CN112020015A - 一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端及低功耗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端及低功耗方法，涉及物流定位技术领域，包括行云卫星、地面站与用户终端；方法包括：终端定时唤醒时，根据终端运动侦测结果决定是否同时启动GPS定位和NB‑IoT网络搜索；若在GPS定位成功前NB‑IoT成功入网，则通过NB‑IoT网络启动AGNSS服务，并根据定位情况决策是否采用低精度的LBS定位，并通过地面NB‑IoT网络上传数据；在没有地面NB‑IoT网络时，无法启动A‑GPS和LBS等快速定位，在规定的时间内若GPS无法定位，则当次定位失败，且认为卫星信号被遮挡，行云通信模组同样不具备卫星通信条件，仅对当次数据进行保存，不启动传输过程，无论定位成功与否或数据传输成功与否，每次唤醒均需对相关数据状态进行本地保存。

Description

一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端及低功耗方法
技术领域
本发明涉及卫星网络技术领域，具体为一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端及低功耗方法。
背景技术
近年来陆运及远洋货物运输业务增速明显加快，货车、集装箱作为当代国际散货运输的主要载体，已经成为全球经济一体化的象征，它极大地促进了各国之间贸易的发展，为世界各国经济的发展提供了便利的条件。
但目前物流领域对于货车、集装箱等物流设备缺乏跟踪能力，因此对于运输的实时监控能力不足，造成了物流运输的实时性较差，货物失窃情况时有发生，每年都会造成巨额损失。
目前市面上出现了一些集装箱定位跟踪装置。这些装置大多采用GPS定位+GPRS通信技术，只能在有移动通信网络的情况下发射位置信息，无法满足在货物运输中实时上报集装箱位置。另外，由于全球移动通信标准还不统一，这些设备到了部分国家会出现无法获取位置的情况。
此外，市面上部分智能集装箱终端可以采用北斗短报文进行通信。但是北斗短报文技术发射时功耗较大，对设备的电池续航能力有很大影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端及低功耗方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，包括行云卫星、地面站与用户终端，所述行云卫星用于各用户终端之间、用户终端与地面站之间信号转发以及卫星间激光链路通信；所述地面站用于卫星管理及业务处理，所述用户终端用于各个监控点的信息数据采集及上报；
所述用户终端包括控制单元、定位单元、数据采集单元、数据存储单元、数据传输单元与电量检测单元，所述定位单元、数据采集单元、数据存储单元、数据传输单元、电量检测单元分别于所述控制单元连接；
所述控制单元用于管理各个单元，检测电量信息，控制定位频次及发射频次，根据网络信号的强弱控制发射功率；
所述数据采集单元用于电池电量采集，监测设备的电池电量使用状态；
所述数据传输单元支持NB-IoT网络、行云卫星通信中实现与互联网的数据交换，并用于用户终端的定时唤醒。
优选的，所述定位单元包括北斗/GPS单元。
优选的，所述数据传输单元包括NB-IOT单元与行云通信模组。
优选的，所述控制单元的型号为STM32L151/152。
优选的，所述北斗/GPS单元的型号为TD1030。
优选的，所述NB-IOT单元的型号为N10SG。
优选的，还包括电池单元，所述电池单元用于给各单元供电。
优选的，所述电池单元为锂亚电池组。
一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端的低功耗方法，包括以下步骤:
S1,终端定时唤醒时，根据终端运动侦测结果决定是否同时启动GPS定位和NB-IoT网络搜索；
S2,若在GPS定位成功前NB-IoT成功入网，则通过NB-IoT网络启动AGNSS服务，并根据定位情况决策是否采用低精度的LBS定位，并通过地面NB-IoT网络上传数据；
S3,在没有地面NB-IoT网络时，无法启动A-GPS和LBS等快速定位，在规定的时间内若GPS无法定位，则当次定位失败，且认为卫星信号被遮挡，行云通信模组同样不具备卫星通信条件，仅对当次数据进行保存，不启动传输过程。
