用于货物运输监测的冲击倾斜电子标签及其监测方法

技术领域

本发明涉及物流领域，特别是涉及一种用于货物运输监测的冲击倾斜电子标签及其监测方法。

背景技术

长期以来，在产品运输过程中，由于野蛮操作、道路颠簸、包装不完善等原因，经常发生各类货损（其典型物理特征为货物遭受的冲击及货物运输中发生倾斜）且无法判断货损责任方的情况。针对这种情况，上世纪末很多制造型企业开始在产品或产品包装上安装运输监测装置来对运输过程进行全程记录并在货物交接时对该记录进行查验，这类装置通常分为运输记录仪（电子型）和警示标签（机械型）两种。

运输记录仪通常由记录仪和上位机“PC数据分析软件”或云端“数据分析软件”两部分组成，其中，监测仪负责采集并记录运输过程中发生的加速度数据，上位机或云端负责在货物交接时，对数据进行分析并输出结果（通常只侧重震动与冲击的分析，很少涉及倾斜角度的测量与分析）。由于记录仪往往肩负采集各种复杂环境下的原始数据的任务，通常有定时采集模式和事件采集模式两种模式，既要保证各数据曲线完整采集又要兼顾数据曲线的完整储存，所以通常由记录仪记录所有数据数据，由外置分析软件完成数据输出，记录仪的优点是可记录所有震动数据及冲击数据，存储数据容量大（几万条），采样频率范围大（1~5000Hz）、频率分析范围广（0.5Hz~500Hz）、系统整体精度高，但又因其自身体积重量大（通常为500克以上）、操作复杂、价格高昂的特点，目前多应用于实验室进行各类产品震动冲击性能试验。而在实际运输应用中，仅应用于在贵重机电设备（如电力变压器）等高价值、大体积、高重量的产品运输过程中，在“轻薄”机电产品上基本无法安装。其使用方式通常是，在起运地安装同时为电池组充满电（尤其是远途运输时），在货物交接地，用分析软件分析筛选所有波形后，输出几十组最大数据，并用与记录仪配套的打印机将检测数据及波形图打印出来，并查看检测结果，其操作较为复杂，记录仪的单台价格目前普遍在4000元~20000元，大多用于可回收、可循环使用的运输场景中。

机械型警示标签具备外形轻巧、操作简单、价格低廉的特点，对物流操作人员能起到提前警告震慑的效果，因而得到大量应用。机械型警示标签主要分为两类，即冲击警示标签和倾斜警示标签，用户将其贴在货物包装的三个立体表面上，当货物进行交接时，通过查验警示标签的“超限颜色标识”或“超限位置标识”记录，及表达是会否发生了冲击超限事件或倾斜超限事件，用以防范产品运输过程中发生货损或为已发生的货损鉴定责任。其中，冲击警示标签通常由塑料机械阻尼结构组成，当实际运输状态超阈值（即超越机械阻尼）时，标签上会显示超限事件发生标识（以冲击警示标签为例：超限时由初始的白色变为红色），在运输终点通过观察标签颜色是否改变，来对运输过程中是否发生过冲击值超限事件进行评判。其中倾斜警示标签通常由角度槽结构及一个滚珠组成，当货物倾斜到某个角度时，滚珠会落入该角度槽另一端处，在运输终点通过观察滚珠位置来对运输过程中是否发生过倾斜超限事件进行评判。在实际使用中，为了能够完整检测货物三个方向上的状态，需将冲击警示标签（3个）分别粘贴于运输货物的外包装的上、前（或后）、左（或右）3个表面上，倾斜警示标签（2个）分别粘贴于运输货物的外包装的前（或后）、左（或右）2个表面上，两类标签合计数量为5个为一套，市场单套均价为80~100元，通常用于不回收、一次性使用的运输场景中。

该类机械型警示标签由于受到机械材料、机械结构的内在机制的制约，其检测精度差、频率响应能力差，对其“是否能用于不同货物、不同使用环境下的检测”的缺陷，各方意见对立，时至今日，尚未见到有权威检测机构对该类产品拥有规范一致的测试体系。

另外，大多警示标签在厂家生产后就已经处于工作状态，其自身的物流过程就有可能因为磕碰或倾斜被触发报警，也就是说，在尚未到实际使用阶段时就已经失效，这也是该类机械型警示标签的明显的产品缺陷。

