CN108829227A - 运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法 - Google Patents

运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，将硬件能耗管控部分和软件能耗动态策略部分结合，在硬件能耗管控部分中，采用控制CPU降频及IO配置、通信CPU模块嵌入式二次开发、休眠时通信CPU模块与电源完全隔离，使整机休眠电流小于5uA；软件能耗动态策略部分中，远程后台服务器接收到终端的上报数据后，根据终端的参数，制定终端能耗管控策略，并下发至终端执行。通过整机功耗控制，在休眠期时，整机工作电流小于5uA；在跟踪期内，通信CPU模块工作并与远程服务器进行数据交互时，整机功耗小于80mA，在跟踪期内通信CPU模块休眠时，整机功耗小于1mA。

Description

运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法
技术领域
本发明涉及一种运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，适用于固定资产防盗、生物资产运动轨迹跟踪，属于无线通信领域。
背景技术
固定资产是机关单位、企事业单位资产的重要组成部分，由于固定资产具有价值高，使用周期长、使用地点分散的特点，当犯罪分子正在实施盗窃时，如何实时防盗报警，且犯罪分子在转运固定资产时，如何对其转运轨迹进行实时跟踪，一直是人们关注的问题。考虑到固定资产数量众多，并分布在室内外部规则的地理位置，监测及跟踪设备不能采用外部供电的方式进行设备运行，并且设备本身体积要微小，以防止犯罪份子发现设备后的强行拆卸；另一方面，在固定资产上安装防盗设备后至固定资产被盗，通常会有较长的时间（如5年），因此，在此期间内，设备会在长时段内处于休眠状态，此时需要苛刻的功耗控制，以保障在固定资产被盗后的位置跟踪；同时，固定资产一旦被盗后，立即开启位置跟踪功能，实时监测固定资产位置变化，也需要实现长达几天的位置跟踪和监测。因此，既要缩小设备自身的体积，又要保持长时间的续航能力，这对运动监测及跟踪设备提出了苛刻的功耗要求。
微功耗运动监测及跟踪设备除在固定资产防盗跟踪的应用外，可广泛满足于多个行业的位置跟踪需求，如近年我国科研人员开始通过微型追踪器进行鸟类迁徙研究，揭示候鸟的迁徙路线，寻找候鸟的繁殖地、中途停歇地、越冬地等，从而对它们进行研究，例如习性、领域范围、迁徙策略与定向机制。近年来，世界各国都在利用跟踪器了解候鸟迁徙规律，为鸟类生物学、生态环境、气候变化、疫情传播等学科研究提供大量数据。同时，该跟踪设备利用其体积小、续航能力强等特征，设备在比赛前或静止时处于微功耗休眠状态，在比赛或运动中实时进行位置跟踪，适用于诸如赛鸽训放、比赛场景，记录并回传赛鸽飞翔、休息状态，并实时回传其地理位置，对其飞行速度、飞行轨迹进行实时记录，为赛鸽竞技状态评估、防止比赛作假提供了详尽的数据。
现有的运动监测及跟踪设备，目前对通信模组的控制，通常采用外部CPU，接入通信模组的RS232串口，通过AT命令实现通信模组通过运营商网络和远程服务器的通信。这种方式，需要功能强大的外部CPU进行计算和逻辑控制，一方面增加了整机电路板的体积，另一方面使得整机功耗不能有效的控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法。本发明具有微功耗、高集成度、高可靠性、融合定位等技术特点，实现休眠期的微功耗及跟踪期的低功耗控制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：将硬件能耗管控部分和软件能耗动态策略部分结合，在硬件能耗管控部分中，采用控制CPU降频及IO配置、通信CPU模块嵌入式二次开发、休眠时通信CPU模块与电源完全隔离，使整机休眠电流小于5uA；软件能耗动态策略部分中，远程后台服务器接收到终端的上报数据后，根据终端的参数，制定终端能耗管控策略，并下发至终端执行。
所述硬件能耗管控部分和软件能耗动态策略部分均包括休眠期控制和跟踪期控制，在休眠期控制时，整机工作电流小于5uA；在跟踪期控制时，通信CPU模块工作并与远程后台服务器进行数据交互时，整机功耗小于80mA，在跟踪期内通信CPU模块休眠时，整机功耗小于1mA。
所述硬件能耗管控部分包括休眠期控制和跟踪期控制，
休眠期控制包括：
1、控制CPU在休眠时，处于SLEEP状态，只执行简单逻辑，电流小于600nA；
2、采用多CPU任务分担方式，在休眠期，只有控制CPU工作，且切断通信CPU模块的电源，只有在跟踪期内，通信CPU模块才执行数据采集、数据发送逻辑控制；
3、控制CPU通过降频，工作于31 kHz的主频下，且处于深度休眠状态，进行休眠计时及运动中断的触发；
4、物理切断通信CPU模块及北斗/GPS定位模块的电源；
跟踪期控制包括：
1、将数据采集、逻辑控制、通信流程控制的软件，直接烧录到通信CPU模块内；
2、通过动态功耗优化DPO方法，优化跟踪期的北斗/GPS定位模块。
所述软件能耗动态策略部分包括休眠期控制和跟踪期控制，
休眠期控制包括：
1、控制CPU通过配置运动检测模块，使其处于超低功耗工作模式；