S4,无论定位成功与否或数据传输成功与否，每次唤醒均需对相关数据状态进行本地保存。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端及其低功耗方法。不管客户的货车、集装箱在全球任何地方，不管这些地方有没有移动通信网络，只要安装了本发明的设备，并能接收到行云卫星信号，都能及时上报位置信息和运行状态。
此外，本发明选用超低功耗元器件，结合低轨物联网卫星的低功耗性能，可以将物流卫星多模终端的电池续航能力增加到5-10年。
附图说明
图1为本发明的用户终端的示意图；
图2为本发明的锂亚电池在+25℃时的典型放电曲线图；
图3为本发明的锂亚电池在不同放电电流和温度条件下的平稳电压曲线图；
图4为本发明的超级电容在3.67V电压下放电(750mA)曲线图；
图5为本发明的定位原理及信号传递示意图；
图6为本发明的用户终端的实现过程示意图；
图7为本发明的多模终端的低功耗方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，包括行云卫星、地面站与用户终端，所述行云卫星用于各用户终端之间、用户终端与地面站之间信号转发以及卫星间激光链路通信；所述地面站用于卫星管理及业务处理，所述用户终端用于各个监控点的信息数据采集及上报；
行云卫星并不是单独一颗卫星，而是由低轨卫星星座组成。负责终端与终端、终端与地面站之间信号转发以及星间激光链路通信。该星座计划发射80颗行云小卫星组成低轨卫星星座，为国内首个低轨窄带通信卫星星座。目前发射了2颗验证卫星，已经完成同地面设备通信测试工作。
所述用户终端包括控制单元、定位单元、数据采集单元、数据存储单元、数据传输单元与电量检测单元，所述定位单元、数据采集单元、数据存储单元、数据传输单元、电量检测单元分别于所述控制单元连接；
所述控制单元用于管理各个单元，检测电量信息，控制定位频次及发射频次，根据网络信号的强弱控制发射功率；
所述数据存储单元对于无网络或者网络通信不顺畅时而不能上传的数据，具有存储功能，待网络恢复时将存储数据上传到数据中心，数据存储空间应不少于32K。
网络恢复时，终端优先传输当前位置信息，传输当前位置信息完成后，继续传输已存储数据完成后，结束传输；如无已存储数据，结束传输。
数据存储空间采用“先进后出”的原则，当未传输的数据超过存储空间时，覆盖最先进入存储空间未传输数据。
所述数据采集单元用于电池电量采集，监测设备的电池电量使用状态；
所述数据传输单元可支持NB-IoT网络、行云卫星通信中实现与互联网的数据交换。
可实现定时唤醒功能，根据实际需求设置唤醒时间间隔，实现对终端的有效监控、跟踪管理。数据传输时间设置步进为30分钟，提供30分钟到48小时的唤醒时间间隔配置。
多模卫星物联终端能够根据产品运动状态自动调整上报时间间隔，静止状态不更新位置信息，运动状态1天1-2次，并可以根据实际需求进行频次手动调整。
需要说明的是，所述定位单元包括北斗/GPS单元，支持北斗/GPS卫星定位功能；使用NB地面网络情况下，支持移动通信网络的基站定位功能，使用NB地面网络情况下，支持A-GPS定位功能。
其中，所述数据传输单元包括NB-IOT单元与行云通信模组。
行云卫星通信模组采用高性能、低功耗、高集成度的行云B型模组。
其中，所述控制单元的型号为STM32L151/152，STM32L151/152器件利用Cortex-M3内核和频率介于32kHz至32MHz的CPU时钟扩展了超低功耗理念，并且不会降低性能。除了动态运行和低功耗运行模式以外，还有另外2种超低功耗模式为您带来了极低的功耗，同时还能保持RTC、后备寄存器内容与低压检测器的工作。
STM32L151/152器件面向医疗、工业和消费类应用，其主要特性为片上集成的快速12位1MSPS ADC、USB 2.0FS和电容式触摸感应模块，可以利用SDIO和FSMC接口扩展存储容量。
所述北斗/GPS单元的型号为TD1030，北斗(GPS)定位模块采用泰斗公司的高性能、高集成度的BDS/GPS/GLONASS卫星定位导航授时芯片，根据设计需要，选用TD1030。芯片具有如下特点：
TD1030是一款高性能、高集成度的BDS/GPS/GLONASS卫星定位导航授时芯片。该芯片采用了射频基带一体化设计，单片集成了DC-DC、LDO、电源管理、POR、射频处理、卫星定位导航授时数字基带处理、32位RISC CPU、RAM、FLASH存储、Watchdog、Timer、RTC、天线状态检测与短路保护电路等。该芯片支持UART、I2C、SPI、SQI、GPIO、外部中断Ex_INT、1PPS、可编程TimeMark等丰富的接口，并支持组合导航、A-GPS、D-GNSS。
