CN109547939A - 基于nb-iot的陆地动物轨迹监控终端及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于NB‑IOT的陆地动物轨迹监控终端及工作方法，属于基于物联网的陆地动物的运动轨迹定位跟踪技术领域。监控终端包括控制处理模块、GPS/北斗模块、INS惯性导航模块、气压测高模块、烟雾传感器、温湿度传感器、NB‑IOT通信模块和天线及后台上位机，GPS/北斗模块、INS惯性导航模块、气压测高模块、烟雾传感器模块、温湿度传感器模块、NB‑IOT通信模块和天线均与控制处理模块连接，并通过监控终端对动物进行监控。本发明采用NB‑IOT无线技术进行通信，实现了低功耗、长距离的位置信息和环境信息的传输，有着其他定位跟踪技术难以比拟的技术优势，微实现智能化的野生动物追踪技术有着极其深远的意义。

Description

基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端及工作方法
技术领域
本发明涉及基于物联网的陆地动物的运动轨迹定位跟踪技术，具体涉及基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端及工作方法。
背景技术
动物保护的关键在于野生动物的栖息环境的保护，因此对野生动物日常活动范围的确定就显得格外重要。在处理野生动物监控问题并了解它们与周围环境的复杂关系时，科学家们需要亲自置身野外去观察这些野生动物来获得他们所需要的数据，这种传统的人工跟踪野生动物的方法费时费力，而且对工作人员的生命安全造成极大的威胁, 并且有很多证据可以证明频繁地到栖息地观察野生动物是困难和不明智的。而通过可大量装备在野生动物身上的传感器终端，能够长时间工作而且在任何时侯都可获取动物的位置及周围环境信息，并可以将数据传输到手持终端或电脑上。这种收集数据的方法不但没有破坏环境，而且与传统作业模式比，它不但精度高，观察周期更长而且更经济。当前基于卫星定位技术与通讯技术结合的野生动物跟踪系统通过GPS模块获得野生动物位置信息，再通过通讯模块将采集数据定时的传输回到服务器端，最后通过基于GIS的动物轨迹显示系统将获取数据进行分析与显示。当前采用的基于RFID技术、或GPRS/CDMA/3G/4G模块为传输信息的通道，使用非常耗电，而基于ZigBee技术的无线发射虽然功耗低，但是存在距离短的问题，因此需要一种低功耗、长距离传输的技术适合动物轨迹跟踪的应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端及工作方法的技术方案，避免了数据传输距离短和功耗大的问题，具有传输稳定、抗干扰的特点，有效实现动物跟踪的轨迹信息传输。
基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，包括：控制处理模块、GPS/北斗模块、INS惯性导航模块、气压测高模块、烟雾传感器、温湿度传感器、NB-IOT通信模块和天线及后台上位机，所述的GPS/北斗模块、INS惯性导航模块、气压测高模块、烟雾传感器模块、温湿度传感器模块、NB-IOT通信模块和天线均与控制处理模块连接。
进一步的，所述的GPS/北斗模块采用GB1612双系统高性能双模定位GNSS模块，支持BDS/GPS双系统联合定位和单系统独立定位模式，通过UART接口与控制处理模块连接。
进一步的，所述的INS惯性导航模块采用9轴传感器MPU9250，包含3轴加速度计、3轴磁力计、3轴陀螺仪，通过SPI总线与控制处理模块连接。
进一步的，所述的气压测高模块采用BP5607模块，同时在控制处理模块中采用改进型差分气压测高的高程算法实现气压测高，用于提供定位系统中的高度测定，并通过SPI总线与控制处理模块连接。
进一步的，所述的烟雾传感器模块和温湿度传感器模块通过SPI总线与控制处理模块连接，用于测量陆地环境中的温湿度数据信息以及预防森林着火。
进一步的，所述的NB-IOT通信模块采用BC95模块，通过USB与控制处理模块连接，用于传输GPS/北斗模块的坐标信息和INS惯性导航模块的位置信息以及气压测高信息、温湿度信息、烟雾信息。
进一步的，所述的监控终端使用环境中安装NB-IOT基站，将NB-IOT模块的通信数据传输至后台上位机。
进一步的，所述的后台上位机对INS惯性导航模块的导航位置信息与GPS/北斗模块的位置坐标信息进行卡尔曼联合滤波融合，同时结合高度信息，在显示设备上输出动物的实际位置信息；同时显示当前陆地环境的温湿度和烟雾信息，当温湿度和烟雾达到着火预设值以后，后台上位机报警装置和显示装置发送报警指令。
进一步的，所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端为项圈或者手环。