2、远程后台服务器制定的休眠策略，下发至控制CPU，控制CPU控制执行休眠策略；
跟踪期控制包括：
跟踪期内，在静止或休眠期，控制通信CPU模块处于休眠状态。
所述控制CPU用于智能策略控制，内嵌于功耗管理模块中，功耗管理模块用于整机功耗管理和控制，对北斗/GPS定位模块和通信CPU模块的供电电源综合管理。
所述功耗管理模块还包括微功耗电路管理部分，微功耗电路管理部分使用NMOS管对通信CPU模块和北斗/GPS定位模块的电源连接线实现阻断和导通操作，当整机休眠时，控制CPU模块关断NMOS管，使得通信CPU模块及北斗/GPS定位模块与整机供电电源隔离，切断其电流回路；控制CPU与通信CPU模块互连的IO口，通过上拉电阻和IO口输出方式的配置，避免控制CPU和通信CPU间产生回路，进一步降低整机功耗。
所述控制CPU在未收到运动检测模块的运动触发信息时，向微功耗电路管理部分发送控制指令，关闭通信CPU模块及北斗/GPS定位模块，并进行休眠处理；接收到运动检测模块的运动触发信号，则通知微功耗电路管理部分，启动通信CPU模块及北斗/GPS定位模块，进行位置监测及数据上传。
所述控制CPU通过远程服务器下发的休眠策略，进行智能策略控制；在没有运动触发时，控制CPU首先进行加速度仪、陀螺仪芯片的控制参数配置，使其处于超低功耗的运行模式，其次，通过NMOS管切断通信CPU模块及北斗/GPS定位模块的电源，切断电流回路，控制CPU自身处于深度休眠状态；同时，控制CPU通过定时器定时唤醒的方式，进行时间计数，以便在与远程后台服务器心跳时间到达时，唤醒整机。
所述运动检测模块中，利用微功耗加速度仪、陀螺仪芯片，采集物体运动、倾斜动作，发现物体从静止状态出现运动及倾斜动作，触发控制CPU，进行物体运动告警；
所述北斗/GPS定位模块用于采集、解析北斗及GPS卫星信号，并进行位置计算，输出经纬度信息，对地理位置信息的数据采集。
所述通信CPU模块用于运动监测计算、运动状态评估及判决、北斗/GPS定位模块的地理信息数据采集、数据采集及组帧，并利用运营商无线通信网络的GSM/NBIOT网络的数据通信功能，将设备告警信息及位置跟踪信息，实时传送到远程后台服务器。
所述运动检测模块采用ST公司LIS3DH系列微功耗加速度仪、陀螺仪集成芯片，配置1 Hz ODR采样，在超低功耗模式下，工作电流下降至2uA；通过控制CPU的IIC总线对其配置，根据配置参数，自动进行6D运动监测，一旦监测到终端运动或倾斜，则发送中断信号至控制CPU，进行运动中断触发。
所述北斗/GPS定位模块包括：
北斗/GPS信号采集部分：集成的北斗、GPS双模定位芯片，具有1575.42MHz/1561.098MHz的双频射频信号解码功能；
北斗/GPS休眠控制部分：北斗/GPS休眠控制部分通过外部使能控制端口，使北斗/GPS定位模块处于完全休眠状态；同时，北斗/GPS休眠控制部分具有动态功耗优化DPO模式，在模块采集到卫星信号，并定位成功后，开启DPO模式，使得其功耗下降为原有功耗的1/5。
所述通信CPU包括通信CPU硬件部分和通信CPU软件部分，通信CPU硬件部分由内嵌CPU、电源管理、GSM/NBIOT射频及基带管理、基站参数测量部分、AD采样以及语音处理、外设资源管理（UART、SIM、SD、GPIO、I2C、USB）等子模块组成；内嵌CPU采用ARM低功耗多核CPU，并开放CPU资源，以方便通过嵌入式二次开发技术，将用户应用程序App直接烧录在内嵌CPU内；内嵌CPU部分，通过定时休眠、深度休眠控制，在休眠状态下，电流小于500nA；GSM/NBIOT射频及基带管理，支持GSM及NBIOT通信，其中，GSM支持850/900/1800/1900MHz 四个频段，NBIOT支持B1/B3/B5/B8 四个频段；述基站参数测量部分具备服务小区及邻区的测量功能，分别采集服务小区及邻区的LAC、CI及场强RSSI。这一系列测试数据送入远程后台服务器，以便服务器进行基于运营商基站的LBS定位计算。
所述通信CPU软件部分采用内嵌的用户软件App，将用户的计算和控制逻辑，直接嵌入到自身的CPU中，用户软件App用于数据采集、通信流程控制、数据远程传输。
所述通信CPU软件部分包括LBS数据采集部分、北斗/GPS模块控制及采集部分、电池电压参数获取部分、终端运动状态采集部分、数据组帧发送部分、安全处理部分、策略处理部分、多维度定位方式智能切换部分和设备运动判决部分。
LBS数据采集部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过嵌入式AT命令，实时查询无线通信的小区参数，获取设备的服务小区及邻区的LAC、CI、RSSI值，并将采样值发送到远程后台服务器，以便服务器利用多个小区信息及其场强值，计算终端的位置，进行终端的LBS定位。
北斗/GPS模块控制及采集部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过串口，实时查获取北斗/GPS模块的串口数据，并按照NMEA 0183协议进行数据解析，获取用户经纬度信息；在北斗/GPS定位模块成功定位后，通过配置指令，使其处于DPO模式，进一步降低功耗。
电池电压参数获取部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过嵌入式AT命令，实时获取供电电池电压值。