TD1030具有高性能、高集成度、小尺寸、低功耗、低成本、抗干扰等特性，可直接兼容替代主流GPS产品，大幅减少了替换成本，缩短了替换时间。
所述NB-IOT单元的型号为N10SG。NB-IoT模块采用中移物联公司的高性能、低功耗NB-IoT无线通信模组，根据设计需要，选用N10SG模块。该模块具有如下特点：
供电电压低至2.1V，支持AA干电池，能够最大限度地压榨电池，可以帮助客户获得更长的终端寿命。M5311提供丰富的外部接口和协议栈，支持外接传感器设备，为用户的产品开发提供了极大的便利。同时支持OneNET云平台协议，真正实现无缝对接，快速开发。
需要说明的是，还包括电池单元，所述电池单元用于给各单元供电。
其中，所述电池单元为锂亚电池组。
物流卫星多模终端应用场景下，终端每天或几天工作一次，其它时间终端工作于待机状态，工作电流仅为uA级，而且终端寿命要求5年以上，故终端续航时间需按5年设计。经过评估各模块工作能耗，终端工作5年需消耗的电量如下表所示：
Figure BDA0002659158980000041
Figure BDA0002659158980000051
以上计算是基于各模式下按每天一次正常工作流程时所消耗的电能，终端工作5年所需要的总电量大约为11249mAh；实际使用过程中NB-IoT和行云通信模组为分时使用，且使用过程中会根据运动、定位情况、行云通信模组功率控制和限制保护等开启相应节能策略，因此实际工作时间为5-10年。
综合考虑以上项目需求，并评估了产品内部空间后，物流卫星多模终电池最终选择锂亚电池组来供电(亚硫酰氯电池化学名称为Li-SOCl2)。
锂亚电池由于其特殊的化学特性，钝化效应，其年自放电电流小于1％，储存寿命达10年以上，所以广泛应用于水表，电表和燃气表中做电源。
由于锂亚电池最大脉冲放电能力只150mA左右，而终端在进行数据发射时脉冲电流将达到2A左右，所以推荐电池与锂离子电池电容器或超级电容配合使用以实现苛刻的条件下的大电流输出。故本产品同时配有两节SPC1550电池电容器。
根据终端工作时间评估，对电池容量的要求(11000mAh)和对发射时对电流的要求，采用6节2000mAh的锂亚电池，并联两节SPC1550电池电容器，电池总容量为12000mAh。
锂亚定尺电池放电曲线如图2、图3与图4所示，根据以上放电性能曲线可以看出，在-20℃以上温度条件下，电池组可正常供行云通信模组发射10s以上，而在-40℃极低温度条件下，超级电容可以供行云通信模组发射3s左右(截止电压按2.4V计算)，因此在该极端条件下，应适当控制其发射功率及频次，甚至停用行云通信模组，以保证终端数据安全。
本发明的工作原理如图5所示，利用北斗卫星对终端进行定位，再通过NB-IOT物联网网络或者行云卫星网络把位置信息回传给后台，实现终端位置实时监控及终端状态的实时获取。
北斗/GPS卫星：提供定位服务；
用户终端：搜索北斗/GPS卫星，计算位置信息，并通过NB-IOT网络或行云低轨卫星网络发射位置信息至后台；
NB-IOT/行云低轨卫星：负责转发用户终端位置信息
云平台：负责收集并监控用户终端位置和状态信息，并直观展示给客户。
本发明用户终端的实现方法如图6所示，北斗/GPS单元：搜索北斗/GPS卫星完成定位，并将位置信息通过UART数据接口送至控制单元；
NB-IOT单元：搜索NB-IOT网络，有网络信号时通过UART数据接口从控制单元获取本装置位置信息，并采用MQTT协议将数据上传到云平台；
其中，用户终端的低功耗设计具有五种模式，如表三所示分别为：休眠模式、定位模式、地面网模式、卫星模式和数据存储模式。
表1低功耗策略表
Figure BDA0002659158980000061
其中，如图7所示，一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端的低功耗方法，包括以下步骤:
S1,终端定时唤醒时，根据终端运动侦测结果决定是否同时启动GPS定位和NB-IoT网络搜索；
S2,若在GPS定位成功前NB-IoT成功入网，则通过NB-IoT网络启动AGNSS服务，并根据定位情况决策是否采用低精度的LBS定位，并通过地面NB-IoT网络上传数据；
