CN109917441A - 一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置及方法。所述装置包括：惯性传感器、卫星定位传感器、压力传感器、控制器、窄带物联网模块和云端服务器；惯性传感器、卫星定位传感器和窄带物联网模块均与控制器双向通信连接；压力传感器与惯性传感器双向通信连接；云端服务器与窄带物联网模块双向通信连接。本发明能够在可靠地监测物体运动状态的同时节约能耗。

Description

一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置及方法

技术领域

本发明涉及定位追踪技术领域，特别是涉及一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置及方法。

背景技术

在野外定位追踪应用中，所监测的物体形状大小不一，要求监测装置尽可能小，易于安装携带，不影响动物和人的生活习性。野外动物或者野外工作人员的姿态监测和定位追踪装置一般都是便携设备，体积小重量轻，采用蓄电池供电，而有的工作场景没有阳光，无法通过太阳能电池板补充电能，这就要求装置在准确记录姿态信息的同时还要低功耗工作。

目前，运动物体姿态定位装置通常采用连续监测的方式，即不考虑被追踪物体的运动状态，实时获取位置信息，这样就导致定位装置能耗大，不利于蓄电池供电场景下长期运行；并且现有的运动物体姿态定位装置通常通过设置GPS和姿态传感器实现定位，其定位精度有待提高，可靠性低。

发明内容

基于此，有必要提供一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置及方法，能够在可靠的监测物体运动状态的同时节约能耗。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，所述装置包括：惯性传感器、卫星定位传感器、压力传感器、控制器、窄带物联网模块和云端服务器；

所述惯性传感器、所述卫星定位传感器和所述窄带物联网模块均与所述控制器双向通信连接；所述压力传感器与所述惯性传感器双向通信连接；所述云端服务器与所述窄带物联网模块双向通信连接。

可选的，所述装置还包括蓄电池管理模块；

所述蓄电池管理模块与所述控制器双向通信连接。

可选的，所述装置还包括电池充电模块；

所述电池充电模块与所述蓄电池管理模块连接；

所述电池充电模块为太阳能电池板或固定电源装置。

可选的，所述装置还包括数据存储模块；

所述数据存储模块与所述控制器双向通信连接。

可选的，所述控制器的型号为STM32L443CCUx；所述卫星定位传感器的型号为MAX-M8Q；所述惯性传感器的型号为MPU-9250；所述压力传感器的型号为BMP280。

可选的，所述窄带物联网模块为LPWAN模块。

可选的，所述惯性传感器包括加速度传感器、角速度传感器和磁力计。

本发明还提供了一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位方法，所述方法用于所述基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，所述方法包括：

获取运动物体的姿态数据和所处环境的气压数据；所述姿态数据包括三轴加速度、三轴角速度和三轴地磁量；

依据所述姿态数据确定所述运动物体的运行模式；所述运行模式包括静止模式、匀速模式和非匀速模式；

依据所述运行模式控制卫星定位传感器的开启和关闭；

当所述卫星定位传感器处于开启状态时，获取所述运动物体的位置信息，并将所述位置信息、所述姿态数据和所述气压数据发送至所述云端服务器；

当所述卫星定位传感器处于关闭状态时，将所述姿态数据和所述气压数据发送至所述云端服务器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置及方法。所述装置包括：惯性传感器、卫星定位传感器、压力传感器、控制器、窄带物联网模块和云端服务器；惯性传感器、卫星定位传感器和窄带物联网模块均与控制器双向通信连接；压力传感器与惯性传感器双向通信连接；云端服务器与窄带物联网模块双向通信连接。本发明中惯性传感器将采集到的运动物体的姿态数据以及获取到的运动物体所处环境的气压数据传输至控制器，当运动物体处于静止状态时，控制器控制卫星定位传感器处于开启状态，当运动物体处于非静止状态时，控制器控制卫星定位传感器处于关闭状态，相比于现有技术采用连续监测的方式，能够降低能耗；本发明中设置压力传感器获取气压数据，由气压数据和卫星定位传感器采集到的位置信息共同实现物体高度定位，精度高，能够实现对物体运动状态的可靠监测；设置窄带物联网模块进行无线通信，能够进一步降低能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置的结构示意图。

参见图1，实施例的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，包括：控制器1、卫星定位传感器2、惯性传感器3、压力传感器4、窄带物联网模块5和云端服务器6。所述惯性传感器3、所述卫星定位传感器2和所述窄带物联网模块5均与所述控制器1双向通信连接；所述压力传感器4与所述惯性传感器3双向通信连接；所述云端服务器6与所述窄带物联网模块5双向通信连接。

