CN110785081A - 远程无线监视系统 - Google Patents

Abstract

可附接到动物的标签，该标签包括：连接到无线电收发器的电池，该无线电收发器在与一个或多个可附接到一个或多个其他动物的邻近标签之间的信号发送和接收期间消耗来自电池的能量，以生成成对的标签读数；控制器，被配置为在预定的发送持续时间和频率以及预定的接收持续时间和频率下操作所述无线电收发器；其中，预定的发送持续时间和频率以及预定的接收持续时间和频率是基于无线电收发器在发送和接收期间的功耗以及标签的成对标签读数的目标数量。

Description

远程无线监视系统

技术领域

本发明涉及用于诸如动物的可移动物体的远程无线监视系统。

背景技术

用于监视地理上分散的可移动物体(例如动物)的常规远程无线系统通常包括GPS和卫星监视设备。这种无线监视设备昂贵、笨重并且需要高功率。

因此，需要低成本、低重量和低功率的远程无线监视系统。

发明内容

根据本发明，提供了一种可附接到动物的标签，该标签包括：连接到无线电收发器的电池，该无线电收发器在与一个或多个可附接到一个或多个其他动物的邻近标签之间的信号发送和接收期间消耗来自电池的能量，以生成成对的标签读数；和控制器，被配置为在预定的发送持续时间和频率以及预定的接收持续时间和频率下操作所述无线电收发器；其中，预定的发送持续时间和频率以及预定的接收持续时间和频率是基于无线电收发器在发送和接收期间的功耗以及标签的成对标签读数的目标数量。

所述动物是绵羊。

所述预定的发送持续时间和频率约为每10秒1至5纳秒。

所述预定的接收持续时间和频率约为每10分钟10秒。

所述标签的成对标签读数的目标数量是每天100。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1至图7是根据本发明的实施例的用于可移动物体的远程无线监视系统的示例配置的示意图；

图8至图11是系统实施例的示例用例；

图12是系统标签的功能框图；

图13是标签的分解透视图；

图14是系统读取器的功能框图；以及

图15和16是读取器的全部和局部透视图。

具体实施方式

参照图1，根据本发明实施例的用于可移动物体(未示出)的无线监视系统10通常包括单独附接到可移动物体(如物品、产品或动物)的标签20和服务器(未显示)的网关80，如云服务器或本地服务器。当服务器是云服务器时，网关80可以通过诸如因特网的广域网(WAN)与服务器无线通信，或者当服务器是本地服务器时，网关80可以通过局域网(LAN)或WiFi协议与服务器无线通信。例如，标签20可以分别附接到母羊和羔羊。标签20可以被配置为与一个或多个相邻标签20中的任何一个以及网关80单独或共同地传送无线电信号。

标签20可以进一步被配置为以大约300MHz到大约3GHz的频率传送无线电信号。例如，频率可以是大约2.4GHz，从大约400MHz到大约950Mhz，或两者。此外，标签20可以被配置为使用远程低功率无线通信协议传送无线电信号，所述通信协议选自DigiMesh、ZigBee、蓝牙、增强型ShockBurst、蓝牙5、低功耗蓝牙、超窄带无线电、远程WAN(LoRaWAN)及其组合。

在图1所示的系统10的实施例中，标签20可以单独地将无线电信号直接发送到网关80。在图2至图7所示的其他实施例中，系统10可以进一步包括读取器50，该读取器50被配置为与一个或多个相邻标签20，一个或多个相邻读取器50以及网关80中的任何一个单独地或共同地传送无线电信号。在这些实施例中，可以经由包括一个或多个标签20和/或一个或多个读取器50的无线随意网(WANET)或无线网状网络(WMN)将无线电信号传送到网关80。像标签20一样，读取器50可以进一步被配置为以大约300MHz到大约3GHz的频率传送无线电信号。例如，频率可以是大约2.4GHz，从大约400MHz到大约950Mhz，或两者。此外，读取器50可以被配置为使用远程低功率无线通信协议来传达无线电信号。远程低功率无线通信协议可以选自DigiMesh、ZigBee、蓝牙、增强型ShockBurst、蓝牙5、低功耗蓝牙、超窄带无线电、远程WAN(LoRaWAN)及其组合。可以替代地使用其他等效的远程低功率无线通信协议。

无线电信号可以包括标签ID数据(例如，通用唯一标识符(universally uniqueidentifier,UUID))，信号强度数据(例如，在周期性接收间隔期间从一个或多个相邻标签20接收的无线电信号的接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI))、成对标签数据(例如，成对标签ID、成对标签RSSI、配对频率、配对持续时间等)、读取器ID数据、读取器位置数据、传感器数据及其组合。