基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端的工作方法，包括如下步骤：
步骤一：将监控终端佩戴在动物身上，且动物活动范围已经布局NB-IOT基站；
步骤二：GPS/北斗模块实时获取动物的位置信息，INS惯性导航模块获取动物的运动信息，通过气压测高模块获取当前的气压信息，烟雾传感器模块、温湿度传感器模块测量陆地环境中的温湿度数据信息以及当前烟雾信息；
步骤三：将步骤二中采集的信息通过NB-IOT通信模块与NB-IOT基站通信，然后转发到后台上位机中，由后台上位机对INS惯性导航模块的导航位置信息与GPS/北斗模块的位置坐标信息进行卡尔曼联合滤波融合，同时结合高度信息，在显示设备上输出动物的实际位置信息；上位机还记录陆地环境的温湿度和烟雾信息，在上位机中形成记录动物活动的历史数据信息；同时后台上位机分析当前实时的温湿度和烟雾信息，当温湿度和烟雾达到着火预设值以后，后台上位机报警装置和显示装置发送报警指令，第一时间处理着火问题。
本发明基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端及工作方法，具有远距离、低功耗、数量多、低成本、传输稳定、抗干扰性强的特点；采用GPS/北斗模块与INS惯性导航模块组合定位方式实现动物运行轨迹的高精度定位，并采用NB-IOT无线技术进行通信，实现了远距离、低功耗、长距离的位置信息和环境信息的传输，能够较长时间工作且在任何时侯都可获取动物的位置及周围环境信息，具有较好的应用价值。
附图说明
图1为本发明模块框图；
其中：1-温湿度传感器模块；2-烟雾传感器模块；3-气压测高模块；4-MCU控制处理模块；5-NB-IOT通信模块；6-INS惯性导航模块；7-GPS/北斗模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作进一步描述。
基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，如图1所示，该终端包括控制处理模块，GPS/北斗模块7，INS惯性导航模块6，气压测高模块3，烟雾传感器模块2，温湿度传感器模块1，NB-IOT通信模块5和天线及后台上位机。在动物运行环境中，安装NB-IOT基站。所述的控制处理模块采用MCU控制处理模块4，GPS/北斗模块7、INS惯性导航模块6、气压测高模3块、烟雾传感器模块2、温湿度传感器模块1、NB-IOT通信模块5和天线均与MCU控制处理模块4相连。GPS/北斗模块7通过UART接口与MCU控制处理模块4连接，用于获取当前动物的位置坐标信息；INS惯性导航模块6采用9轴传感器MPU9250，包含3轴加速度计、3轴磁力计、3轴陀螺仪，用于获取动物的运动状态信息并通过SPI总线与MCU控制处理模块4连接。气压测高模块3采用BP5607模块，同时在MCU控制处理模块1中采用改进型差分气压测高的高程算法实现气压测高，提供定位系统中的高度测定，用于陆地环境中的三维高度区分，通过SPI总线与MCU控制处理模块4连接；烟雾传感器模块2、温湿度传感器模块1通过SPI总线与MCU控制处理模块4连接，用于测量陆地环境中的温湿度数据信息以及预防森林着火；NB-IOT通信模块5采用BC95模块，通过USB与MCU控制处理模块4连接，将GPS/北斗位置坐标信息和INS惯性导航位置信息以及气压测高信息、温湿度信息、烟雾信息通过NB-IOT基站传输至后台上位机系统。后台上位机系统对INS惯性导航模块6的导航位置信息与GPS/北斗模块7位置坐标信息进行卡尔曼联合滤波融合，同时结合高度信息，在显示设备上输出动物的实际位置信息；同时显示当前陆地环境的温湿度和烟雾信息，当温湿度和烟雾达到着火预设值以后，后台上位机报警装置和显示装置发送报警指令。
基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端的工作方法，包括如下步骤：
步骤一：研究人员在对动物进行检测时，将项圈或手环等形式的监控终端佩戴在动物的脖子上或是四肢上，且动物活动范围已经布局NB-IOT基站；
步骤二：GPS/北斗模块实时获取动物的位置信息，INS惯性导航模块6获取动物的运动信息，通过气压测高模块3获取当前的气压信息，烟雾传感器模块2、温湿度传感器模块1测量陆地环境中的烟雾信息以及当前温湿度数据信息；
步骤三：将步骤二中采集的信息通过NB-IOT通信模块5与基站通信，然后转发到后台上位机中，由后台上位机对INS惯性导航模块6的导航位置信息与GPS/北斗模块7的位置坐标信息进行卡尔曼联合滤波融合，同时结合高度信息，在显示设备上输出动物的实际位置信息；上位机还记录陆地环境的温湿度和烟雾信息，在上位机中形成记录动物活动的历史数据信息，从而工作人员根据历史数据，分析动物的迁徙情况，活动范围等用于动物的监测分析管理。同时后台上位机分析当前实时的温湿度和烟雾信息，当温湿度和烟雾达到着火预设值以后，后台上位机报警装置和显示装置发送报警指令，第一时间处理着火问题。