所述惯性传感器3包括加速度传感器、角速度传感器和磁力计，用于将采集到的运动物体的姿态数据传输至所述控制器1；所述姿态数据包括三轴加速度、三轴角速度和三轴地磁量；加速度传感器采集运动物体的三轴加速度，角速度传感器采集运动物体的三轴角速度，磁力计采集运动物体的三轴地磁量；所述压力传感器4用于将采集到的运动物体所处环境的气压数据通过所述惯性传感器3传输至所述控制器1；所述控制器1用于控制所述卫星定位传感器2的开启和关闭，获取所述卫星定位传感器2采集到的运动物体的位置信息，并将所述姿态数据、所述气压数据和所述位置信息通过所述窄带物联网模块5发送至所述云端服务器6；所述云端服务器6发送配置信息，通过控制器1为各个传感器配置参数，例如为各个传感器配置采样速率。

本实施例中，所述装置还包括蓄电池管理模块7；所述蓄电池管理模块7与所述控制器1双向通信连接，用于为整个装置供电。所述蓄电池管理模块7预留有充电接口，可以连接电池充电模块。所述电池充电模块可以为太阳能电池板，采用太阳能电池板实现在线充电；也可以为固定电源装置，采用固定电源实现离线充电，用于多种场合。

本实施例中，所述装置还包括数据存储模块；所述数据存储模块与所述控制器1双向通信连接，用于对所述控制器1发送的数据进行存储和打包，并将打包后的数据定时发送至所述云端服务器6。所述存储模块包括Flash存储器和EEPROM存储器。

本实施例中，所述控制器1的型号为STM32L443CCUx；所述卫星定位传感器2的型号为MAX-M8Q；所述惯性传感器3的型号为MPU-9250；所述压力传感器4的型号为BMP280；所述窄带物联网模块5为LPWAN模块，LPWAN模块的型号为BC95，LPWAN模块具有低功耗高性能的特点，姿态定位装置中采用LPWAN模块作为窄带物联网模块进行无线通信，能降低整个装置的功耗；所述Flash存储器的型号为W25Q128；所述EEPROM存储器的型号为AT24C64。

控制器STM32L443CCUx，通过通用异步收发串口USART1连接卫星定位传感器MAX-M8Q，通过串行总线I2C1连接惯性传感器MPU-9250，通过通用异步收发串口USART2连接LPWAN模块BC95，通过串行外设接口SPI2连接Flash存储器W25Q128，通过串行总线I2C3连接EEPROM存储器AT24C64。

惯性传感器MPU-9250通过AUX_CL和AUX_DA分别与压力传感器BMP280的SCK和SDA相连，设置为主控端读取BMP280数据，以获取运动物体所在环境的气压数据；MPU-9250的SCL和SDA与STM32L443CCUx的I2C1_SCL和I2C1_SDA相连，作为受控端向控制器STM32L443CCUx提供三轴加速度、三轴角速度、三轴地磁量和气压等10自由度传感数据；MPU-9250内置三种传感器独立工作时所需功耗不同，其中加速度传感器工作电流为450uA，角度传感器工作电流为3.2mA，磁力计工作电流为280uA，三种传感器同时工作电流为3.5mA。压力传感器BMP280通用模式采样速率1Hz时工作电流为2.7uA。为了最大限度节省功耗，默认情况下只采集加速度传感器数据，用于判断物体是否匀速运动或者静止，此时工作电流约为0.5mA；加速度数据发生改变后，采用10自由度数据采集模式，此时工作电流约为4mA。

卫星定位传感器MAX-M8的TXD和RXD分别与STM32L443CCUx处理器的USART1_RX和USART1_TX相连，以提供卫星定位数据，同时STM32L443CCUx的通用输入输出脚PA11与MAX-M8的RESET_N相连，用于复位控制。MAX-M8首次定位冷启动时间为26s，使用过程中的热启动时间为1s，平均电流为26mA。默认设置MAX-M8处于采用1Hz工作的节能模式下，其工作电流为5.4mA，监测到物体静止时关闭MAX-M8以节省能耗，监测到物体移动时设置为持续模式平均电流23mA。

本实施例的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，采用惯性传感器监测物体状态的改变并测算物体移动距离，根据压力传感器获取气压数据以得到物体所处高度，根据物体状态、物体移动距离和物体高度的改变启动卫星定位传感器获取物体准确坐标，功耗低，精度高；将多种传感数据通过LPWAN模块发送到远程服务器，实现了远程监测物体状态和位置，且进一步降低了功耗；蓄电池管理模块预留充电接口，可外接太阳能电池板，也可以离线通过固定电源装置充电，满足多种场合的远程姿态监测和行为分析。本发明可用于物体位置监测、动物追踪和行为分析，是低成本低功耗广域网监测设备，解决了物体追踪精度与功耗协调问题。