根据系统10的配置，可以将无线电信号从动物传送到网关80的距离可长达大约1km(例如，蓝牙5、低功耗蓝牙)，长达约5km(例如，DigiMesh或ZigBee)，或长达约15公里(例如，超窄带无线电)。例如，标签20各自的范围可以从高达约1公里(此时比特率为大约125kb/秒到大约250kb/秒)到高达约15km(此时，比特率高达25kb/秒)。

在图2和3所示的系统10的一个实施例中，标签20可以将它们的标签ID数据和成对的标签ID数据传送到一个或多个相邻的读取器50(图2)。读取器50可以被配置为经由读取器50的WMN将从标签20接收的标签数据发送到网关80(图3)。

在图4和图5所示的系统10的另一实施例中，读取器50可以是固定的，并且分别与位置(例如，栅栏、大门、进料器等)相关联。读取器50可以被配置为将其位置数据发送到标签20(图4)，标签20又可以被配置为存储从固定式读取器50接收的位置数据并将其发送到网关80(图5)。

在图6和7所示的系统10的另一实施例中，标签20可以以与图2所示的实施例类似的方式，将它们的标签ID数据和成对的标签ID数据传送给一个或多个相邻的读取器50(图6)。然而，读取器50可以可替代地由图3配置成将从标签20接收的标签数据直接发送到网关80(图7)，而不经由任何WMN或WANET。

参照图8，标签20可以被配置为基于周期性发送间隔和周期性接收间隔来传送无线电信号。举例来说，标签20被配置为在周期性发射间隔及周期性接收间隔期间与一个或多个邻近标签20发射和接收唯一识别数据。此外，标签20可以进一步被配置为与具有最强信号强度的一个或多个相邻标签20配对。标签20可以进一步被配置为存储标签ID数据、成对标签数据和信号强度数据，并且在周期性发送间隔期间将存储的数据发送到读取器50和/或网关80。

标签20的周期性发送间隔和周期性接收间隔可以通过例如平衡功率消耗(例如，在接收器模式下明显消耗更多的功率)和所捕获数据的有效性和效用(例如，标签20标识一个或多个成对的标签20越频繁，标签20之间的临近数据(proximity data)将越可靠和准确)来选择。例如，可以用于确定标签20可以多久发送一次以及标签20可以多久切换到接收器模式(之后发送一次发送信号)的时机的一个变量是每个标签20每天100个成对的标签读数中的目标数量。例如，周期性发送间隔可以是每10秒大约1至5纳秒，并且周期性接收间隔可以是每10分钟大约10.1秒。

读取器50可以是固定的，并且可以分别与位置相关联。读取器50可以被配置为将其位置数据发送到一个或多个相邻标签20和/或网关80。例如，读取器50可以定义虚拟围栏或地理围栏，该虚拟围栏或地理围栏定义其中动物被监视的区域。每个读取器50可以被配置为从一个或多个相邻标签20接收标签ID和成对标签20的信号强度。每个读取器50可以进一步被配置为经由一个或多个相邻读取器50的WMN或WANET向服务器(未示出)发送包括读取器ID、标签ID和成对标签20的信号强度的无线电信号。换句话说，在一些实施例中，读取器50可以被配置用于经由网关80将标签ID和配对的标签20的信号强度以长距离、低功率、读取器到读取器的方式转送(relaying)到服务器。像标签20一样，读取器50可以被配置为以周期性发送间隔(例如，大约每10秒)向一个或多个相邻的读取器50和/或网关80发送包括标签ID和成对的标签20的信号强度的无线电信号。

参照图9，网关80可以从读取器50接收数据，并且可以经由互联网无线连接到服务器。当来自读取器50的数据到达网关80时，可以对网关80进行编程以通过去除不完整或错误的数据来清理数据。网关80可以在将清理后的数据发送到服务器之前完成该数据清理。这减少了发送的数据量，并减少了在服务器端清理数据所需的时间。

网关80可以通过服务器远程编程为：

·仅从标签20和/或读取器50接收特定数据；

·仅将特定数据发送到服务器；

·更改读取器50的WANET或WMN的配置，例如通过添加其他读取器50；和

·在WANET或WMN中的读取器50上重新编程固件。

各个读取器50的UUID可以输入到服务器中，并与特定的网关80匹配，以确保读取器50的WMN或WANET(以及网关80)仅从特定于系统10的读取器50接收数据，而不是位于不同系统附近的读取器50。

