CN113365330B - 一种基于NB-IoT的低功耗电子标签及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于NB‑IoT的低功耗电子标签及控制方法，电子标签包括电源系统、NB‑IoT模块以及传感器模块；所述电源系统用于供电；所述NB‑IoT模块用于接收移动基站的信号，并解析所接收到的基站的CELL ID号及信号强度值RSSI，将解析后的相关数据上传至云服务器，云服务器根据这些数据，经过运算处理，获得该电子标签的位置信息；所述传感器模块包括加速度传感器和光线传感器，用于感知设备状态和环境状态，根据不同的状态设置不同的工作模式，已达到降低功耗的目的。本发明应用NB‑IoT技术，实现一种低功耗电子标签，有效解决以往2G基站定位技术功耗过高的问题。

Description

一种基于NB-IoT的低功耗电子标签及控制方法
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于NB-IoT的低功耗电子标签及控制方法。
背景技术
目前，生产及物流过程中涉及的货品种类多，包括建材类、机械设备类、电器及家私类、海鲜类、燃料类、牲口、食品、医药类等。然而现有的定位终端方案，无法做到室外远距离定位和室内短距离定位的全覆盖，给货物提供从陆侧到水侧的转换服务造成极大困扰。由于定位卫星信号无法穿透高楼大厦的水泥墙，所以GPS等卫星定位技术无法做到货运市场定位，当终端进入室内后，即搜索不到卫星信号。而室内短距离定位方案，又无法实现室外远距离定位。目前的定位终端方案，基本上是电池供电，对功耗问题较为敏感。在定位的时候，如果没有加入低功耗控制方法，则平均功耗较高，则在续航上难以令人满意。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于NB-IoT的低功耗电子标签及控制方法，应用NB-IoT技术，实现一种低功耗电子标签，有效解决以往2G基站定位技术功耗过高的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于NB-IoT的低功耗电子标签，包括电源系统、NB-IoT模块以及传感器模块；
所述电源系统用于供电；
所述NB-IoT模块用于接收移动基站的信号，并解析所接收到的基站塔编码及信号强度值，将解析后的相关数据上传至云服务器，云服务器根据相关数据，经过运算处理，获得该电子标签的位置信息；
所述传感器模块包括加速度传感器和光线传感器，用于感知设备状态和环境状态，根据不同的状态设置不同的工作模式，已达到降低功耗的目的。
进一步的，所述NB-IoT模块内部集成了射频电路、基带处理电路以及微处理器。
进一步的，电子标签低电时，可通过连接外部充电器给电源系统充电。
进一步的，所述工作模式包括数据通讯模式、PSM省电模式以及夜间搁置模式；
PSM省电模式在数据连接终止或周期性TAU完成后启动；数据连接终止后，电子标签首先进入空闲模式，并进入不连续接收模式状态，当定时器超时后，进入PSM省电模式；在PSM省电模式下，电子标签处于休眠状态，实现省电；进入PSM省电模式后采用所述加速度传感器以及光线传感器来实现唤醒和系统运行状态判断。
进一步的，所述夜间搁置模式，电子标签利用光线传感器能判断周围环境的光照强度，从而判断是否进入夜间搁置模式；当日出或者人为干预事件发生时，光线传感器感知光照发生变化产生阈值中断，主动唤醒设备进入准备工作。
进一步的，所述加速度传感器为3轴加速度传感器，实现立体方位的全角度感知。
本发明还包括基于提供的低功耗电子标签的控制方法，包括以下步骤：
NB-IoT模块上电后，检查网络信息，获取通用属性协议，查询移动通信网络分组业务网络附着，获取失败则进入待机休眠状态；
分组业务附着成功后查询下发APN参数，查询网络信息，运营商及网络制式即NB-IoT网络，失败进入待机休眠状态；
获取NB-IoT网络成功后创建无线链路用于设备和服务器之间通信，支持TCP客户端，UDP客户端和TCP服务器三种工作模式；
数据链路完成后可以主动关闭链路或者由远端服务器关闭链路，关闭链路后设备进入待机休眠状态，如果不关闭链路则继续与远端进行数据服务；
NB-IoT模块待机进入PSM省电模式后，通过加速度传感器检测设备的运动状态或者根据光线传感器检测设备的工作环境来实现设备低功耗的唤醒和系统运行状态判断。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明在硬件设计上充分考虑电子标签低功耗的特性，无需外部MCU，所需嵌入式程序直接烧录在NB-IoT模块内部的MCU中，不仅节约了成本，而且降低了功耗，其他外围电路的设计也符合最小系统原则以降低功耗和实施成本。
2、本发明通过多种传感器感知判断电子标签所处工作场景，从而决定出电子标签是否需要提前唤醒，进而进入最佳的低功耗模式，实现实时工作状态的切换，使设备处于低功耗模式的时间更长，唤醒工作更实时，避免了多余的定时主动唤醒的功耗浪费。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例电源系统的组成电路图；
图3a是本发明实施例NB-IoT模块和光线传感器的电路图；
图3b是本发明实施例NB-IoT模块的SIM卡槽电路图；
图3c是本发明实施例的加速度传感器电路图；
图4是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