另外，在货物运到终点时，检验员需要抵近查看并手工记录三个包装面上的警示标签颜色，尤其是设备体积较大时，工作效率很低。

目前在运输安全监测领域，很多国际行业组织对运输过程也有着明确的技术规范标准，由于货物体积、重量、包装不同，运输冲击对其伤害的技术指标考量亦不同，其中衡量可能对货物造成损伤（即不允许出现）的冲击，明确其基本定义为“特定频率下的加速度峰值不能超过规定阈值”，由此可见，在成熟的检测体系及行业标准体系参照下，机械型警示标签由于其机械机构导致频率响应差的先天性缺陷，是无法面对企业对货物运输质量检测的更高要求的，对其升级换代势在必行。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的一个目的是提供一种用于货物运输监测的冲击倾斜电子标签；本发明的另一目的是提供一种用上述冲击倾斜电子标签进行货物运输监测的方法。

为此，本发明的技术方案如下：

一种冲击倾斜电子标签，包括：外壳、安装在外壳内的PCB板以及粘贴在所述外壳上的操作及指示面板，在所述PCB板上焊接有MCU、低功耗三轴加速度传感器、纽扣电池、按键开关、LED冲击事件指示灯和LED倾斜事件指示灯，在所述操作及指示面板上设置有所述LED冲击事件指示灯和LED倾斜事件指示灯的指示窗口、开启按键、电子标签序号二维码以及加速度传感器三轴方向标识，其中：

所述MCU用于：

在出厂前，存储冲击滤波频率、冲击阈值、倾斜静置时间和倾斜阈值；

在电子标签开始启动时，连续采集多个启动时刻的加速度值，对其进行均值处理后，通过计算得到初始加速度值a

在货物运输过程中，实时采集并缓存所述低功耗三轴加速度传感器输出的加速度值a

a

a

在货物交接时，按动所述开启按键，所述MCU根据事件记录，在发生了冲击事件或倾斜事件的情况下，驱动对应事件指示灯进入长亮状态，显示对应超限事件已经发生，若没有任何事件发生，使所述指示灯全部进入白色长亮状态；

所述低功耗三轴加速度传感器用于测量货物的加速度值；

所述纽扣电池用于为电子标签提供电能；

所述LED冲击事件指示灯用于进行冲击超限或未超限状态的显示；

所述LED倾斜事件指示灯用于进行倾斜超限或未超限状态的显示；

所述开启按键用于启动所述冲击倾斜电子标签进入工作状态以及在对所述操作及指示面板进行拍照时，使所述LED冲击事件指示灯和LED倾斜事件指示灯进入闪烁或长亮状态。

其中，在货物运输过程中，所MCU采集数据和进行计算的过程包括以下步骤：

S1，所述MCU以固定频率实时采集、缓存所述加速度传感器输出的加速度值a

|a

当3个连续时间点的| a

S2，进行冲击模式计算，包括以下步骤：

S21）所述MCU对采集到的加速度a

S22）所述MCU对步骤S21得到的3条分量数据曲线的最大峰值进行对比，找到数值最大的峰值点，并将其所在的轴定义为冲击方向主轴；

S23）计算所述峰值点数据a

S24）对所述a

S25）将所述b

S3，进行倾斜模式计算，包括以下步骤：

S31）根据a

S32）计算当前货物姿态重力倾角G

S33）将所述c值与预设的倾斜角度阈值进行比较，当其大于倾斜角度阈值时，将a

当 a

当 a

t

当有倾斜事件发生时，判断产生倾斜的主轴，方法如下：

1）计算当前加速度分量与原始加速度分量的差值d，有：

d

d

d

2）比较d

3）步骤S34）所述MCU驱动倾斜事件指示灯点亮，并指定用不同颜色分别表示不同的产生倾斜的主轴，此时，停止倾斜模式计算。

上述的步骤S1中所述固定频率为200Hz。

上述的步骤S25中，用红、绿、蓝三色分别表示冲击方向主轴为x轴、y轴和z轴；步骤S34）中，用红、绿、蓝三色分别表示产生倾斜的主轴为x轴、y轴和z轴。

上述的步骤S23）中计算所述峰值点数据a

上述的步骤S23）中计算所述峰值点数据a

上述方法中，所述驱动对应事件指示灯进入长亮状态为使对应事件指示灯持续点亮1分钟后熄灭，以便于观测或手机拍照。

本发明的利用上述冲击倾斜电子标签进行货物运输监测的方法，包括以下步骤：

S1，出厂前，将冲击滤波频率（Hz）、冲击阈值（g）、倾斜静置时间（s）和倾斜阈值（°）写入所述MCU的内部数据存储区；

S2，使用时，将所述冲击倾斜电子标签粘贴在货物包装的任意一个表面上，并在货物处于静止状态下，长按开启按键，启动所述冲击倾斜电子标签，使其进入初始工作状态，所述MCU以200Hz的频率连续采集200个启动时刻的加速度值，对其进行均值处理后，作为电子标签初始状态值进行保存，将其标记为a

