CN110235801A - 一种基于广域物联网的大型动物定位项圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于广域物联网的大型动物定位项圈，包括项圈本体，项圈本体上固定有北斗天线、环境因子传感器和项圈主机，项圈本体内部嵌有柔性弹簧状UHF天线，项圈本体的表面固定有柔性太阳能电池，北斗天线、环境因子传感器、柔性弹簧状UHF天线和柔性太阳能电池和项圈主机连接；项圈主机包括壳体，壳体上固定有无线射频识别编号牌，壳体内部固定有运动传感器、蓄电池、电源管理模块、存储器、处理单元、UHF通讯模块、北斗通讯模块和微型振动式发电机。该定位项圈可对佩戴的动物的活动轨迹和实时位置进行记录追踪，为动物习性研究、动物保护提供宝贵的数据，可提前向动物即将出现区域的人员发出预警；提供了更多的电源供给途径，续航能力更强。

Description

一种基于广域物联网的大型动物定位项圈

技术领域

本发明涉及无线通信设备领域，具体涉及一种基于广域物联网的大型动物定位项圈。

背景技术

随着生态环境的改善，野生动物的密度及活动范围得到了进一步的扩大。一方面野生动物的增加使得对野生动物生活习性、种群关系的研究成为了动物保护的热点话题；一方面大型野生动物的活动也对人类的生产活动和人身财产安全构成了威胁，使得人与动物的关系日趋紧张。

现有的定位项圈可分为主动定位和被动定位两种方式，主动点位方式多为宠物使用，基于GPS定位依赖于蜂窝通信网络进行传输，无法在野生动物栖息地地形复杂且没有蜂窝通信网络信号的高山密林中使用。被动定位方式为主要是在项圈内加入无线电信号发射装置，定时发送无线电信标，工作人员通过手持定向天线和接收机寻找信标的方向，进而追踪动物，这种方式工作量巨大，且无法实现实时记录动物行动轨迹，并不适应于大规模运用。同时现有的定位项圈还存在以下缺陷：1、只能实现动物的定位功能，但不具备动物活动情况及环境情况采集的能力数据的科研价值不高；2、只能被动的进行数据传输，并不具备自主判断的能力，不能实现当动物进入指定区域报警的功能，不能实现大型野生动物入侵人类活动区域的提前预警；定位项圈多使用一次性电池或太阳能电池供电,需要定期更换电池。在且郁闭度高，阳光遮挡严重林区内太阳能无法获得的情况下使用周期将受到很大限制，无法长时间跟踪记录。

发明内容

本发明为了解决上述问题，设计了一种基于广域物联网的大型动物定位项圈，该定位项圈可对佩戴的动物的活动轨迹和实时位置进行记录追踪，可提前向动物即将出现区域的人员发出预警，防止人员受到伤害；提供了更多的电源供给途径，续航能力更强，在寿命期内无需更换电池，无需人为介入；可以对动物的移动轨迹、活动状态、环境状态进行记录，且整个过程无需人力介入。为动物习性研究、动物保护提供宝贵的数据。

为了解决上述技术问题并达到上述技术效果，本发明通过以下技术内容实现的：

一种基于广域物联网的大型动物定位项圈，其特征在于，包括项圈本体，项圈本体上固定有北斗天线、环境因子传感器和项圈主机，项圈本体内部嵌有柔性弹簧状UHF天线，项圈本体的表面固定有柔性太阳能电池，北斗天线、环境因子传感器、柔性弹簧状UHF天线和柔性太阳能电池和项圈主机连接；

所述的项圈主机包括壳体，壳体由内层的压铸铝和外层包裹的橡胶材料组成，壳体上固定有无线射频识别编号牌，壳体内部固定有运动传感器、蓄电池、电源管理模块、存储器、处理单元、UHF通讯模块、北斗通讯模块和微型振动式发电机，柔性太阳能电池和微型振动式发电机均通过电源管理模块与蓄电池连接，运动传感器、存储器、UHF通讯模块和北斗通讯模块均与处理单元连接且同时集成于PCB电路板上，蓄电池通过整流滤波电路与处理单元连接，运动传感器包括速度传感器、加速度传感器和陀螺仪。

进一步的，所述的项圈本体包括一对“C”字形项圈主体和功能连接部，项圈主体采用橡胶材料制成且内部排列有碳纤维加强筋，项圈主体的两端分别与功能连接部、项圈主机固定连接并组成圆形闭合结构，项圈主体的一端固定连接有松紧弹簧，松紧弹簧的另一端固定连接有锁定部，锁定部上开有贯通的锁定孔，功能连接部的两端设有供项圈主体的锁定部插入固定的插入部，插入部上开有与锁定孔位置对应的销孔，锁定部与插入部通过螺栓固定连接，项圈主体的另一端对称开有螺纹固定槽并通过螺栓固定于项圈主机的壳体上；北斗天线和环境因子传感器固定于功能连接部的功能部上，环境因子传感器包括温湿度传感器和光照度传感器，柔性弹簧状UHF天线埋设于项圈主体中且柔性弹簧状UHF天线的接头从项圈主体的端部伸出，项圈主体的端部插入项圈主机的连接部中并固定时，柔性弹簧状UHF天线的接头与UHF通信模块的端口连接。