参照图12，标签20可各自包括太阳能电池板22、低压差(LDO)电压调节器24、超级电容器26、超高频(UHF)无线电收发器28、晶体振荡器30、放大器32和高频无线电调试器34。太阳能电池板22可以产生从大约1.8V到3V直到大约5V的电压。可以选择LDO电压调节器24以使电压损失最小，因为它比普通电压调节器节省更多的能量。能量可以通过调节器24发送到高频无线电收发器28。

可以选择超级电容器26，像可再充电电池一样存储电能，但是与可再充电电池不同的是，它几乎可以立即充电。此外，与可充电电池不同，没有充电过度或不足的问题。此外，可以选择超级电容器26，因为超级电容器26对其充电的次数没有限制，因此与可再充电电池相比是更耐用的选择。

UHF无线电收发器28可以包括在2.4GHz下工作的无线收发器，例如Nordic nRF收发器。可以选择Nordic nRF无线收发器，因为它使用了增强型ShockBurst无线协议，该协议提供每秒降低的比特率，与当前版本的蓝牙无线协议相比，其范围又大大增加了(四倍)。此外，增强型ShockBurst无线协议提供为RF发送和接收创建的定制设置，例如降低比特率(例如，降至每秒250kb左右)，以及管理晶体振荡器30，从而使晶体振荡器30的工作方式透明化，并且可以更改其设置。UHF无线电收发器28还可以包括在400MHz至950Mhz频率下工作的无线收发器，例如Microchip LoRa模块，从而能够以更低的比特率和更短的发送间隔达到长达15km的范围。此外，UHF无线电收发器28可以包括两个无线电设备。蓝牙5低能耗无线协议的范围和比特率可能与增强型ShockBurst无线协议相似。如果蓝牙5低能耗无线协议的功能和功率效率类似于增强型ShockBurst无线协议，则蓝牙5低能耗无线协议可能是更合适的可供选择的低功耗无线协议，因为它不需要被不同的硬件翻译即可与智能手机等移动设备进行通信。

可以选择晶体振荡器30，因为高频无线电收发器28需要高频振荡器以在发送和接收模式之间切换。高频无线电收发器28可以控制晶体振荡器30以在低频模式和高频模式之间切换。当晶体振荡器30处于高频模式时，它能够发送信号。当发送了发送信号后，高频无线电收发器28关闭晶体振荡器30的高频模式，将其切换回低频模式，从而使其再次成为接收器。当在高频模式下发送时，晶体振荡器30可以在大约900μA下工作，而在静止/低频下，它可以在大约4μA下工作。

放大器32有助于扩展高频无线电收发器28的范围。在高频模式下，它可能会消耗更多的能量，但这可以通过高频无线电收发器的较低发送频率来平衡(例如，可以将其编程为仅每10秒发送一次)。

高频无线电调试器34使标签20能够被编程。标签20通常在制造时被编程，但是如果需要的话，调试器34可以对每个标签20的编程进行手动更新或修改。

参照图13，通常每个标签20包括壳体36、壳体盖38和动物附接构件40。LDO电压调节器24、高频无线电收发器28、晶体振荡器30、放大器32和高频无线电调试器34可以设置在置于壳体36内的电路板42上。超级电容器26和天线可以边缘安装到电路板42的一侧。太阳能面板22可以设置在壳体盖38上。可选地，标签20可以包括一个或多个机载传感器(未示出)，例如，加速度计、温度传感器、气压计等，其可以用于监视动物行为参数和环境变量。

参照图14，读取器50可各自包括一个或多个太阳能电池板52、电池54和两个UHF无线电模块56、58。读取器50可各自进一步包括传感器60以感测读取器50的操作状态，以及发光二极管(LED)62以可视地指示读取器50的操作状态。

在单个太阳能电池板52不能捕获足够的太阳能的情况下，可以包括用于太阳能电池板52的多个连接件，以能够增加额外的太阳能电池板52。附加地或替代地，读取器50可以连接到市电电源(例如，使用USB端口)，从而允许替代的电源配置。

电池54可以是并联布置的3.7V至4.2V的电池单元，以避免必须平衡功率(如果将它们串联安装则需要)。这种配置使充电更容易，并延长了电路的寿命。

UHF无线电收发器56可以包括始终作为接收器工作的Nordic nRF无线收发器，而低频无线电58可以包括作为发射无线电操作的Xbee-PRO无线电。

传感器60可以例如包括湿度和温度传感器，以识别读取器50内的泄漏或潜在的损坏。LED 62可以在视觉上指示信号发送，错误等。可以提供插头以可选地连接外部传感器等。