S3,在没有地面NB-IoT网络时，无法启动A-GPS和LBS等快速定位，在规定的时间内若GPS无法定位，则当次定位失败，且认为卫星信号被遮挡，行云通信模组同样不具备卫星通信条件，仅对当次数据进行保存，不启动传输过程。
S4,无论定位成功与否或数据传输成功与否，每次唤醒均需对相关数据状态进行本地保存。
其中，行云通信模组的唤醒包括以下内容：用户终端在安装前需人工进行一次卫星接入或星历注入操作；
在静止条件下，通过卫星过顶推算算法计算下一次模组唤醒时间；
在运动条件下，需要通过多次提前预推卫星过顶时间等方式来解决运动条件下的卫星过顶推算及信号接入问题。
综上所述，本发明不管客户的货车、集装箱在全球任何地方，不管这些地方有没有移动通信网络，只要安装了本发明的设备，并能接收到行云卫星信号，都能及时上报位置信息和运行状态。
此外，本发明选用超低功耗元器件，结合低轨物联网卫星的低功耗性能，可以将物流卫星多模终端的电池续航能力增加到5-10年。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解所描述的实施例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。本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，其特征在于，包括行云卫星、地面站与用户终端，所述行云卫星用于各用户终端之间、用户终端与地面站之间信号转发以及卫星间激光链路通信；所述地面站用于卫星管理及业务处理，所述用户终端用于各个监控点的信息数据采集及上报；
所述用户终端包括控制单元、定位单元、数据采集单元、数据存储单元、数据传输单元与电量检测单元，所述定位单元、数据采集单元、数据存储单元、数据传输单元、电量检测单元分别于所述控制单元连接；
所述控制单元用于管理各个单元，检测电量信息，控制定位频次及发射频次，根据网络信号的强弱控制发射功率；
所述数据采集单元用于电池电量采集，监测设备的电池电量使用状态；
所述数据传输单元支持NB-IoT网络、行云卫星通信中实现与互联网的数据交换，并用于用户终端的定时唤醒。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，其特征在于，所述定位单元包括北斗/GPS单元。
3.根据权利要求2所述的一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，其特征在于，所述数据传输单元包括NB-IOT单元与行云通信模组。
4.根据权利要求1所述的一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，其特征在于，所述控制单元的型号为STM32L151/152。
5.根据权利要求2所述的一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，其特征在于，所述北斗/GPS单元的型号为TD1030。
6.根据权利要求3所述的一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，其特征在于，所述NB-IOT单元的型号为N10SG。
7.根据权利要求1所述的一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，其特征在于，还包括电池单元，所述电池单元用于给各单元供电。
8.根据权利要求1所述的一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端，其特征在于，所述电池单元为锂亚电池组。
9.一种基于卫星物联网的物流卫星多模终端的低功耗方法，其特征在于，包括以下步骤:
S1,终端定时唤醒时，根据终端运动侦测结果决定是否同时启动GPS定位和NB-IoT网络搜索；
S2,若在GPS定位成功前NB-IoT成功入网，则通过NB-IoT网络启动AGNSS服务，并根据定位情况决策是否采用低精度的LBS定位，并通过地面NB-IoT网络上传数据；
S3,在没有地面NB-IoT网络时，无法启动A-GPS和LBS等快速定位，在规定的时间内若GPS无法定位，则当次定位失败，且认为卫星信号被遮挡，行云通信模组同样不具备卫星通信条件，仅对当次数据进行保存，不启动传输过程。
S4,无论定位成功与否或数据传输成功与否，每次唤醒均需对相关数据状态进行本地保存。
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