终端运动状态采集部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过IIC接口，实时采集加速度、陀螺仪的运动参数，获取并计算终端当前运动、静止状态。
数据组帧发送部分：根据上述测试结果，按照终端与远程后台服务器的交互协议，将采集到的LBS数据、位置参数、电池电压、终端运动状态等数据，封装为数据帧，并对数据进行加密，通过GSM/NBIOT射频及基带，发送到远程后台服务器。
安全处理部分：
微功耗运动监测及跟踪设备，通过以下手段，实现安全接入及数据传输：
1、接入阶段的注册请求：初次接入远程服务器时，终端上报其唯一的ID识别码，远程服务器根据数据库内的ID识别码，对其进行监测，只有在数据库内的合法ID才能接入，并实现在远程服务器上的注册，否则，远程服务器将拒绝其接入，有效防止了非法用户的恶意接入；
2、接入阶段的密钥交互：终端注册成功后，终端上报其ID识别码及终端计算出的上行密钥Kup至远程服务器；远程服务器下发远程服务器ID及下行密钥Kdown；通过密钥交互流程，终端和远程服务器保存本身的ID及密钥，以及对端的ID和密钥，以便在后续数据交互时，使用密钥对信息进行加密处理；
3、数据加密传输：终端与远程后台服务器间的数据交互，根据密钥交互流程所获取的密钥，进行DES对称加密后，进行数据传输。由于双方加密的密钥只在密钥交互流程中出现，因此，有效防止数据泄露，提升了数据通信的安全性能。
策略处理部分：包括多维度定位方式智能切换部分、设备运动判决部分及参数远程配置部分。
多维度定位方式智能切换部分：
当终端处于室外时，正常接收到北斗/GPS卫星信号，并正确计算出经纬度信息时，此时，主要采用北斗/GPS卫星定位；当终端处于室内时，终端不能正常接收到北斗/GPS卫星信号时，此时唤醒LBS数据采集模块，采集小区参数，以便远程平台进行多维度融合定位。
设备运动判决部分：
为防止设备运动告警误报，终端采用2种策略的融合，以防告警误报：
1、多次运动联合判定：进行N个周期的运动监测，如果N个周期中有M个周期都处于运动状态，则后台服务端判定终端处于真实运动状态，否者终端将回到休眠状态，等待下一次运动触发。其中N、M的值通过远程后台服务器下发至终端；
2、运动距离判定：通过加速度、陀螺仪的实时数据，计算终端的水平移动距离，当水平移动距离超过门限时，则判定为终端真实运动，其中平移动距离门限值，通过远程后台服务器下发至终端。
设备运行参数远程配置部分：
远程后台服务器接收到设备上报的数据报文后，根据设备上报的当前电池电压、无线信号强度、当前运动状态等参数，进行设备当前电量能维持的运行时间的预估，然后计算出设备的运行参数，并通过无线通信网络对设备的运行参数进行远程配置，参数包括终端休眠周期、移动监测周期、关闭告警时间、终端运行模式、加速度运动中断判定阈值、北斗/GPS采样时间门限、位置跟踪周期。
采用本发明的优点在于：
一、本发明作为一种微功耗运动监测及跟踪设备，利用微功耗加速度仪、陀螺仪集成芯片进行被监测物体的运动监测，一旦监测到被监测物体处于运动状态，则立即进入预报警状态；之后对被监测物体的运动情况进行持续监测，一旦排除运动误判后，通过设备内置的通信模块，上传告警数据及位置信息至远程服务器平台，后续连续采集LBS/GPS/北斗定位数据，对物体运动轨迹进行实时跟踪。本发明实现被监测物体的运动判决、告警及后续的地理位置跟踪，是一种适用于固定资产防盗、生物资产运动轨迹跟踪的一种微功耗运动监测及跟踪设备。
二、本发明通过MCU降频、休眠控制，并结合NMOS管的电源阻断技术，物理上实现整机功耗的有效控制；另一方面，通过远程服务器下发策略参数，进一步通过休眠策略降低功耗，实现了整机休眠电流小于5uA的微功耗指标。
三、本发明利用通信CPU模块的嵌入式二次开发技术，将复杂运算及通信控制的程序，直接烧录到通信CPU模块内，实现自主控制，减少了外围电路及控制CPU的运算负担，进一步降低了整机休眠功耗。
四、本发明采用高集成度的通信CPU及超低功耗的控制CPU，双CPU在功耗控制模块的协同下，实现了在无运动状态下的微功耗休眠及运动唤醒后的多种数据采集及策略控制，且将多种定位技术融合为一体，实现了各种场景下的全流程控制及定位，是一种超高续航、高集成度、高可靠性的终端设备。
五、整机机壳采用密闭机壳，外部机壳连接处采用超声焊接方式，实现完全密闭，满足防水、防潮、防腐要求。
六、本发明具有智能策略处理功能，在设备硬件功耗控制机制下，进一步通过软件优化减少电能的消耗。通过设备与远程服务器间的运行策略协商，实现在电量消耗及测试速度、精度间的权衡，满足于各种测量的需求，大大提升了电池的续航能力。
七、本发明具有无线充电接口，一方面使得充电过程更为简便，另一方面，使得整个硬件设备可放置与密闭机壳内，从而实现防水、防潮，适合于在各种恶劣环境下的使用。
八、通过设备与远程平台的注册/密钥交互流程及数据帧的加密，防止非法用户的恶意接入及数据泄露，有效提升了数据通信的安全性能。
具体实施方式
实施例1
一种运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，包括：将硬件能耗管控部分和软件能耗动态策略部分结合，在硬件能耗管控部分中，采用控制CPU降频及IO配置、通信CPU模块嵌入式二次开发、休眠时通信CPU模块与电源完全隔离，使整机休眠电流小于5uA；软件能耗动态策略部分中，远程后台服务器接收到终端的上报数据后，根据终端的参数，制定终端能耗管控策略，并下发至终端执行。
