CN111183914A - 一种基于卫星和LoRa通信的双模项圈 - Google Patents

Abstract

一种基于卫星和LoRa通信的双模项圈，涉及LoRa通信技术领域，特别涉及一种LoRa通信的定位项圈。本发明的分为四部分：(1)信息收集系统(2)供电系统(3)信号发射(天线)系统(4)项圈本体(结构)。本项圈的工作方式为正常使用情况下，项圈处于待机状态，整机只保留实时时钟在工作，当到达预定发送信息的时间，LORA搜索基站信号，通过LORA发送到LORA基站，基站上发数据到云平台。如搜索不到基站信号，开启卫星发送搜寻，如卫星有信号，通过铱星传输数据到云平台。如都搜寻不到信号进入待机模式等候，等待下次命令触发后再此检测。本发明解决在LoRa基站覆盖范围内，信号丢失无法定位到动物问题，也提供在LoRa基站覆盖范围外，找到丢失动物的途径。

Description

一种基于卫星和LoRa通信的双模项圈

0、缩略语和关键术语定义

1、技术领域

本发明涉及一种LoRa通信技术领域，特别涉及一种基于卫星和LoRa通信的双模项圈。

2、背景技术

2.1技术背景

卫星项圈是一项应用于动物保护方面的GPS科技产品，它的主要用途是通过卫星定位记录受保护动物的行踪路径，进而帮助科学家更准确的研究受保护动物的繁衍。2008年，科学家和环保组织联合发起第一个长期的雪豹研究计划。使用相机陷阱和全球定位系统(GPS)的项圈来收集雪豹的活动范围和生活习性等基本信息，并利用这些信息来更好地保护它们。卫星项圈广泛运用于珍稀动物追踪和动物野化放归训练中，同时对探究动物生活习性，迁徙位置等有极大帮助。目前已经广泛应用于野生动物的保护，信鸽等鸟类的追踪，动物的野化训练等场景中。

LoRa是一种LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915MHz等。

2.2现有技术

2.2.1现有技术方案

现有技术主要是通过GPS进行定位，传感器(温度，陀螺仪)收集传感器数据，通过LORA进行数据传输，使用皮质材料构成项圈，采用锂离子电池做项圈供电系统。通过LORA发送到LORAWAN基站进行数据传输。

2.2.2现有技术方案的缺点(应与本发明创新改进的技术特点相对应)

现有技术方案仅能在LORAWAN基站覆盖部分有良好的信号，在基站覆盖面积大小内，由于动物生存环境复杂，如山坳，夹缝等位置，LORA信号是很难覆盖到的，项圈无法传回位置信息。在基站覆盖面积大小外，由于仅采用了LORA通信方式，脱离了基站后无法实现数据传输，动物搜寻失败，不能传输位置信息，很难找回。

3、发明内容

3.1本发明所要解决的技术问题

本发明的分为四部分：(1)信息收集系统(2)供电系统(3)信号发射(天线)系统(4)项圈本体(结构)。本项圈的工作方式为正常使用情况下，项圈处于待机状态，整机只保留实时时钟在工作，当到达预定发送信息的时间，LORA搜索基站信号，通过LORA发送到LORA基站，基站上发数据到云平台。如搜索不到基站信号，开启卫星发送搜寻，如卫星有信号，通过铱星传输数据到云平台。如都搜寻不到信号进入待机模式等候，等待下次命令触发后再此检测。本发明解决在LoRa基站覆盖范围内，信号丢失无法定位到动物问题，也提供在LoRa基站覆盖范围外，找到丢失动物的途径。

本发明解决在LoRa基站覆盖范围内，在复杂地形下，信号丢失无法定位到动物问题，也提供了一种在LoRa 基站覆盖范围外，找到丢失动物的一种途径。

4、附图说明

为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。

图1信息收集系统硬件构成图

图2项圈本体图

图3流程图

图4通信方式示意图

图5项圈有LORA信号时数据通路图

图6项圈无LORA信号时数据通路图

图7手持终端与LORA项圈通信图

5、具体实施方式

5.1本发明提供的完整技术方案

本发明的构成分为四部分：(1)信息收集系统(2)供电系统(3)信号发射(天线)系统(4)项圈本体 (结构)。下面分别描述项圈各部分构成。

本发明的信息收集系统的硬件构成如图1所示，基于微处理器单元做核心控制芯片，陀螺仪和温度传感器及GPS收集传感器和定位信息及电量信息。在LoRa基站覆盖范围内，且能搜寻到LoRa信号的情况下，通过LoRa传输把项圈传输到LoRa基站上传到云平台。