本发明还提供了一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位方法，所述方法用于上述所述的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置。所述基于窄带物联网的运动物体姿态定位方法首先，控制器以固定周期从惯性传感器获取三轴加速度、三轴角速度、三轴地磁量和气压数据等10自由度数据；然后通过10自由度数据在线分析确定物体运行模式，控制卫星定位传感器开启与关闭，以获取位置坐标信息。其中，控制器依据前期离线提取的姿态信息，在线分析确定物体运行模式包括静止模式、匀速模式、非匀速模式，先通过自协方差方法监测静止模式到非静止模式的转变，再采样贝叶斯决策理论的条件概率密度函数阈值区分匀速模式与匀速模式，同时根据判决结果动态调整阈值提高运行模式的分类准确度。

所述方法具体步骤如下：

1)初始化设定卫星定位传感器、惯性传感器和压力传感器的采样速率。

2)获取运动物体的姿态数据和所处环境的气压数据；所述姿态数据包括三轴加速度、三轴角速度和三轴地磁量。

3)依据所述姿态数据确定所述运动物体的运行模式；所述运行模式包括静止模式、匀速模式和非匀速模式。

4)依据所述运行模式控制卫星定位传感器的开启和关闭。若运行模式为静止模式，则控制卫星定位传感器关闭；若运行模式为匀速模式，则控制卫星定位传感器的开启，且将卫星定位传感器的工作状态设定为占空比获取模式，此时，将以预设的占空比采集位置信息；若运行模式为非匀速模式，则控制卫星定位传感器的开启，且将卫星定位传感器的工作状态设定为持续获取模式，以便及时且实时更新坐标信息。卫星定位传感器的工作状态，能大大降低能耗。

5)当所述卫星定位传感器处于开启状态时，控制器获取所述运动物体的位置信息，并以设定时间，将所述位置信息、所述姿态数据和所述气压数据发送至所述云端服务器；当所述卫星定位传感器处于关闭状态时，控制器以设定时间将所述姿态数据和所述气压数据发送至所述云端服务器。

本实施例的基于窄带物联网的运动物体姿态定位方法，将运动物体的姿态信息与气压数据结合，更利于行为分析；通过在线运动模式和行为分析，触发卫星定位传感器开启，与占空比工作模式相结合，在可靠地监测物体运行状态的同时节约了能耗。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，其特征在于，所述装置包括：惯性传感器、卫星定位传感器、压力传感器、控制器、窄带物联网模块和云端服务器；

所述惯性传感器、所述卫星定位传感器和所述窄带物联网模块均与所述控制器双向通信连接；所述压力传感器与所述惯性传感器双向通信连接；所述云端服务器与所述窄带物联网模块双向通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，其特征在于，所述装置还包括蓄电池管理模块；

所述蓄电池管理模块与所述控制器双向通信连接。

3.根据权利要求2所述的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，其特征在于，所述装置还包括电池充电模块；

所述电池充电模块与所述蓄电池管理模块连接；

所述电池充电模块为太阳能电池板或固定电源装置。

4.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，其特征在于，所述装置还包括数据存储模块；

所述数据存储模块与所述控制器双向通信连接。

5.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，其特征在于，所述控制器的型号为STM32L443CCUx；所述卫星定位传感器的型号为MAX-M8Q；所述惯性传感器的型号为MPU-9250；所述压力传感器的型号为BMP280。

6.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，其特征在于，所述窄带物联网模块为LPWAN模块。

7.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，其特征在于，所述惯性传感器包括加速度传感器、角速度传感器和磁力计。

8.一种基于窄带物联网的运动物体姿态定位方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1-7任意一项所述的基于窄带物联网的运动物体姿态定位装置，所述方法包括：

获取运动物体的姿态数据和所处环境的气压数据；所述姿态数据包括三轴加速度、三轴角速度和三轴地磁量；

依据所述姿态数据确定所述运动物体的运行模式；所述运行模式包括静止模式、匀速模式和非匀速模式；

依据所述运行模式控制卫星定位传感器的开启和关闭；

当所述卫星定位传感器处于开启状态时，获取所述运动物体的位置信息，并将所述位置信息、所述姿态数据和所述气压数据发送至云端服务器；

当所述卫星定位传感器处于关闭状态时，将所述姿态数据和所述气压数据发送至所述云端服务器。