S3，在货物运输过程中，所述MCU实时采集并缓存所述低功耗三轴加速度传感器输出的加速度值a

S4，货物交接时：按动所述开启按键，MCU根据事件记录，在发生了冲击事件或倾斜事件的情况下，会驱动对应事件指示灯进入长亮状态，证明对应超限事件已经发生，若没有任何事件发生，则显示灯全部进入白色长亮状态。

其中，步骤S4 中所述长亮状态为指示灯点亮一分钟后熄灭，以便于观测或手机拍照。

优选的是，上述方法还包括以下步骤：

S5，货物运输检测记录管理：用手机APP或微信小程序扫描电子标签面板上的电子标签序号（ID）二维码，获取电子标签序号（ID），然后对电子标签面板进行拍照，获得此时电子标签面板的图像，所述手机自动将电子标签序号（ID）和电子标签面板的图像上传至云端数据处理系统，在云端对所述电子标签面板的图像进行识别，获得超限事件的相关数据，将该数据和所述电子标签序号（ID）进行绑定作为检测结果进行保存；

S6，检测结果获取：通过云端API接口检索该电子标签获取所述检测结果，或者通过云端API接口将所述检测结果自动分发至货物相关方的数据管理系统。

本发明的冲击倾斜电子标签是一种在货物运输过程中，用于采集、计算、储存并用LED灯显示货物遭受冲击事件侵害、倾斜事件侵害的电子设备。其既具有传统机械性警示标签外形轻巧、操作简单、价格低廉、适应性广的特点，又具备可随意选择“特定频率”（1Hz~100Hz），对冲击加速度能进行精确测量并显示的电子产品优势，大大拓展了产品应用领域。其微型化，电子化，低成本化的特点，也使更多的货物品类的对运输质量检测的需求得以满足。具体体现在：

1、本发明的1个冲击倾斜电子标签即可取代5个现有的机械性警示标签的全部功能，加快了运输起点的安装速度及运输终点的检测速度。

2、本发明的冲击倾斜电子标签可在使用地启动，从而杜绝了机械性警示标签自身运输失效的弊端。

3、该冲击倾斜电子标签可以安装在货物的任意表面，自动计算并保存初始状态，无需规定安装方向，大大增加了产品使用的灵活性。

4、本发明的冲击倾斜电子标签还提供了传统产品无法拥有的频率响应能力、可按定制频率直接计算出该频率对应下的冲击峰值，适合于更多品类的货物（轻、薄、小）运输检测。

5、本发明的冲击倾斜电子标签可独自完成采集、计算、数据显示全部工作内容，可独立完成所有工作，无需其他辅助分析配套设备。

6、本发明的冲击倾斜电子标签采用超声焊接工艺，具有体积小（50mm*35mm*6mm）、重量轻（20g）、密封性等级高（IP65）等特点，可以通过螺钉固定或粘贴固定，广泛适应各种运输环境要求。而现有的运输记录仪体积重量大，无法安装在大多数轻薄类设备及精密仪器上，现有的机械警示型标签大多采用纸质基板通过粘贴方式安装（俗称防震贴），其防水防尘性能价差，应用领域也同样有很大局限性。

7、本发明的冲击倾斜电子标签成本低，售价低于100元，在价格上已经达到现有机械型警示标签的同等水平（以淘宝产品为例：记录仪4000~20000元/台，警示标签10~30元/个，5个一套，合计100元左右），从而实现了同成本下，产品由机械型向电子型的转化升级。

8、本发明的冲击倾斜电子标签是精准应对目前行业应用特点进行的针对性开发，采用即时采集、即时计算、即时显示的集成嵌入式系统设计，既完美适合行业的实际应用特点，又符合各行业组织及各国际标准的检测规范，故其产生的数据具有更好的比对性与传递性，进而拥有更高的可信度，可为企业的产品运输质量检测提供更科学、更可靠的数据支撑。