所述硬件能耗管控部分和软件能耗动态策略部分均包括休眠期控制和跟踪期控制，在休眠期控制时，整机工作电流小于5uA；在跟踪期控制时，通信CPU模块工作并与远程后台服务器进行数据交互时，整机功耗小于80mA，在跟踪期内通信CPU模块休眠时，整机功耗小于1mA。
所述硬件能耗管控部分包括休眠期控制和跟踪期控制，
休眠期控制包括：
1、控制CPU在休眠时，处于SLEEP状态，只执行简单逻辑，电流小于600nA；
2、采用多CPU任务分担方式，在休眠期，只有控制CPU工作，且切断通信CPU模块的电源，只有在跟踪期内，通信CPU模块才执行数据采集、数据发送逻辑控制；
3、控制CPU通过降频，工作于31 kHz的主频下，且处于深度休眠状态，进行休眠计时及运动中断的触发；
4、物理切断通信CPU模块及北斗/GPS定位模块的电源；
跟踪期控制包括：
1、将数据采集、逻辑控制、通信流程控制的软件，直接烧录到通信CPU模块内；
2、通过动态功耗优化DPO方法，优化跟踪期的北斗/GPS定位模块。
所述软件能耗动态策略部分包括休眠期控制和跟踪期控制，
休眠期控制包括：
1、控制CPU通过配置运动检测模块，使其处于超低功耗工作模式；
2、远程后台服务器制定的休眠策略，下发至控制CPU，控制CPU控制执行休眠策略；
跟踪期控制包括：
跟踪期内，在静止或休眠期，控制通信CPU模块处于休眠状态。
所述控制CPU用于智能策略控制，内嵌于功耗管理模块中，功耗管理模块用于整机功耗管理和控制，对北斗/GPS定位模块和通信CPU模块的供电电源综合管理。
所述功耗管理模块还包括微功耗电路管理部分，微功耗电路管理部分使用NMOS管对通信CPU模块和北斗/GPS定位模块的电源连接线实现阻断和导通操作，当整机休眠时，控制CPU模块关断NMOS管，使得通信CPU模块及北斗/GPS定位模块与整机供电电源隔离，切断其电流回路；控制CPU与通信CPU模块互连的IO口，通过上拉电阻和IO口输出方式的配置，避免控制CPU和通信CPU间产生回路，进一步降低整机功耗。
所述控制CPU在未收到运动检测模块的运动触发信息时，向微功耗电路管理部分发送控制指令，关闭通信CPU模块及北斗/GPS定位模块，并进行休眠处理；接收到运动检测模块的运动触发信号，则通知微功耗电路管理部分，启动通信CPU模块及北斗/GPS定位模块，进行位置监测及数据上传。
所述控制CPU通过远程服务器下发的休眠策略，进行智能策略控制；在没有运动触发时，控制CPU首先进行加速度仪、陀螺仪芯片的控制参数配置，使其处于超低功耗的运行模式，其次，通过NMOS管切断通信CPU模块及北斗/GPS定位模块的电源，切断电流回路，控制CPU自身处于深度休眠状态；同时，控制CPU通过定时器定时唤醒的方式，进行时间计数，以便在与远程后台服务器心跳时间到达时，唤醒整机。
所述运动检测模块中，利用微功耗加速度仪、陀螺仪芯片，采集物体运动、倾斜动作，发现物体从静止状态出现运动及倾斜动作，触发控制CPU，进行物体运动告警；
所述北斗/GPS定位模块用于采集、解析北斗及GPS卫星信号，并进行位置计算，输出经纬度信息，对地理位置信息的数据采集。
所述通信CPU模块用于运动监测计算、运动状态评估及判决、北斗/GPS定位模块的地理信息数据采集、数据采集及组帧，并利用运营商无线通信网络的GSM/NBIOT网络的数据通信功能，将设备告警信息及位置跟踪信息，实时传送到远程后台服务器。
所述运动检测模块采用ST公司LIS3DH系列微功耗加速度仪、陀螺仪集成芯片，配置1 Hz ODR采样，在超低功耗模式下，工作电流下降至2uA；通过控制CPU的IIC总线对其配置，根据配置参数，自动进行6D运动监测，一旦监测到终端运动或倾斜，则发送中断信号至控制CPU，进行运动中断触发。
所述北斗/GPS定位模块包括：
北斗/GPS信号采集部分：集成的北斗、GPS双模定位芯片，具有1575.42MHz/1561.098MHz的双频射频信号解码功能；
北斗/GPS休眠控制部分：北斗/GPS休眠控制部分通过外部使能控制端口，使北斗/GPS定位模块处于完全休眠状态；同时，北斗/GPS休眠控制部分具有动态功耗优化DPO模式，在模块采集到卫星信号，并定位成功后，开启DPO模式，使得其功耗下降为原有功耗的1/5。
所述通信CPU包括通信CPU硬件部分和通信CPU软件部分，通信CPU硬件部分由内嵌CPU、电源管理、GSM/NBIOT射频及基带管理、基站参数测量部分、AD采样以及语音处理、外设资源管理（UART、SIM、SD、GPIO、I2C、USB）等子模块组成；内嵌CPU采用ARM低功耗多核CPU，并开放CPU资源，以方便通过嵌入式二次开发技术，将用户应用程序App直接烧录在内嵌CPU内；内嵌CPU部分，通过定时休眠、深度休眠控制，在休眠状态下，电流小于500nA；GSM/NBIOT射频及基带管理，支持GSM及NBIOT通信，其中，GSM支持850/900/1800/1900MHz 四个频段，NBIOT支持B1/B3/B5/B8 四个频段；述基站参数测量部分具备服务小区及邻区的测量功能，分别采集服务小区及邻区的LAC、CI及场强RSSI。这一系列测试数据送入远程后台服务器，以便服务器进行基于运营商基站的LBS定位计算。