本发明的信息收集系统采用低功耗的工作方式，主要分为两大块，一块是数字电路部分，一块是DCDC电源供电部分。其中数字电路部分，核心处理IC采用意法半导体的STM32L4系列的低功耗微处理器，通过 SPI的方式和LOAR SX1276芯片连接，GPS模块通过串口和微处理器连接。微处理器和卫星通信模块也采用串口通信的方式连接，使用AT指令进行控制，微处理器通过I2C接口和陀螺仪和温度传感器连接，微处理器通过ADC采样先接电压跟随器再接电阻分压最后接入电池检测当前的电压。DCDC电源供电部分先由锂亚电池输入电源(电压：3.6到2.8V)，先经过一个升压电源芯片使得系统电源稳定至5V，然后这部分电源供给三部分，一部分供给给卫星模块，一部分通过降压DCDC芯片供给SX1276，最后一部分通过线性稳压器供给给各个数字模块(微处理器，传感器)。项圈在休眠的时候，通过微处理器控制关闭卫星模块， LORA的供电，传感器的供电，只保留微处理器的实时时钟在工作，以实现低功耗的要求。当到预设时间时，项圈主体激活，项圈进入发射模式，LORA搜索LORA信号，如搜索到LORA信号，通过LORA上发数据LOAR 基站到云平台。如搜索不到LORA，开启卫星发送搜寻，如卫星有信号(并且能达到传输要求)，通过铱星传输数据到云平台。如都搜寻不到信号，停止此次传输命令，进入待机模式等候，等待一定时长(下次命令触发)后再此检测。

本发明的供电系统采用锂亚电池供电，主体为锂亚电池34615+复合电容1550，标称电量为19Ah，锂亚电池的电池特性决定了它不支持长时间大电流放电，所以我们先通过复合电容完成储能，储能的这部分能量可以供给项圈发射时的电流，发射结束后，项圈主体休眠。锂亚电池给复合电容充电用于下一次发射。锂亚电池+复合电容很符合动物项圈的使用场景，替代锂离子电池可以更好的降低项圈更换电池的频率。

本发明的信号发射(天线)模块有两个天线，一个是LORA天线，为棒状天线，一个是卫星通信/GPS双模天线，为陶瓷天线。LORA天线设计在项圈的侧方，棒状天线由侧面引出，卫星通信/GPS双模天线设计了一个4X4cm的反射面，把天线反射面放置在皮带的内部(正上方)。

本发明的项圈本体如图2所示，主体的装配方式和形态都相同，但是根据皮带的长短，电池的大小会进行一些调整。

本项圈(1)为项圈皮带，(2)为LORA天线部分，(3)为主控制电路板，(4)为电池仓部分内置电池。GPS/ 卫星天线内嵌在皮带结构的正上方。

底部仓体的材质为PA66，底部仓体内仅装配锂亚电池+复合电容放置在内，由上下部分构成，剖面图如上所示，上下部分构成结合的部分有防水圈垫在内侧，通过螺钉使得上下部分结合压紧，结构有弧形的这部分和项圈主体相连接，连接的定位孔位于结构两侧。

本项圈的工作方式为在正常使用情况下，项圈处于待机状态，整机只保留实时时钟在工作，当到达预定发送信息的时间的时候，LORA搜索基站信号，如搜索LORA信号，通过LORA发送到LORA基站，基站上发数据到云平台。如搜索不到基站信号，开启卫星发送搜寻，如卫星有信号(并且能达到传输要求)，通过铱星传输数据到云平台。如都搜寻不到信号，停止此次传输命令，进入待机模式等候，等待一定时长(下次命令触发)后再此检测。流程图如3所示。

通过上述的工作流程使得两种通信方式结合，在有LORA信号覆盖的情况下优先使用了LORA通信，使得在 LORA覆盖的情况下拥有很长的续航待机时间，在没有LORA信号覆盖的情况下，采用卫星通信的方式，有效的扩大了通信的范围。预定的发送时间可以通过云平台预设，云平台下发预设时间指令到LORA基站， LORA基站搜寻到LORA设备时，下发设置到设备本体，完成项圈的本地发送时间和频次的升级。

作为本发明的一种改进，根据动物体型选择更小的电池，电池仓尺寸相应缩小。提供锂亚14250，锂亚14335，锂亚14505，锂亚17335，锂亚18505，锂亚26500.