本发明用于陆地的动物轨迹监控，具有数据传输距离长、定位精确、低功耗的特点，且能够对动物的生存环境进行监测，具有实际应用意义，有着其他的定位跟踪技术难以比拟的技术优势，微实现智能化的野生动物追踪技术有着极其深远的意义。

Claims (10)

1.基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，其特征在于包括：控制处理模块、GPS/北斗模块（7）、INS惯性导航模块（6）、气压测高模块（3）、烟雾传感器模块（2）、温湿度传感器模块（1）、NB-IOT通信模块（5）和天线及后台上位机，所述的GPS/北斗模块（7）、INS惯性导航模块（6）、气压测高模块（3）、烟雾传感器模块（2）、温湿度传感器模块（1）、NB-IOT通信模块（5）和天线均与控制处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，其特征在于所述的GPS/北斗模块（7）采用GB1612双系统高性能双模定位GNSS模块，支持BDS/GPS双系统联合定位和单系统独立定位模式，通过UART接口与控制处理模块连接。
3.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，其特征在于所述的INS惯性导航模块（6）采用9轴传感器MPU9250，包含3轴加速度计、3轴磁力计、3轴陀螺仪，通过SPI总线与控制处理模块连接。
4.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，其特征在于所述的气压测高模块（3）采用BP5607模块，同时在控制处理模块中采用改进型差分气压测高的高程算法实现气压测高，用于提供定位系统中的高度测定，并通过SPI总线与控制处理模块连接。
5.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，其特征在于所述的烟雾传感器模块（2）和温湿度传感器模块（1）通过SPI总线与控制处理模块连接，用于测量陆地环境中的温湿度数据信息以及预防森林着火。
6.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，其特征在于所述的NB-IOT通信模块（5）采用BC95模块，通过USB与控制处理模块连接，用于传输坐标信息和INS惯性导航位置信息以及气压测高信息、温湿度信息、烟雾信息。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，其特征在于所述的监控终端使用环境中安装NB-IOT基站，将NB-IOT模块的通信数据传输至后台上位机。
8.根据权利要求7所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，其特征在于所述的后台上位机对INS惯性导航模块（6）的导航位置信息与GPS/北斗模块（7）的位置坐标信息进行卡尔曼联合滤波融合，同时结合高度信息，在显示设备上输出动物的实际位置信息；同时显示当前陆地环境的温湿度和烟雾信息，当温湿度和烟雾达到着火预设值以后，后台上位机报警装置和显示装置发送报警指令。
9.根据权利要求8所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端，其特征在于所述的基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端为项圈或者手环。
10.基于NB-IOT的陆地动物轨迹监控终端的工作方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：将监控终端佩戴在动物身上，且动物活动范围已经布局NB-IOT基站；
步骤二：GPS/北斗模块（7）实时获取动物的位置信息，INS惯性导航模块（6）获取动物的运动信息，通过气压测高模块（3）获取当前的气压信息，烟雾传感器模块（2）、温湿度传感器模块（1）测量陆地环境中的当前烟雾信息以及温湿度数据信息；
步骤三：将步骤二中采集的信息通过NB-IOT通信模块（5）与NB-IOT基站通信，然后转发到后台上位机中，由后台上位机对INS惯性导航模块（6）的导航位置信息与GPS/北斗模块（5）的位置坐标信息进行卡尔曼联合滤波融合，同时结合高度信息，在显示设备上输出动物的实际位置信息；上位机还记录陆地环境的温湿度和烟雾信息，在上位机中形成记录动物活动的历史数据信息；同时后台上位机分析当前实时的温湿度和烟雾信息，当温湿度和烟雾达到着火预设值以后，后台上位机报警装置和显示装置发送报警指令，第一时间处理着火问题。
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