CN103616701B - 野生动物微型远程追踪器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种野生动物微型远程追踪器及其控制方法，由太阳能电池、改进型MPPT控制电路、锂电池、能效管理模块、通信模块、微处理器、卫星定位模块、高可靠性数据管理模块、系统永不失效监控模块、星历数据热备份模块组成，太阳能电池通过改进型MPPT控制电路给锂电池充电，同时微处理器通过能效管理模块对锂电池进行进一步的能效管理；系统永不失效监控模块防止系统死机，高可靠性数据管理模块保存系统重要的参数设置数据，微处理器通过RS232接口和卫星定位模块通信。本发明防水、体积小、重量轻、超低功耗，可在高海拔、高低温环境下长期工作，可广泛应用于野生动物的追踪和定位。

Description

野生动物微型远程追踪器及其控制方法

技术领域

本发明涉及现代电子通信和物联网技术领域，特别是涉及一种利用移动通信技术和卫星定位技术的野生动物微型远程追踪器及其控制方法。

背景技术

目前，市场上比较普遍的GPS追踪定位器有两大类。一类是车载设备上的GPS导航仪，这种设备将GPS技术与地图结合，为使用者提供实时路况的导航，它无法将具体的位置信息发送至远程服务器；另一类是专门针对老人、小孩和宠物的GPS定位器，当终端请求者需要获取这类设备的位置信息时，通过加密短信或者拨打设备上的电话的方式获取实时位置信息，设备将以短信的方式将位置信息发送给请求者。这类定位器一般都需要使用者定时给设备充电，而且体积大较为笨重，而且无法和远程的服务器终端软件系统连接，功能单一。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种野生动物微型远程追踪器及其控制方法，它不仅能定时发送实时位置信息至指定手机终端或远程服务器，同时远程服务器能主动查询设备实时信息及历史轨迹。具有防水、体积小、重量轻、超低功耗、终生能量自持的特点，并且可在高海拔、高低温环境下长期工作；这些优势方便本发明广泛应用于野生动物的追踪与定位，本发明还可与服务器软件系统连接，方便管理者做进一步的数据分析与统计。

本发明采用的技术方案是：

一种野生动物微型远程追踪器，由太阳能电池、改进型MPPT控制电路、锂电池、能效管理模块、通信模块、微处理器、卫星定位模块、高可靠性数据管理模块、系统永不失效监控模块、星历数据热备份模块组成，太阳能电池通过改进型MPPT控制电路连接锂电池，微处理器连接控制改进型MPPT控制电路和能效管理模块，能效管理模块连接控制锂电池，微处理器与卫星定位模块和通信模快双向连接通信，微处理器输出数据信息连接高可靠性数据管理模块和系统永不失效监控模块，星历数据热备份模块输出连接卫星定位模块，锂电池为上述模块及电路供电。

一种野生动物微型远程追踪器的控制方法，包括太阳能电池、改进型MPPT控制电路、锂电池、能效管理模块、通信模块、微处理器、卫星定位模块、高可靠性数据管理模块、系统永不失效监控模块、星历数据热备份模块，太阳能电池通过改进型MPPT控制电路给锂电池充电，同时微处理器通过能效管理模块对锂电池进行进一步的能效管理；系统永不失效监控模块防止系统死机，保证软件系统稳定运行；高可靠性数据管理模块保存系统重要的参数设置数据，比如当用户需要通过短信密码更改接收实时位置信息的手机号码时，系统将更改后的号码存入掉电保存区，当系统断电再次上电时保证数据不会丢失；微处理器通过RS232接口和卫星定位模块通信，以AT命令的方式控制通信模块。

上述技术方案中，所述的改进型MPPT控制电路，实时采集太阳能电池的电压、电流、温度等参数；设计相应的超低电压转换、高效升压转换电路；设计相应的温度自适应控制算法，该算法能根据系统采集的温度按照温度—效率曲线对输出控制自动补偿；改进型MPPT控制电路比传统MPPT控制电路控制精度更高、跟踪速度更快、自适应能力更强，改进型MPPT控制电路实际转换效率达98%以上。