所述通信CPU软件部分采用内嵌的用户软件App，将用户的计算和控制逻辑，直接嵌入到自身的CPU中，用户软件App用于数据采集、通信流程控制、数据远程传输。
所述通信CPU软件部分包括LBS数据采集部分、北斗/GPS模块控制及采集部分、电池电压参数获取部分、终端运动状态采集部分、数据组帧发送部分、安全处理部分、策略处理部分、多维度定位方式智能切换部分和设备运动判决部分。
LBS数据采集部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过嵌入式AT命令，实时查询无线通信的小区参数，获取设备的服务小区及邻区的LAC、CI、RSSI值，并将采样值发送到远程后台服务器，以便服务器利用多个小区信息及其场强值，计算终端的位置，进行终端的LBS定位。
北斗/GPS模块控制及采集部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过串口，实时查获取北斗/GPS模块的串口数据，并按照NMEA 0183协议进行数据解析，获取用户经纬度信息；在北斗/GPS定位模块成功定位后，通过配置指令，使其处于DPO模式，进一步降低功耗。
电池电压参数获取部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过嵌入式AT命令，实时获取供电电池电压值。
终端运动状态采集部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过IIC接口，实时采集加速度、陀螺仪的运动参数，获取并计算终端当前运动、静止状态。
数据组帧发送部分：根据上述测试结果，按照终端与远程后台服务器的交互协议，将采集到的LBS数据、位置参数、电池电压、终端运动状态等数据，封装为数据帧，并对数据进行加密，通过GSM/NBIOT射频及基带，发送到远程后台服务器。
安全处理部分：
微功耗运动监测及跟踪设备，通过以下手段，实现安全接入及数据传输：
1、接入阶段的注册请求：初次接入远程服务器时，终端上报其唯一的ID识别码，远程服务器根据数据库内的ID识别码，对其进行监测，只有在数据库内的合法ID才能接入，并实现在远程服务器上的注册，否则，远程服务器将拒绝其接入，有效防止了非法用户的恶意接入；
2、接入阶段的密钥交互：终端注册成功后，终端上报其ID识别码及终端计算出的上行密钥Kup至远程服务器；远程服务器下发远程服务器ID及下行密钥Kdown；通过密钥交互流程，终端和远程服务器保存本身的ID及密钥，以及对端的ID和密钥，以便在后续数据交互时，使用密钥对信息进行加密处理；
3、数据加密传输：终端与远程后台服务器间的数据交互，根据密钥交互流程所获取的密钥，进行DES对称加密后，进行数据传输。由于双方加密的密钥只在密钥交互流程中出现，因此，有效防止数据泄露，提升了数据通信的安全性能。
策略处理部分：包括多维度定位方式智能切换部分、设备运动判决部分及参数远程配置部分。
多维度定位方式智能切换部分：
当终端处于室外时，正常接收到北斗/GPS卫星信号，并正确计算出经纬度信息时，此时，主要采用北斗/GPS卫星定位；当终端处于室内时，终端不能正常接收到北斗/GPS卫星信号时，此时唤醒LBS数据采集模块，采集小区参数，以便远程平台进行多维度融合定位。
设备运动判决部分：
为防止设备运动告警误报，终端采用2种策略的融合，以防告警误报：
1、多次运动联合判定：进行N个周期的运动监测，如果N个周期中有M个周期都处于运动状态，则后台服务端判定终端处于真实运动状态，否者终端将回到休眠状态，等待下一次运动触发。其中N、M的值通过远程后台服务器下发至终端；
2、运动距离判定：通过加速度、陀螺仪的实时数据，计算终端的水平移动距离，当水平移动距离超过门限时，则判定为终端真实运动，其中平移动距离门限值，通过远程后台服务器下发至终端。
设备运行参数远程配置部分：
远程后台服务器接收到设备上报的数据报文后，根据设备上报的当前电池电压、无线信号强度、当前运动状态等参数，进行设备当前电量能维持的运行时间的预估，然后计算出设备的运行参数，并通过无线通信网络对设备的运行参数进行远程配置，参数包括终端休眠周期、移动监测周期、关闭告警时间、终端运行模式、加速度运动中断判定阈值、北斗/GPS采样时间门限、位置跟踪周期。
实施例2
本实施例对本发明做进一步说明。
本发明包括：
运动检测模块：利用微功耗加速度仪、陀螺仪芯片，采集物体运动、倾斜动作，发现物体从静止状态出现运动及倾斜动作，触发控制CPU，进行物体运动告警；
北斗/GPS定位模块：采集、解析北斗及GPS卫星信号，并进行位置计算，输出经纬度信息，对地理位置信息的数据采集；
通信CPU模块：用于运动监测计算、运动状态评估及判决、北斗/GPS定位模块的地理信息数据采集、数据采集及组帧，并利用运营商无线通信网络的GSM/NBIOT网络的数据通信功能，将设备告警信息及位置跟踪信息，实时传送到远程后台服务器；
功耗管理模块：用于整机功耗管理和控制。内嵌微功耗电路管理电路，利用N型MOS管的特性，实现对后续模块供电电源的快速关断及导通，且在导通时，NMOS管的自身内阻小于20毫欧，以减少电流通过NMOS管时的压降，同时，在NMOS管的D、S级间，连接1.5M的电阻，实现对NMOS管的保护。内嵌微功耗电路管理电路，用于对北斗/GPS定位模块和通信CPU模块的供电电源综合管理；内嵌控制CPU，用于智能策略控制。