9、本发明的冲击倾斜电子标签，每个产品具备唯一的二维码序号（ID），可用移动设备（手机）拍照并自动进行数据识别、数据管理及数据分发，其操作简单、快速、方法便于掌握，为企业加快物流信息数字化进程提供了更有效的技术手段。

10、在必要时可以通过更换纽扣电池、重新上电等方法实现标签的重复循环使用，使应用成本更低。

附图说明

图1是本发明的冲击倾斜电子标签的电路原理图；

图2是本发明的冲击倾斜电子标签的面板示意图；

图3是本发明的冲击倾斜电子标签的数据管理原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的冲击倾斜电子标签及其监测方法进行详细说明。

本发明的冲击倾斜电子标签包括：外壳、安装在外壳内的PCB板以及粘贴在所述外壳上的操作及指示面板。

参见图1和图2，在所述PCB板上焊接有MCU、低功耗三轴加速度传感器、纽扣电池、按键开关、LED冲击事件指示灯和LED倾斜事件指示灯；在所述操作及指示面板上设置有所述LED冲击事件指示灯的指示窗口、LED倾斜事件指示灯的指示窗口、开启按键、电子标签序号（ID）二维码以及加速度传感器三轴方向标识。其中：

所述MCU用于：

在出厂前，存储冲击滤波频率（Hz）、冲击阈值（g）、倾斜静置时间（s）和倾斜阈值（°）；

电子标签开始启动时，连续采集多个启动时刻的加速度值，对其进行均值处理后，通过计算得到初始加速度值a

在货物运输过程中，实时采集并缓存所述低功耗三轴加速度传感器输出的加速度值a

在货物交接时，按动所述开启按键，为了便于观测或手机拍照，所述MCU根据事件记录，驱动对应事件指示灯进入长亮状态（保持一分钟后恢复长亮前的状态）。在发生了冲击事件或倾斜事件的情况下，驱动对应事件指示灯由闪烁状态转入长亮状态（颜色不变）；在没有任何事件发生的情况下，驱动所述指示灯转入白色长亮状态，保持一分钟后熄灭。

所述低功耗三轴加速度传感器用于测量货物的加速度值。

所述纽扣电池用于为电子标签提供电能。

所述LED冲击事件指示灯用于进行冲击超限或未超限状态的显示。

所述LED倾斜事件指示灯用于进行倾斜超限或未超限状态的显示。

所述开启按键用于启动所述冲击倾斜电子标签和在对所述操作及指示面板进行拍照时使所述LED冲击事件指示灯和LED倾斜事件指示灯进行定时长亮状态。

详细地说，在货物运输过程中，所MCU采集数据和进行计算的过程包括以下步骤：

S1，所述MCU实时采集、缓存所述加速度传感器输出的加速度值a

|a

其中：

a

a

当3个连续时间点的| a

S2，进行冲击模式计算，包括以下步骤：

S21）MCU对采集到的加速度a

S22）MCU对上述三条分量数据曲线进行对比计算，找到曲线中所有点中数值最大的那个点，将该点所在轴定义为冲击方向主轴（例如：x、y、z轴的所有数据中的最大值为5g，且该数据点位于x轴分量数据曲线上，则x轴为冲击方向主轴）。

S23）计算曲线峰值a

方法一：对冲击方向主轴的数据序列分别进行傅里叶变换、傅里叶逆变换，然后用预设的冲击滤波频率得到加速度曲线，计算并得到该曲线中所有点的最大值（即峰值）并将其定义为a

方法二：对冲击方向主轴的数据序列，用预设的冲击滤波频率进行巴特沃斯低通滤波处理，得到加速度曲线，计算得到该曲线中所有点的最大值（即峰值）并将其定义为a

S24）对a

S25）将b

S26）在冲击超限事件发生时，根据“只记录首次超限事件”的运输行业规范，无需要再对后续可能发生的冲击事件进行监测，则MCU停止冲击模式计算，但依然保持对应事件指示灯进行显示的功能。