上述技术方案中，所述的星历数据热备份模块，采用独立的后备电池，单独给星历数据存储器供电，确保星历数据实时更新并长期有效；该星历数据可用于预判以后工作中可用的卫星。

上述技术方案中，所述的高可靠性数据管理模块，对于数据的存储，采用“先存后读”的方法，即将数据写入存储器后，读出该地址存储的数据，进行比较，结果不同则重复本次存储操作；对于数据的读取，采用“三举二”冗余的方法，将数据同时存储在三个不同的地址，读取时，如果三个数据一致，本次读取有效，1、如果有两个数据一致，结果取两者中的其一，如果三个数据都不一致，本次读取无效。

上述技术方案中，所述的系统永不失效监控模块，该模块由软件“看门狗”、硬件“看门狗”电路和定时复位电路组成；软件“看门狗”由微处理器内部设置“喂狗”周期，在设定的周期内如无“喂狗”信号，微处理器产生软件复位。硬件“看门狗”由控制系统的IO口在特定的周期内产生“喂狗”信号，如果因外界干扰导致系统软件不能正常运行，硬件“看门狗”控制器的复位引脚有效，系统重新启动；在设定的时间，定时复位电路产生周期性的复位脉冲，该复位脉冲与系统的复位信号并联；三种复位方式同时作用于控制系统，具有很高的可靠性，在强干扰环境中，能够保证系统正常工作。

本发明利用GPS卫星追踪和GSM无线通讯，利用TI公司的高性能单片机作为系统的控制器，该控制器通过RS232接口读取卫星模块的信息，利用通信模块以短消息的形式将信息发送至请求者或远程服务器。

本发明的微处理器采用TI公司物联网专用型超低功耗单片机，本发明专利中采用的单片机具体型号是MSP430F2419，该微处理器在工作模式下电流只有300uA,待机模式下电流32uA；2、利用太阳能给追踪器充电，在白天阳光充足时，太阳能电池通过控制电路给微处理器锂电池充电，系统设计有太阳能智能充电管理系统，防止锂电池过充过放；3、采用定时器定时唤醒微处理器，其他时间微处理器和外设处于关机或待机状态，大大降低了系统功耗，同时每天在固定的时间复位系统，防止系统死机，保证了系统的可靠性；4、系统设计高效的功耗管理模块，只有定时发送时间到或者收到主动请求命令时，系统才开启GPS搜索卫星，定位成功后系统自动关闭GPS和GSM；5、可远程开关机，服务器发送加密的短信指令可远程对设备进行开关机管理；6、低电压自动报警和待机，在系统电池电压低于设定的阀值时，系统自动关闭GPS和GSM，待电池电压高于设定的阀值时，系统自动按照用户要求开启GPS和GSM。

与应用已有技术设计的追踪器相比，本发明采用太阳能电池发电、改进型MPPT控制电路、能效管理模块、星历数据热备份模块、高可靠性数据管理模块、系统永不失效监控模块。本发明具有防水、体积小、重量轻、超低功耗、终生能量自持、高可靠性的特点。本发明可在高海拔、高低温环境下长期工作。本发明可广泛应用于野生动物的追踪和定位。

附图说明

图1是系统连接框图；

图2是微处理器电路图；

图3是GPS、GSM一体化模块电路图；

图4是EEPROM电路图；

图5是看门狗及手动复位电路图；

图6是充放电管理电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明系统连接框图，太阳能电池通过改进型MPPT控制电路给锂电池充电，同时微处理器通过能效管理模块对锂电池进行进一步的能效管理。系统永不失效监控模块防止系统死机，保证软件系统稳定运行。高可靠性数据管理模块保存系统重要的参数设置数据，比如当用户需要通过短信密码更改接收实时位置信息的手机号码时，系统将更改后的号码存入掉电保存区，当系统断电再次上电时保证数据不会丢失。微处理器通过RS232接口和卫星定位模块通信，以AT命令的方式控制通信模块。