所述微功耗运动监测跟踪设备，为实现N年休眠*M天跟踪（使用700mAh小型锂电池供电时，N=5，M=72）的目标，主要采用以下方式实现整机的功耗控制：
1、休眠期的微功耗控制技术
（1）控制CPU采用超低功耗的MCU，只执行较为简单逻辑，减少控制CPU的电流消耗；
（2）采用多CPU任务分担方式，在休眠期，只有控制CPU工作，且切断通信CPU的电源，只有在跟踪期内，通信CPU才执行数据采集、数据发送等复逻辑控制；
（3）控制CPU进一步通过降频技术，在控制CPU启动时，通过寄存器配置，利用控制CPU内部的31kHz晶振LFINTOSC输出的时钟信号，作为控制CPU的整机时钟，使得控制CPU工作于31kHz的主频下，开启看门狗电路用于计时，并开启中断触发功能，以便运动中断时能唤醒控制CPU，然后使控制CPU处于深度休眠状态，整个程序流程，既实现微功耗的休眠，又能进行休眠计时及运动中断的触发；
（4）采样超低功耗的运动监检测模块，控制CPU通过配置运动检测模块，使其处于超低功耗工作模式；
（5）利用NMOS管，物理切断通信CPU模块及北斗/GPS定位模的电源，减少电流回路；
（6）后台远程服务器制定的休眠策略，下发至控制CPU，实现控制CPU的智能休眠策略；
跟踪期的低功耗控制技术
（1）采用内嵌的用户软件App技术，将数据采集、逻辑控制、通信流程控制的软件，直接烧录到通信模块内，硬件上减少外部CPU；
（2）跟踪期的北斗/GPS定位模块，通过动态功耗优化DPO技术，有效减少位置定位模块的电流消耗；
（3）跟踪期内，内嵌的用户软件App，进行智能休眠控制，在静止或休眠期，实现通信CPU模块的休眠。
所述运动检测模块包括：
采用微功耗加速度仪、陀螺仪集成芯片，配置1 Hz ODR采样，在其超低功耗模式下，工作电流下降至2uA；通过MCU的IIC总线对其配置，该集成芯片根据配置参数，自动进行6D运动监测，一旦监测到终端运动或倾斜，则发送中断信号至MCU，进行运动中断触发。
所述北斗/GPS定位模块包括：
北斗/GPS信号采集部分：集成的北斗、GPS双模定位芯片，并实现1575.42MHz/1561.098MHz的双频射频信号解码；
北斗/GPS休眠控制部分：北斗/GPS休眠控制部分通过外部使能控制端口，使北斗/GPS定位模块处于完全休眠状态；同时，北斗/GPS休眠控制部分具有动态功耗优化DPO模式，即在模块采集到卫星信号，并定位成功后，采用800ms休眠、200ms工作的循环运行模式，使得其功耗下降为原有功耗的1/5。
所述通信CPU模块包括通信CPU模块硬件部分和通信CPU模块软件部分，
通信CPU模块硬件部分包括：通信CPU模块由内嵌CPU、电源管理、GSM/NBIOT射频及基带管理、基站参数测量部分、AD采样以及语音处理、外设资源管理（UART、SIM、SD、GPIO、I2C、USB）等子模块组成。该通信CPU模块采用超大规模集成技术，将通信组件和BLE集成到17.6*15.7*2.3mm的超小体积内；通信CPU模块支持在模块上的二次开发，用户应用程序App，可以直接烧录到模块内，直接实现模块的独立运行。
内嵌CPU部分：采用ARM低功耗多核CPU，并开放CPU资源，以方便通过嵌入式二次开发技术，将用户应用程序App直接烧录在内嵌CPU内；内嵌CPU部分，通过定时休眠、深度休眠等控制技术，实现在休眠状态下，其电流小于500nA。
GSM/NBIOT射频及基带管理部分：支持GSM及NBIOT通信，其中，GSM支持850/900/1800/1900MHz 四个频段，NBIOT支持B1/B3/B5/B8 四个频段。
基站参数测量部分：基站参数测量部分具备服务小区及邻区的测量功能，分别采集服务小区及邻区的LAC、CI及场强RSSI。这一系列测试数据送入远程后台服务器，以便服务器进行基于运营商基站的LBS定位计算。
所述通信CPU模块软件部分的包括：
通信CPU模块软件部分采用内嵌的用户软件App，实现所有的数据采集、通信流程控制、数据远程传输。目前对通信模组的控制，通常采用外部CPU，接入通信模组的RS232串口，通过AT命令实现通信模组通过运营商网络和远程服务器的通信。这种方式，需要功能强大的外部CPU进行计算和逻辑控制，一方面增加了整机电路板的体积，另一方面使得整机功耗不能有效的控制。采用内嵌的用户软件App，将用户的计算和控制逻辑，直接嵌入到通信模组内的自身的CPU中，有效减少的电路板体积，并且减少了外部控制CPU，从而有效地减少了整机功耗。
LBS数据采集部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过嵌入式AT命令，实时查询无线通信的小区参数，获取设备的服务小区及邻区的LAC、CI、RSSI值，并将采样值发送到远程后台服务器，以便服务器利用多个小区信息及其场强值，计算终端的位置，进行终端的LBS定位。
北斗/GPS模块控制及采集部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过串口，实时查获取北斗/GPS模块的串口数据，并按照NMEA 0183协议进行数据解析，获取用户经纬度信息；在北斗/GPS定位模块成功定位后，通过配置指令，使其处于DPO模式，进一步降低功耗。