进一步的，所述的柔性太阳能电池由若干柔性太阳能电池片并联组成，柔性太阳能电池和微型振动式发电机分别通过电源管理模块与蓄电池连接，蓄电池通过整流滤波电路与处理单元连接，速度传感器、加速度传感器、陀螺仪和存储器与处理单元连接，处理单元与环境因子传感器、北斗通讯模块、UHF通讯模块连接，北斗天线与北斗通讯模块无线连接，柔性弹簧状UHF天线与UHF通讯模块连接。

本发明的有益效果是：该定位项圈可对佩戴的动物的活动轨迹和实时位置进行记录追踪，可提前向动物即将出现区域的人员发出预警，防止人员受到伤害；提供了更多的电源供给途径，续航能力更强，在寿命期内无需更换电池，无需人为介入；可以对动物的移动轨迹、活动状态、环境状态进行记录，且整个过程无需人力介入。为动物习性研究、动物保护提供宝贵的数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基于广域物联网的大型动物定位项圈的整体结构示意图；

图2是基于广域物联网的大型动物定位项圈的各部件的结构示意图；

图3是所述的项圈主体的剖视结构示意图；

图4是基于广域物联网的大型动物定位项圈的结构框图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-项圈本体，2-柔性太阳能电池，3-项圈主机，4-无线射频识别编号牌，5-功能连接部，6-北斗天线，7-温湿度传感器，8-光照度传感器，9-柔性弹簧状UHF天线，10-接头，11-项圈主体，12-松紧弹簧，13-锁定部，14-连接部，15-销孔，16-螺纹固定槽，17-连接部，18-固定孔，19-碳纤维加强筋，20-PCB电路板，21-微型振动式发电机，22-电源管理模块，23-蓄电池，24-整流滤波电路，25-存储器，26-处理单元，27-运动传感器，28-速度传感器，29-加速度传感器，30-陀螺仪，31-环境因子传感器，32-北斗通讯模块，33-UHF通讯模块。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-4所示，一种基于广域物联网的大型动物定位项圈，包括项圈本体1，项圈本体1上固定有北斗天线6、环境因子传感器31和项圈主机3，项圈本体1内部嵌有柔性弹簧状UHF天线9，项圈本体1的表面固定有柔性太阳能电池2，北斗天线6、环境因子传感器31、柔性弹簧状UHF天线9、柔性太阳能电池2和项圈主机3连接；

所述的项圈主机3包括壳体，壳体由内层的压铸铝和外层包裹的橡胶材料组成，壳体上固定有无线射频识别编号牌4，壳体内部固定有运动传感器27、蓄电池23、电源管理模块22、存储器25、处理单元26、UHF通讯模块33、北斗通讯模块32和微型振动式发电机21，柔性太阳能电池2和微型振动式发电机21均通过电源管理模块22与蓄电池23连接，运动传感器27、存储器25、UHF通讯模块33和北斗通讯模块32均与处理单元26连接且同时集成于PCB电路板20上，蓄电池23通过整流滤波电路24与处理单元26连接，运动传感器27包括速度传感器28、加速度传感器29和陀螺仪30。

进一步的，所述的项圈本体1包括一对“C”字形项圈主体11和功能连接部5，项圈主体11采用橡胶材料制成且内部排列有碳纤维加强筋19，项圈主体11的两端分别与功能连接部5、项圈主机3固定连接组成圆形闭合结构，项圈主体11的一端固定连接有松紧弹簧12，松紧弹簧12的另一端固定连接有锁定部13，锁定部13上开有贯通的锁定孔，功能连接部5的两端设有供项圈主体11的锁定部13插入固定的插入部14，插入部14上开有与锁定孔3位置对应的销孔15，锁定部13与插入部14通过螺栓固定连接，项圈主体3的另一端对称开有螺纹固定槽16，螺纹固定槽16开有4个，对称开设于项圈主体的上、下、左、右四个位置处，螺栓经项圈主机3的连接部17插入至螺纹固定槽16中以将项圈主体3固定于项圈主机3的壳体上；北斗天线14和环境因子传感器31固定于功能连接部5的功能部上，环境因子传感器27包括温湿度传感器且7和光照度传感器8，柔性弹簧状UHF天线9埋设于项圈主体11中且柔性弹簧状UHF天线9的接头10从项圈主体11的端部伸出，项圈主体11的端部插入项圈主机3的连接部17中并固定时，柔性弹簧状UHF天线9的接头10与UHF通信模块33的端口连接。