图2为微处理器电路图，本发明以MSP430F2419单片机为核心控制部件，卫星定位和通信模块通过串口和单片机连接，本发明中单片机的32脚通过一个100欧姆的限流电阻跟卫星定位模块的RXD0连接，33脚通过一个100欧姆的限流电阻跟模块的TXD连接，34脚通过一个100欧姆的限流电阻跟GSM模块的RXD连接，35脚通过一个100欧姆的限流电阻跟GSM模块的TXD连接，这样通过软件就能控制模块获取实时位置信息和发送接收短信了。12、13脚分别为控制GSM模块复位和开关机的IO口。12引脚的一个低电平使模块复位，13引脚在模块开机状态下出现一个1-5秒的正跳变或负跳变脉冲，会关闭GSM模块，在关机状态下出现一个1-5秒的正跳变或负跳变脉冲，会启动模块。通过这两个IO口就能对模块进行低功耗的控制。通过控制14、15引脚即可以对GSM和卫星定位模块进行硬件电源的开启控制。电路图中单片机的第3脚WDI为看门狗芯片的喂狗信号，当单片机软件出现程序“跑飞”或者死机的情况，不能及时“喂狗”时，“看门狗”芯片会产生一个低电平使单片机复位。电路中单片机的第2脚VAD为电池电压的采集端口，通过单片机内置的12位AD，单片机将系统电池电压采集后和实时位置信息一起发送给请求者或者服务器，便于管理者实时了解系统工作电压。

图3为GPS、GSM模块电路，本发明中GSM模块采用的是ublox公司高度集成的GSM模块，简化了硬件电路。本GSM电路图中模块的32、33、34、35引脚连接的是SIM座，15脚为串口数据接收引脚RXD0，16脚为串口数据的发送引脚TXD0，单片机通过这两个引脚便能控制模块。47引脚为GSM天线的接口，19引脚为单片机控制模块开关机用，22脚为模块复位引脚，50引脚直接锂电池，给模块供电。

GPS为卫星定位模块电路，本发明中卫星定位模块GPS采用的是ublox公司MAX-6Q模块，本电路中模块的2、3引脚接单片机的GPS_TXD和GPS_RXD，通过单片机的串口即可获取模块的位置信息，6脚为备用电源引脚，接锂电池，备用电源的设计能保证GPS定位的信息不丢失，在下次定位时能快速的定位，减少了定位的时间、降低了系统的功耗。8脚为卫星定位模块电源引脚，锂电池通过稳压芯片后提供2.5V的电源给卫星定位模块供电。14脚为有源天线接口引脚。

图4为EEPROM电路，这部分电路主要是做数据的掉电保存用。AT24C256C是32K字节EEPROM芯片，它主要作用是在系统掉电时能保存重要的用户数据不会丢失。它与单片机的连接电路也非常简单，该电路的5脚SDA为数据引脚，6脚SCL为时钟引脚。

图5为看门狗电路，本电路中1脚RST连接至单片机的复位引脚RST，当芯片的3脚MR为低电平时即手动按下复位按钮，RST产生复位信号，单片机被手动复位。4脚WDI为单片机的喂狗信号引脚，当在规定的时间内没有喂狗信号时，单片机也会被复位。