电池电压参数获取部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过嵌入式AT命令，实时获取供电电池电压值。
终端运动状态采集部分：通信CPU模块内嵌的用户软件App，通过IIC接口，实时采集加速度、陀螺仪的运动参数，获取并计算终端当前运动、静止状态。
数据组帧发送部分：根据上述测试结果，按照终端与远程后台服务器的交互协议，将采集到的LBS数据、位置参数、电池电压、终端运动状态等数据，封装为数据帧，并对数据进行加密，通过GSM/NBIOT射频及基带，发送到远程后台服务器。
安全处理部分：
微功耗运动监测及跟踪设备，通过以下手段，实现安全接入及数据传输：
1、接入阶段的注册请求：初次接入远程服务器时，终端上报其唯一的ID识别码，远程服务器根据数据库内的ID识别码，对其进行监测，只有在数据库内的合法ID才能接入，并实现在远程服务器上的注册，否则，远程服务器将拒绝其接入，有效防止了非法用户的恶意接入。
2、接入阶段的密钥交互：终端注册成功后，终端上报其ID识别码及终端计算出的上行密钥Kup至远程服务器；远程服务器下发远程服务器ID及下行密钥Kdown；通过密钥交互流程，终端和远程服务器保存本身的ID及密钥，以及对端的ID和密钥，以便在后续数据交互时，使用密钥对信息进行加密处理。
3、数据加密传输：终端与远程后台服务器间的数据交互，根据密钥交互流程所获取的密钥，进行DES对称加密后，进行数据传输。由于双方加密的密钥只在密钥交互流程中出现，因此，有效防止数据泄露，提升了数据通信的安全性能。
策略处理部分：包括多维度定位方式智能切换部分、设备运动判决部分及参数远程配置部分。
多维度定位方式智能切换：
当终端处于室外时，正常接收到北斗/GPS卫星信号，并正确计算出经纬度信息时，此时，主要采用北斗/GPS卫星定位；当终端处于室内时，终端不能正常接收到北斗/GPS卫星信号时，此时唤醒LBS数据采集模块，采集小区参数，以便远程平台进行多维度融合定位。
设备运动判决部分：
为防止设备运动告警误报，终端采用2种策略的融合，以防告警误报：
1、多次运动联合判定：进行N个周期的运动监测，如果N个周期中有M个周期都处于运动状态，则后台服务端判定终端处于真实运动状态，否者终端将回到休眠状态，等待下一次运动触发。其中N、M的值通过远程后台服务器下发至终端。
2、运动距离判定：通过加速度、陀螺仪的实时数据，计算终端的水平移动距离，当水平移动距离超过门限时，则判定为终端真实运动。其中平移动距离门限值，通过远程后台服务器下发至终端。
设备运行参数远程配置部分：
远程后台服务器接收到设备上报的数据报文后，根据设备上报的当前电池电压、无线信号强度、当前运动状态等参数，进行设备当前电量能维持的运行时间的预估，然后动态计算出设备的运行参数，并通过无线通信网络对设备的运行参数进行远程配置，参数包括终端休眠周期、移动监测周期、关闭告警时间、终端运行模式、加速度运动中断判定阈值、北斗/GPS采样时间门限、位置跟踪周期。
所述功耗管理模块包括：此模块用于整机功耗管理和控制。内嵌微功耗电路管理电路，用于对北斗/GPS定位模块和通信CPU模块的供电电源综合管理；内嵌控制CPU，用于智能策略控制。
微功耗电路管理部分：
使用NMOS管对通信CPU模块和北斗/GPS定位模块的电源连接线实现阻断和导通操作。当整机休眠时，控制CPU关断NMOS管，使得通信CPU模块及北斗/GPS定位模块与整机供电电源完全隔离，切断其电流回路，以降低电流损耗；
控制CPU与通信CPU模块互连的IO口，通过上拉电阻和IO口输出方式的配置，避免与通信CPU模块连接时构成电流回路，进一步降低电流损耗。
控制CPU部分：用于在未收到运动检测模块的运动触发信息时，向微功耗电路管理部分发送控制指令，关闭通信CPU模块及北斗/GPS定位模块，并进行休眠处理；一旦接收到运动检测模块的运动触发信号，则通知微功耗电路管理部分，启动通信CPU模块及北斗/GPS定位模块，进行位置监测及数据上传。
控制CPU采用Microchip公司的L系列MCU，自身为一款超低功耗的MCU。为进一步降低功耗，由MCU内部的低功耗晶振提供31 kHz的方波作为运行主频， MCU工作电流低于2.5uA，在未处理业务时，MCU处于完全休眠状态，休眠电流小于500 nA。
控制CPU通过对微功耗加速度仪、陀螺仪集成芯片的控制参数配置，使其工作与1Hz ODR采样，并工作在超低功耗模式，在该模式下，其工作电流下降至2uA。
控制CPU通过远程服务器下发的休眠策略，进行智能策略控制。在没有运动触发时，控制CPU首先进行加速度仪、陀螺仪集成芯片的控制参数配置，时期处于超低功耗的运行模式，其次，通过NMOS管切断通信CPU模块及北斗/GPS定位模块的电源，切断与其的电流回路，进一步降低功耗，同时，使自身处于深度休眠状态；同时，控制CPU通过定时器定时唤醒的方式，进行时间计数，以便在与远程服务器心跳时间到达时，唤醒整机，实现与远程服务器的心跳通信；
通过整机功耗控制，在休眠期时，整机工作电流小于5uA；在跟踪期内，通信CPU模块工作并与远程服务器进行数据交互时，整机功耗小于80mA，在跟踪期内通信CPU模块休眠时，整机功耗小于1mA。

