静态六位置法无需复杂的操作或繁琐的计算，也能得到很好的补偿效果。
补偿测试步骤：
1)将倾角仪的三个组成轴分别记为X、Y和Z轴，将倾角仪根据要求分别放置六个静止姿态进行测量。
2)在确定倾角仪的姿态稳定后，通过上位机软件界面获取六条角度位置的加速度值。
3)在得到各个位置的加速度数据之后，根据误差模型，得到加速度计各轴的标定系数，求解出误差补偿模型。
测试结果：
在10°~-30°之间随机采集角度，并对比补偿前与补偿后的值，使用某款高精度倾角仪输出的数据作为基准值。经过补偿处理后，输出数值更加接近基准值。
图5.3是补偿前后输出结果的直观展示，蓝色虚线表示原始输出数据，红色虚线表示误差补偿后输出数据，绿色表示基准数据。通过直接观察（红色虚线与绿色基准线几乎重合在一起），同样得出补偿后的输出数值要更加接近理论输出数值的结论。
图5.3补偿前后数据与基准值对比
补偿后数据与基准还存在一定误差，分析其原因有以下几点因素的影响：
1.数据采集过程中的随机性和不确定性，仍可能存在一定的剩余随机误差；
2.试验过程中坐标轴并没有完全正交，安装误差没有完全补偿掉；
3.作为基准值的数据也可能存在一定的误差。
5.3重复精度测试
表5.4列出倾角仪在量程范围内进行多个固定角度的重复测量试验，每个角度交替重复测量四次，取最大最小值之间的差值。
表明该产品在多次测量或操作中能够保持一致性和稳定性，具有很高的精确度。这种高重复精度使得该产品在需要精确测量的应用场景中具有很高的可靠性，能够满足用户的需求。
小结本公司与一公局联合研发的这款基于MEMS加速度的无线三轴倾角仪是一款高精度、高稳定性、低功耗的倾角测量产品。它能够提供精确的倾角数据，帮助客户更好地了解和分析结构物变形状态，可广泛应用于桥梁、通信塔、风电塔以及各种工程结构的变形监测。最后，我们衷心感谢中交一公局集团有限公司在整个项目中的支持与协助。正是因为双方的共同努力，我们成功地推出了这款产品，期待未来更多的成功与合作！