图6为充放电管理电路，输入端连接太阳能板，输出端接锂电池。本设计可有效地保护锂电池，防止电池过充、过放，从而延长电池的使用寿命。

本发明所述的改进型MPPT控制电路，其工作原理是：通过A/D转换电路实时采集太阳能电池的电压、电流、温度等参数，各参数的测量精度达到1/1000。当太阳能电池输出电压高于0.3V，改进型MPPT控制电路可以正常工作。高效升压转换电路采用Boost变换结构，工作频率高于1.5MHz。并辅以输入、输出电容，减少输出纹波，另配备屏蔽储能电感，进一步提高升压转换电路的转换效率。在传统的MPPT控制算法的基础上加入温度补偿，编写微处理器的软件、设计相应的温度自适应控制算法，该算法能根据系统采集的温度按照温度—效率曲线对输出控制自动补偿。改进型的MPPT控制电路比传统的MPPT控制电路控制精度更高、跟踪速度更快、自适应能力更强、转换效率达98%以上。

本发明所述的星历数据热备份模块，其工作原理是：采用独立的后备电池，单独给星历数据存储器供电，确保星历数据实时更新并长期有效。该星历数据可用于预判以后工作中可用的卫星。

本发明所述的高可靠性数据管理模块，其工作原理是：数据管理模块主要作用是在系统掉电时能保存重要的用户数据不会丢失。数据的存储，本发明采用EEPROM芯片。数据的存储采用“先存后读”的方法，即先将数据写入EEPROM中，从同一个地址将写入的数据读出并与写入的数据比较，若读取与写入的数据一致，则本次存储是有效的，否则更换存储地址继续本次数据存储。对于数据的读取，本发明采用“三举二”冗余的方法，对于同一个数据，分三个不同的地址存储，读取时分别读取三个地址的数据，至少两个数据一致本次读取操作有效，否则重复本次数据读取操作。

本发明所述的系统永不失效监控模块，其工作原理是：该模块由软件“看门狗”、硬件“看门狗”电路和定时复位电路组成。软件“看门狗”由微处理器在软件系统设置“喂狗”周期，并且使能“看门狗”。在设定的周期内如无“喂狗”信号，微处理器在该芯片的RST引脚产生低电平复位脉冲，系统软件复位。微处理器只需一个跳变脉冲即可以产生“喂狗”信号，当在规定的时间内微处理器没有喂狗信号时，该芯片的复位引脚产生复位脉冲，该芯片复位脉冲与微处理器的复位信号并联，故而触发微处理器复位。定时复位是利用实时时钟的定时触发来实现，在实时时钟与设定的定时时间匹配后定时输出引脚输出有效信号，该信号与微处理器的复位信号并联，故而触发微处理器复位。

Claims (4)

1.一种野生动物微型远程追踪器，其特征在于，由太阳能电池、改进型MPPT控制电路、锂电池、能效管理模块、通信模块、微处理器、卫星定位模块、高可靠性数据管理模块、系统永不失效监控模块、星历数据热备份模块组成，太阳能电池通过改进型MPPT控制电路连接锂电池，微处理器连接控制改进型MPPT控制电路和能效管理模块，能效管理模块连接控制锂电池，微处理器与卫星定位模块和通信模快双向连接通信，微处理器输出数据信息连接高可靠性数据管理模块和系统永不失效监控模块，星历数据热备份模块输出连接卫星定位模块，锂电池为上述模块及电路供电，所述锂电池与太阳能板之间连接有充放电管理电路以防止电池过充，过放，

所述星历数据热备份模块配备有单独给星历数据存储器供电的独立的后备电池以确保星历数据实时更新并长期有效，

所述微处理器还包括定时器和功耗管理模块，所述定时器定时唤醒所述微处理器并每天在固定的时间复位系统以降低系统功耗和防止系统死机，所述功耗管理模块在定时发送时间到或者受到主动请求命令时才开启GPS搜索卫星，并且在定位成功后自动关闭GPS和GSM，在系统电池电压低于设定的阀值时，系统自动关闭GPS和GSM，待电池电压高于设定的阀值时，系统自动按照用户要求开启GPS和GSM；

所述的改进型MPPT控制电路，该电路实时采集太阳能电池的电压、电流、温度参数；设计相应的超低电压转换、高效升压转换电路；设计相应的温度自适应控制算法，该算法能根据系统采集的温度按照温度—效率曲线对输出控制自动补偿；