Claims (10)

1.一种运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：将硬件能耗管控部分和软件能耗动态策略部分结合，在硬件能耗管控部分中，采用控制CPU降频及IO配置、通信CPU模块嵌入式二次开发、休眠时通信CPU模块与电源完全隔离，使整机休眠电流小于5uA；软件能耗动态策略部分中，远程后台服务器接收到终端的上报数据后，根据终端的参数，制定终端能耗管控策略，并下发至终端执行。
2.根据权利要求1所述的运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：所述硬件能耗管控部分和软件能耗动态策略部分均包括休眠期控制和跟踪期控制，在休眠期控制时，整机工作电流小于5uA；在跟踪期控制时，通信CPU模块工作并与远程后台服务器进行数据交互时，整机功耗小于80mA，在跟踪期内通信CPU模块休眠时，整机功耗小于1mA。
3.根据权利要求2所述的运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：所述硬件能耗管控部分包括休眠期控制和跟踪期控制，
休眠期控制包括：
1、控制CPU在休眠时，处于SLEEP状态，只执行简单逻辑，电流小于600nA；
2、采用多CPU任务分担方式，在休眠期，只有控制CPU工作，且切断通信CPU模块的电源，只有在跟踪期内，通信CPU模块才执行数据采集、数据发送逻辑控制；
3、控制CPU通过降频，工作于31 kHz的主频下，且处于深度休眠状态，进行休眠计时及运动中断的触发；
4、物理切断通信CPU模块及北斗/GPS定位模块的电源；
跟踪期控制包括：
1、将数据采集、逻辑控制、通信流程控制的软件，直接烧录到通信CPU模块内；
2、通过动态功耗优化DPO方法，优化跟踪期的北斗/GPS定位模块。
4.根据权利要求3所述的运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：所述软件能耗动态策略部分包括休眠期控制和跟踪期控制，
休眠期控制包括：
1、控制CPU通过配置运动检测模块，使其处于超低功耗工作模式；
2、远程后台服务器制定的休眠策略，下发至控制CPU，控制CPU控制执行休眠策略；
跟踪期控制包括：
跟踪期内，在静止或休眠期，控制通信CPU模块处于休眠状态。
5.根据权利要求4所述的运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：所述控制CPU用于智能策略控制，内嵌于功耗管理模块中，功耗管理模块用于整机功耗管理和控制，对北斗/GPS定位模块和通信CPU模块的供电电源综合管理。
6.根据权利要求5所述的运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：所述功耗管理模块还包括微功耗电路管理部分，微功耗电路管理部分使用NMOS管对通信CPU模块和北斗/GPS定位模块的电源连接线实现阻断和导通操作，当整机休眠时，控制CPU模块关断NMOS管，使得通信CPU模块及北斗/GPS定位模块与整机供电电源隔离，切断其电流回路；控制CPU与通信CPU模块互连的IO口，通过上拉电阻和IO口输出方式的配置。
7.根据权利要求6所述的运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：所述控制CPU在未收到运动检测模块的运动触发信息时，向微功耗电路管理部分发送控制指令，关闭通信CPU模块及北斗/GPS定位模块，并进行休眠处理；接收到运动检测模块的运动触发信号，则通知微功耗电路管理部分，启动通信CPU模块及北斗/GPS定位模块，进行位置监测及数据上传。
8.根据权利要求7所述的运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：所述控制CPU通过远程服务器下发的休眠策略，进行智能策略控制；在没有运动触发时，控制CPU首先进行北斗/GPS定位模块的控制参数配置，使其处于超低功耗的运行模式，其次，通过NMOS管切断通信CPU模块及北斗/GPS定位模块的电源，切断电流回路，控制CPU自身处于深度休眠状态；同时，控制CPU通过定时器定时唤醒的方式，进行时间计数，以便在与远程后台服务器心跳时间到达时，唤醒整机。
9.根据权利要求8所述的运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：所述运动检测模块配置1 Hz ODR采样，在超低功耗模式下，工作电流下降至2uA；通过控制CPU的IIC总线对其配置，根据配置参数，自动进行6D运动监测，一旦监测到终端运动或倾斜，则发送中断信号至控制CPU，进行运动中断触发。
10.根据权利要求9所述的运动监测及跟踪设备的微功耗控制方法，其特征在于：所述北斗/GPS定位模块包括北斗/GPS休眠控制部分，北斗/GPS休眠控制部分通过外部使能控制端口，使北斗/GPS定位模块处于完全休眠状态；同时，北斗/GPS休眠控制部分具有动态功耗优化DPO模式，在模块采集到卫星信号，并定位成功后，开启DPO模式，使得其功耗下降为原有功耗的1/5。
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