作为本发明的一种改进，在皮质项圈的左侧增加脱落电子锁，仅皮质部分断开。使得项圈可以自动脱落。通信方式示意如图4所示：其中图标代表的含义已经在图4上标出。后面分别对这些通信链路进行描述。

其中包含场景有以下几种情况：

当项圈有LORA信号覆盖时

数据通路如图5：

1>项圈GPS信号等数据通过LORA传到LORAWAN基站

2>LORA基站直接上传数据到云平台

当项圈无LORA信号覆盖时

数据通路如图6：

1>项圈GPS信号等数据通过卫星直接上传云端

该设备可用手持终端进行搜寻定位，找到项圈的具体位置，通过配备八目天线，手持手持终端可以通过终端上显示的位置信息搜寻项圈，同时可以根据蜂鸣器的叫声大小和频率判断方向辅助手持终端搜寻，从而找到目标动物。

当手持设备接近LORA项圈时，分为两种情况，如图7。

1)手持终端寻找项圈时，项圈有Lora信号且能和基站通信。

手持终端通过的Lora模块与附近Lora基站通信，请求熊猫项圈数据，该场景可用于回收项圈或者更新项圈电池时使用。

1>Lora基站发起项圈搜索，项圈返回项圈数据

2>Lora基站将项圈的数据返回到手持终端

3>手持终端通过终端显示的位置查找到项圈。

2)Lora基站无法与项圈通信，但卫星回传数据。该场景可用于动物脱离LORA基站覆盖范围后使用，用于查找项圈。

1>项圈发送信息到云平台

2>平台下发数据到手持终端

3>手持终端通过返回的数据显示和蜂鸣器的辅助信息查找项圈。

6.本发明技术方案带来的有益效果

通过本发明，带来了以下几点有益效果：

1.改变纯LORA项圈的信号覆盖问题，在狭小环境下(LORA信号质量不好)的情况下，做补充卫星信号传输项圈信息。

2.在项圈脱离LORA基站覆盖范围后，仍提供卫星模块通信的方式上传定位数据到云平台，提供了脱离基站后寻找项圈的方案。

3.获取数据通过平台直接发送给用户，提升原有卫星项圈的可操作性。

4.天线发射/接受模块均位于项圈的顶部，并增加合适大小的反馈面，提高了信号质量。

5.可以通过手持终端搜寻项圈，方便了更换电池和回收项圈，也提供了脱离基站后寻找项圈(动物)的方案。

Claims (9)

1.一种基于卫星和LoRa通信的双模项圈的特征是改变了单一LORA基站覆盖的纯LORA通信的方式的项圈，提供了在基站覆盖内补充信号的方案和脱离基站后项圈通过卫星发送数据到云平台。

2.一种基于卫星和LORA通信的双模项圈，主要特征是：包括四部分：(1)信息收集系统(2)供电系统(3)信号发射(天线)系统(4)项圈本体(结构)，其特征在于：基于微处理器单元做核心控制芯片，陀螺仪和温度传感器及GPS收集传感器和定位信息。通过LoRa和卫星通信模块(二选一)进行数据传输。项圈底部是电池仓，右侧主电路板和LORA天线，在皮带的顶部是卫星和GPS天线(内嵌)。

3.根据权利1基于卫星和LORA通信的双模项圈，其中特征在于：在有LORA信号覆盖的情况下，优先使用LORA和基站通信的方式进行传输数据，在无LORA的信号覆盖情况下，项圈使用卫星通信的方式进行搜寻卫星信号，到达可提供发射信息的信号强度的时候采用卫星通信的方式发出。

4.根据权利2要求的基于卫星和LORA通信的双模项圈，其中特征在于：LORA项圈可单独和手持终端(LORA设备)进行通信，可以获取数据到手持终端上。

5.根据权利2要求的基于卫星和LORA通信的双模项圈其项圈本体的特征在于：项圈底部正下方是电池仓，项圈皮带中空，内部可走线，项圈右方是LORA天线和主控制板，LORA天线采用棒状天线的方式，皮带的正上方内嵌卫星+GPS双模天线。

6.根据权利2要求的基于卫星和LORA通信的双模项圈的特征在于：平台可以下发指令，设定项圈发送频率和时间，当电池电量低时，给平台报警。

7.根据权利2要求的基于卫星和LORA通信的双模项圈的特征在于：所有壳体均采用IP67防水设计，内部有防水圈，走线的孔部分需要点防水胶。皮带能承受450公斤的拉力。

8.根据权利2要求的基于卫星和LORA通信的双模项圈的信息收集系统特征在于：可以获取GPS定位信息，动物的姿态信息，移动速度信息(加速度)，温度信息，湿度信息，电量信息。

9.根据权利2要求的基于卫星和LORA通信的双模项圈的信号发射(天线)系统特征在于：均采用陶瓷天线，GPS和卫星通信采用二合一的陶瓷天线，位于项圈的皮带正上方的内部(内嵌)，LORA天线采用棒状天线位于皮带右方的壳体上。

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