所述高效升压转换电路配备屏蔽储能电感，采用Boost变换结构，工作频率高于1.5MHz，并且辅以输入、输出电容，减少输出纹波，进一步提高高效升压转换电路的转换效率。

2.一种野生动物微型远程追踪器的控制方法，其特征在于，包括太阳能电池、改进型MPPT控制电路、锂电池、能效管理模块、通信模块、微处理器、卫星定位模块、高可靠性数据管理模块、系统永不失效监控模块、星历数据热备份模块，太阳能电池通过改进型MPPT控制电路给锂电池充电，同时微处理器通过能效管理模块对锂电池进行进一步的能效管理；系统永不失效监控模块防止系统死机，保证软件系统稳定运行；高可靠性数据管理模块保存系统重要的参数设置数据，比如当用户需要通过短信密码更改接收实时位置信息的手机号码时，系统将更改后的号码存入掉电保存区，当系统断电再次上电时保证数据不会丢失；微处理器通过RS232接口和卫星定位模块通信，以AT命令的方式控制通信模块，

所述锂电池与太阳能板之间连接有充放电管理电路以防止电池过充，过放，所述微处理器还包括定时器和功耗管理模块，所述定时器定时唤醒所述微处理器并每天在固定的时间复位系统以降低系统功耗和防止系统死机，所述功耗管理模块在定时发送时间到或者受到主动请求命令时才开启GPS搜索卫星，并且在定位成功后自动关闭GPS和GSM；在系统电池电压低于设定的阀值时，系统自动关闭GPS和GSM，待电池电压高于设定的阀值时，系统自动按照用户要求开启GPS和GSM；

所述的改进型MPPT控制电路，该电路实时采集太阳能电池的电压、电流、温度参数；设计相应的超低电压转换、高效升压转换电路；设计相应的温度自适应控制算法，该算法能根据系统采集的温度按照温度—效率曲线对输出控制自动补偿；改进型MPPT控制电路比传统MPPT控制电路控制精度更高、跟踪速度更快、自适应能力更强，改进型MPPT控制电路实际转换效率达98％以上；所述高效升压转换电路配备屏蔽储能电感，采用Boost变换结构，工作频率高于1.5MHz，并且辅以输入、输出电容，减少输出纹波，进一步提高高效升压转换电路的转换效率；

所述的星历数据热备份模块，采用独立的后备电池，单独给星历数据存储器供电，确保星历数据实时更新并长期有效；该星历数据可用于预判以后工作中可用的卫星。

3.根据权利要求2所述的野生动物微型远程追踪器的控制方法，其特征在于，所述的高可靠性数据管理模块，对于数据的存储，采用“先存后读”的方法，即将数据写入存储器后，在存储器中写入数据的地址处读出该地址存储的数据，进行比较，结果不同则重复本次存储操作；对于数据的读取，采用“三举二”冗余的方法，将数据同时存储在三个不同的地址，读取时，如果三个数据一致，本次读取有效，如果有两个数据一致，结果取两者中的其一，如果三个数据都不一致，本次读取无效。

4.根据权利要求2所述的野生动物微型远程追踪器的控制方法，其特征在于，所述的系统永不失效监控模块，该模块由软件“看门狗”、硬件“看门狗”电路和定时复位电路组成；软件“看门狗”由微处理器内部设置“喂狗”周期，在设定的周期内如无“喂狗”信号，微处理器产生软件复位；硬件“看门狗”由控制系统的IO口在特定的周期内产生“喂狗”信号，如果因外界干扰导致系统软件不能正常运行，硬件“看门狗”控制器的复位引脚有效，系统重新启动；在设定的时间，定时复位电路产生周期性的复位脉冲，该复位脉冲与系统的复位信号并联；三种复位方式同时作用于控制系统，具有很高的可靠性，在强干扰环境中，能够保证系统正常工作。