S3，进行倾斜模式计算，包括以下步骤：

S31）根据a

S32）计算当前货物姿态重力倾角G

将所述c值与预设的倾斜角度阈值进行比较，当其小于或等于倾斜角度阈值时，返回到步骤S1；

S33)将所述c值与预设的倾斜角度阈值进行比较，当其大于倾斜角度阈值时，将a

当a

当a

a

t

当有倾斜事件发生时，需要判断倾斜的旋转主轴，计算方法为：

d

d

d

其中，d为当前加速度分量与原始加速度分量的差值；

比较d

S34）MCU将驱动冲击事件指示灯以不同的颜色进行闪烁显示，（例如：用红、绿、蓝三种颜色分别代表x、y、z轴，当客户看到超限指示灯是红色闪烁时，客户便知道环绕x轴发生了倾斜事件。

S35）当倾斜超限事件出现时，根据“只记录首次超限事件”的运输行业规范，电子标签无需再对后续可能发生的倾斜事件进行监测，则MCU停止倾斜模式计算，但依然保持对应事件指示灯进行显示的功能。

本发明的冲击倾斜电子标签进行货物运输监测的过程如下：

S1，出厂前，将客户指定或厂商设定的规格参数（冲击滤波频率（Hz）、冲击阈值（g）、倾斜静置时间（s）、倾斜角度阈值（°））写入冲击倾斜电子标签的MCU内部数据存储区；

S2，使用前，客户将冲击倾斜电子标签粘贴在货物包装的任意1个表面，并在货物处于静止状态下，长按“开启”按键（大于10秒），冲击倾斜电子标签启动，并开始系统初始化过程，MCU以200Hz频率连续采集200个启动时刻的加速度值，对其进行均值处理后，得到电子标签初始加速度值，将其标记为a

S3，运输过程中，MCU实时实时采集、缓存、计算加速度传感器输出的加速度值a

因为目前的行业规范或标准是不允许发生超限事件，所以当任何一个冲击事件或倾斜事件发生后，即标志该类事件已经发生过，则MCU立即停止该类事件检测相关进程，不再对后续可能发生的事件进行采集与计算，此时MCU只进行该类事件对应指示灯的显示进程；而当两类事件都已发生过一次后，MCU立即停止所有检测相关进程，不再对后续可能发生的任何事件进行采集与计算，此时MCU只进行事件指示灯的显示相关进程。

S4，货物交接时，按动所述开启按键，MCU根据事件记录，会驱动对应事件指示灯进入长亮状态，并保持一分钟（便于观测或手机拍照），一分钟后重新恢复长亮前的状态（闪烁状态或熄灭状态）。

本发明的一个实施例中，用白色代表没超限事件发生；红、绿、蓝分别代表在x、y、z轴有超限事件发生。

另外，本发明的方法还进一步包括：

S5，货物运输检测记录管理：参见图3，用手机APP或微信小程序扫描电子标签面板上的电子标签序号（ID）二维码，获取电子标签序号（ID），然后对电子标签面板进行拍照，获得此时电子标签面板的图像，所述手机APP或微信小程序自动将电子标签序号（ID）和电子标签面板的图像上传至云端数据处理系统，在云端对所述电子标签面板的图像进行软件自动智能识别，获得超限事件的相关数据，将该数据和所述电子标签序号（ID）进行绑定作为检测结果进行保存；

S6，检测结果获取：通过云端API接口检索该电子标签获取所述检测结果，或者通过云端API接口将所述检测结果自动分发至货物相关方的数据管理系统，从而大大提升了运输质量检测设备的远程化、实时化、自动化的服务能力。

本发明的冲击倾斜电子标签在软硬件方面进行了综合优化设计，采用即时采集、即时计算、即时显示的集成嵌入式系统设计，可独立完成所有工作，无需其他辅助分析配套设备；具备高性能（比肩记录仪）、低成本（比肩警示贴（5个）），操作更简单、更快速的综合优势。冲击倾斜电子标签自身重量轻（20克），适合更多“轻薄精密”的货物品类；冲击倾斜电子标签有效期更长（一年），有效期内随时启用，无需充电（记录仪在每次应用前都要对电池组充电，确保其满电量），大大提升了易用性；一节纽扣电池（CR2032）可连续工作180天，并可在零下40度正常工作，充分满足了货物洲际运输的实际要求；其事件指示灯显示方式，加大了复杂环境下的观测距离，更方便地适用于各种运输环境；配合电子标签管理系统（手机APP软件及云端数据服务接口），改变了现在机械型警示标签在检测时“目测手记”的作业状态，大大提高了更多的企业在货物运输运输质量监测方面的电子化、数字化、信息化能力。