进一步的，所述的柔性太阳能电池9由若干柔性太阳能电池片并联组成，柔性太阳能电池9和微型振动式发电机21分别通过电源管理模块22与蓄电池23连接，蓄电池23通过整流滤波电路24与处理单元26连接，速度传感器28、加速度传感器29、陀螺仪30和存储器25与处理单元26连接，处理单元26与环境因子传感器31、北斗通讯模块32、UHF通讯模块33连接，北斗天线6与北斗通讯模块32无线连接，柔性弹簧状UHF天线9与UHF通讯模块33连接。

本实施例中的北斗天线6选用：PCB板载GPS、BD双模式圆极化天线，具有体积小，效率高，重量轻的特点，该北斗天线的供电电源为RD0538D，供电电源5V，待机功耗≤0.65W，发射功率可达10W，数据发送成功率大于98％.

环境因子传感器31的温湿度传感器选用：HDC1080数字式温湿度传感器，可同时测量大气温度和大气湿度，功耗低。

光照度传感器选用：BPW34硅光电池，可将太阳辐射转换为电压信号，通过算法处理得到照度数据。

电源管理模块22选用：基于单片机PWM控制的CMOS电路电源管理系统。数字化，可编程，控制灵活。

微型振动式发电机21选用：深圳易通用科技公司生产的VGB5-2型微型振动发电机。

运动传感器27选用MPU9250高精度9轴陀螺仪，实时采集项圈的运动方向，通过算法计算出运动时间和运动量，达到运动状态感知的目的。

陀螺仪30选用选用QMC5883L三轴罗盘，可以对项圈的实时地磁方向进行记录。

本装置的运行机制如下：

1、电源管理机制

项圈主机内置电源管理模块22，与电源管理模块22连接的处理单元26能根据项圈主机3内的蓄电池23的剩余电量和柔性太阳能电池2、微型振动式发电机21的发电情况自动调配项圈上各个装置的工作情况，并调整装置的休眠时长，。保证设备最大限度的利用能源，回传尽可能多的信息。

2、定位及越界警报机制

本定位项圈内可以根据用户设定的边界信息及实时的定位信息自动计算与边界的距离，当动物进入边界缓存区域后，项圈将及时启动通讯设备发出预警，提前做好相关区域人员撤离及物质保护工作，将动物入侵的损失降到最低；在项圈内部的EEPROM中写有动物活动区域的边界坐标点，该坐标信息可通过UHF通讯网络或北斗远程更新。这些坐标点构成的连线作为警戒区域的边界。警戒缓存区域以警戒区域边界为基准，在内侧外侧各增加1km，(该距离也可远程调整)。当项圈每次获取到定位数据时都会将获取到的坐标与警戒区域及缓冲区的坐标进行比对，如果动物已经进入缓冲区则将立即向服务器发送信息，提出预警，并自动提高定位和数据发送频率。当动物越过警戒区域时系统将自动向该区域发出预警信息。

3、通讯方式选择机制

在野生动物栖息的自然保护区中，多没有蜂窝通讯网络覆盖，项圈采取的通讯方式是使用北斗与UHF数传两种方式互补通讯。北斗通讯不受地理位置和基站位置的限制，但要求通讯位置的南向无遮挡，且通讯容量较小且通讯消耗的能量较高。UHF数传的通讯距离最远可达到上百千米，通讯容量大，但受到地形和基站位置的影响较大。

定位项圈通讯机制将在两者之间保持平衡，在满足用户设定的采集频率的情况下尽可能延长本定位项圈生存时间，尽可能多的采集回传数据。

3、信息存储及压缩机制

为尽可能多的收集、回传信息，定位项圈需要尽可能少的利用无线电设备，北斗天线6和柔性弹簧状UHF天线9发送信号以节约电能。定位项圈的处理单元26会将点位信息先与用户设定的边界信息进行比对计算，将未触及边界的信息缓存于存储器25中。当该定位项圈与服务器握手成功后处理单元26将数据进行压缩后再发送给服务器，可以极大的缩短传输时长，以实现降低能源消耗，延长本定位项圈的使用时间。

4、休眠机制

当项圈能量长时间不足时，该定位项圈间自动进入休眠模式，项圈上的大部分设备都将关闭，只保留UHF数传设备，包括柔性弹簧状UHF天线、北斗通讯模块，以一个较长的周期发送信标信号，以配合基站网络被动定位。实现最低程度的跟踪定位，蓄电池23电量充足时，设备获取能量后又将自动恢复到正常状态。