参照图15和图16，每个读取器50通常可以包括适于附接到固定位置或固定物体(例如，栅栏或门)的壳体64，以及壳体盖6。电池54、高频无线电收发器56、低频无线电58和传感器60可以设置在置于壳体64内的电路板68上。

服务器可以包括云数据库服务器或本地服务器。参照图10和11，服务器可以被配置为从网关80接收和存储数据，并且转换原始或清理后的数据以生成与监视可移动物体有关的信息。可以对服务器进行编程以清理从网关接收的数据，以删除不完整或错误的数据。在某些实施例中，可移动物体可以包括动物，例如牲畜，例如绵羊、牛、猪、山羊、马等。服务器可以被编程为能够对数据进行分析以提供动物监测功能或服务。例如，服务器可以被配置为提供动物监视功能或服务，包括监视动物特征、动物行为、动物位置、动物运动、动物活动、动物环境、动物之间的临近及其组合。

服务器可以使用用户数据报协议(UDP)互联网发送(即单向数据通信)来最小化带宽需求。这可以包括不发送回执的数据流(连同系统内的所有发送)。

服务器可以被配置为至少部分地基于成对标签20的标签ID和信号强度和/或读取器50的ID来单独地监视动物。

例如，如图10所示，服务器可以被配置为至少部分地基于成对的RF收发器标签ID和信号强度来确定动物之间的临近发生的频率和持续时间，以产生一个或多个临近分布(proximity profiles)。例如，服务器可以被配置为生成表70，该表显示母羊和羔羊的一个或多个频率分布。表70可以示出在多个发送之间标签20之间的配对百分比和总数以及配对标签20的平均信号强度。动物之间的临近频率可以用来推断动物之间的家族、社会或遗传关系。例如，临近的频率可以用于估计羔羊的潜在遗传。

参照图11，服务器可以被进一步或替代地配置为至少部分地基于读取器ID和标签ID的三边测量来确定动物与读取器50的位置的临近。位置可以定义动物的监视区域。

低功率远程无线系统10的实施例可以被配置为提供不同的动物监视功能或服务，例如：·遗传/亲缘(parentage)身份；

·库存盗窃监控(例如，基于标签20的存在或不存在)；

·健康和福利监测，例如蝇蛆病或突袭；

·提供的饲料或水(即，围场特定区域的饲料量或饮水处的可用水量)；

·虚拟围栏/放牧；

·野狗、狐狸或其他掠食者的攻击(例如，基于标签20的快速移动和/或聚集)；

·生殖活动监测。

另外，标签20可以针对不同的动物而被不同地配置。例如，上面描述的并且在图12和13中示出的标签20的实施例可以适合于监视成熟的动物，例如母羊。标签20的替代实施例(未示出)可以包括适于监视羔羊的低成本短时使用的标签20。羔羊标签20和母羊标签20的实施例之间的差异例如可以包括：

·羔羊标签20可以装在不同风格的包装或壳体中，并且可以在不同的地方位于动物上或可附接到动物上(例如，羔羊标签20可以包装在更紧凑的可拆卸防水套中，该防水套位于羔羊的颈部周围)；

·用于羔羊标签20的电源可以是电池，而不是太阳能电池板22和超级电容器26；和

·羔羊标签20可以具有减少的发送范围，并且仅是发送设备(即，它们可能不会切换到接收器模式)。

本发明的实施例提供了低成本、低重量和低功率的远程无线系统，其可用于监视地理上分散的动物，例如绵羊或牛。

为了本说明书的目的，词语“包括(comprising)”是指“包括但不限于”，并且词语“包括(comprises)”具有相应的含义。

仅通过示例的方式描述了上述实施例，并且在所附权利要求的范围内可以进行修改。

Claims (5)

1.可附接到动物的标签，该标签包括：

连接到无线电收发器的电池，该无线电收发器在与一个或多个可附接到一个或多个其他动物的邻近标签之间的信号发送和接收期间消耗来自电池的能量，以生成成对的标签读数；和

控制器，被配置为在预定的发送持续时间和频率以及预定的接收持续时间和频率下操作所述无线电收发器；

其中，预定的发送持续时间和频率以及预定的接收持续时间和频率是基于无线电收发器在发送和接收期间的功耗以及标签的成对标签读数的目标数量。

2.根据权利要求1所述的标签，其中，所述动物是绵羊。

3.根据权利要求1所述的标签，其中，所述预定的发送持续时间和频率约为每10秒1至5纳秒。

4.根据权利要求3所述的标签，其中，所述预定的接收持续时间和频率约为每10分钟10秒。

5.根据权利要求4所述的标签，其中，所述标签的成对标签读数的目标数量是每天100。

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