5、动物活动状态评估机制

本装置的一个具体的应用为：根据动物的类型可定制项圈长度，项圈可从1处的可自动调节长度的锁扣处打开，佩戴于被监测动物颈部，该项圈长度会随动物的生长自动增长直至脱落，不会对动物造成伤害。项圈一旦佩戴完成将被自动激活。2处的柔性太阳能电池和3处项圈主机内部的晃动式发电机将共同产生电能充入3处项圈主机内部的锂电池中，为整个项圈提供工作电源。4处的无线射频识别编号牌可通过远距离读卡器进行读写，用于标识该动物编号。5处的传感器功能连接部上搭载了6北斗天线可与北斗RDSS卫星连接，为项圈提供卫星通信服务。7温湿度传感器、8光照传感器。可提供动物活动区域的环境信息。该连接部位组件在项圈主机重力的作用下将始终朝上，方便卫星连接及环境因素采集。

动物活动的轨迹、环境信息及活动状态将缓存于3项圈主机的存储器中，定时自动通过UHF通讯网络或北斗卫星回传至服务器。并实时与警戒区域坐标进行比对，如果进入警戒区域则自动发送报警信息。

当项圈被唤醒时会自动进行定位，当定位信息达到系统设定的缓存条数时项圈会优先寻找区域内UHF基站发出的无线电信号，并与其握手，自协商传输速率，完成信息传输。如果无法连接到UHF通讯网络时，项圈将启动北斗RDSS设备，连接北斗卫星完成信息传输。

信息汇总到服务器将在后台进行信息还原，实现数据分析预警、并在地理信息系统界面上显示出被监测动物的活动轨迹、实时位置、运动状态和环境状况等信息。

本定位项圈通过内置的运动传感器27，包括速度传感器28、加速度传感器29和陀螺仪30，可对动物的活状态进行评估，并记录于存储器25中，对动物的运动状态、睡眠情况进行评估，为动物生活习性的研究提供直观的数据。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种基于广域物联网的大型动物定位项圈，其特征在于，包括项圈本体，项圈本体上固定有北斗天线、环境因子传感器和项圈主机，项圈本体内部嵌有柔性弹簧状UHF天线，项圈本体的表面固定有柔性太阳能电池，北斗天线、环境因子传感器、柔性弹簧状UHF天线和柔性太阳能电池和项圈主机连接；

所述的项圈主机包括壳体，壳体上固定有无线射频识别编号牌，壳体内部固定有运动传感器、蓄电池、电源管理模块、存储器、处理单元、UHF通讯模块、北斗通讯模块和微型振动式发电机，柔性太阳能电池和微型振动式发电机均通过电源管理模块与蓄电池连接，运动传感器、存储器、UHF通讯模块和北斗通讯模块均与处理单元连接且同时集成于PCB电路板上，蓄电池通过整流滤波电路与处理单元连接，运动传感器包括速度传感器、加速度传感器和陀螺仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于广域物联网的大型动物定位项圈，其特征在于，所述的项圈本体包括一对“C”字形项圈主体和功能连接部，项圈主体的两端分别与功能连接部、项圈主机固定连接并组成圆形闭合结构，项圈主体的一端固定连接有松紧弹簧，松紧弹簧的另一端固定连接有锁定部，锁定部上开有贯通的锁定孔，功能连接部的两端设有供项圈主体的锁定部插入固定的插入部，插入部上开有与锁定孔位置对应的销孔，锁定部与插入部通过螺栓固定连接，项圈主体的另一端对称开有螺纹固定槽并通过螺栓固定于项圈主机的壳体上；北斗天线和环境因子传感器固定于功能连接部的功能部上，环境因子传感器包括温湿度传感器和光照度传感器，柔性弹簧状UHF天线埋设于项圈主体中且柔性弹簧状UHF天线的接头从项圈主体的端部伸出，项圈主体的端部插入项圈主机的连接部中并固定时，柔性弹簧状UHF天线的接头与UHF通信模块的端口连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于广域物联网的大型动物定位项圈，其特征在于，所述的柔性太阳能电池由若干柔性太阳能电池片并联组成，柔性太阳能电池和微型振动式发电机分别通过电源管理模块与蓄电池连接，蓄电池通过整流滤波电路与处理单元连接，速度传感器、加速度传感器、陀螺仪和存储器与处理单元连接，处理单元与环境因子传感器、北斗通讯模块、UHF通讯模块连接，北斗天线与北斗通讯模块无线连接，柔性弹簧状UHF天线与UHF通讯模块连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于广域物联网的大型动物定位项圈，其特征在于，所述的壳体由内层的压铸铝和外层包裹的橡胶材料组成。

5.根据权利要求2所述的一种基于广域物联网的大型动物定位项圈，其特征在于，所述的项圈主体采用橡胶材料制成，项圈主体的内部排列有碳纤维加强筋。