常见的GPRS设备通常需要外接MCU(微控制器)通过AT指令设置系统允许进入休眠状态后，系统并不一定会立即进入休眠，而是依赖GPRS网络及其他任务执行状态，只有当系统空闲后才会进入休眠状态。GPRS模块进入休眠状态后只能通过模块的定时，数据上报进行自动唤醒，很难通过主控端随时唤醒设备。本发明采用NB-IoT模块加外围传感器的系统结构，在NB-IoT模块上直接进行开发无需外部MCU，可以更高效的进入NB-IoT网络管理的PSM省电模式，集成传感器后就可以更进一步的使设备的低功耗模式的时间更长，而当需要工作时又由传感器感知判断出设备是否需要提前唤醒，从而达到最佳的低功耗模式控制，实时工作状态的切换。如此使设备处于低功耗模式的时间更长，唤醒工作更实时，避免了多余的定时主动唤醒的功耗浪费。
实施例
如图1所示，本发明，一种基于NB-IoT的低功耗电子标签，包括电源系统、NB-IoT模块以及传感器模块；
所述电源系统用于供电，电子标签低电时，可通过连接外部充电器给电源系统充电。
所述NB-IoT模块用于接收移动基站的信号，并解析所接收到的基站塔编码(CELLID)及信号强度值RSSI，将解析后的相关数据上传至云服务器，云服务器根据这些数据，经过运算处理，获得该电子标签的位置信息；NB-IoT模块内部集成了射频电路、基带处理电路以及微处理器，因此，无需外部MCU，所需嵌入式程序直接烧录在NB-IoT模块内部的MCU中，不仅节约了成本，而且降低了功耗。
所述传感器模块包括加速度传感器和光线传感器，用于感知设备状态和环境状态，根据不同的状态设置不同的工作模式，已达到降低功耗的目的。在本实施例中，所述加速度传感器为3轴加速度传感器，而3轴的加速度计则可以实现立体方位的全角度感知，从而达到无死角的人为主动干预的检测。
如图2所示，为电源系统的组成电路图，J1是USB插座，用于连接外部充电器给电池充电；D1，D2是TVS瞬态电压抑制二极管，用于抑制USB输入端的瞬态高压；FB1是磁珠，用于抑制USB输入电源的高频干扰；C1，C2，C3，C4是去耦电容；D6是红绿双色二极管，是充电状态指示灯；U1是锂电池充电管理芯片；R3用于设置恒流充电电流的大小；BAT1是单节锂聚合物电池。
当BAT1低电时，可通过J1连接外部充电器给BAT1充电；充电时，D6的红色指示灯亮，绿色指示灯灭，充满电时，红色指示灯灭，绿色指示灯亮。
如图3a、图3b以及图3c所示，U2是SIM7000C，是NB-IoT模块，J2是SIM卡槽，与U2的SIM卡接口PIN30～33相连；D8是TVS管阵列，与SIM卡槽相连；R5，R6，R7是终端匹配电阻，R8是上拉电阻；C13，C14，C15是去耦电容；C5，C6，C7，C8，C9，C10是电源去耦电容，连接在U2的PIN55～57引脚上；U2的PIN60引脚是天线接入引脚，C11，R4，C12与此引脚相连，用于天线与U2之间的阻抗匹配；D7是TVS管，用于抑制瞬态电压；外部天线从TP2处接入。U3是三轴加速度传感器，C16，C17是退耦电容，与U3的PIN1，P14引脚相连；R9用于配置U3的工作状态，与U3的PIN8引脚相连。U4是光敏传感器，R11，R10是分压电阻。
在本实施例中，电子标签有多种工作模式，包括数据通讯模式、PSM省电模式、休眠模式等；
PSM省电模式，主要是在数据连接终止或周期性TAU完成后启动。数据连接终止后，终端首先进入空闲模式，并进入不连续接收模式(DRX)状态，当定时器超时后，终端进入PSM省电模式。在PSM省电模式下，终端处于休眠状态，可大幅度省电；由于进入PSM省电模式后只有在定时器超时后才能唤醒终端，会导致更长的下行数据延迟，影响数据的实时性，为了使设备在休眠状态下也能被设备的工作环境，工作状态来唤醒恢复工作。本实施例中采用在模块外接3轴加速度传感器，光线传感器来实现低功耗的唤醒和系统运行状态判断；只要有人为的操作设备，那么加速度传感器会产生加速度阈值中断信息，从而利用加速度传感器阈值中断主动唤醒设备。
在本实施例中，利用光线传感器能判断周围环境的光照强度，从而判断是否处于夜间搁置的状态。设备处于搁置状态后设备一般无需主动唤醒工作的，从而实现整夜处于低功耗状态。当日出或者人为干预开灯等事件发生时，说明设备附近有人为干预的事件发生，此时光线传感器感知光照发生变化产生阈值中断，主动唤醒设备进入准备工作，实现实时、智能的控制设备的低功耗。
在本实施例中，将两种传感器的模式进行融合，达到更加智能，满足更复杂的应用场景。如当设备处于仓库存贮状态、在途运输状态、卸货中转状态、交付开箱状态等都能利用两种传感器融合判断出来。其中仓库存贮状态则设备一般存贮在仓库货架或者存贮箱中，设备没有加速度，其次光线传感器也会检测出光照程度较低、从而判断是仓储状态。而在途运输过程中，加速度会有微弱的运输过程中产生的波动，但是光照依然微弱较低，从而判断处于在途运输状态；卸货状态，一般设备还是处于包装箱中，光照微弱，但是加速度在卸货搬运过程中会产生大幅度的变化，从而判断出处于卸货状态。交付开箱状态则，会打开包装箱，既有较大的加速度，也有在开箱后较强的光照变化。设备在检测到得知这一些状态后，可以更好的做到满足应用场景的需求，做到实时控制设备的工作状态，低功耗状态的管理。
基于上述实施例，本发明还包括低功耗电子标签的控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
NB-IoT模块上电后，检查网络信息，获取通用属性协议(GATT)，查询移动通信网络分组业务(PS，Packet Service)网络附着，获取失败则进入待机休眠状态；
PS附着成功后查询下发APN参数，查询网络信息，运营商及网络制式即NB-IoT网络，失败进入待机休眠状态；
获取NB-IoT网络成功后创建无线链路用于设备和服务器之间通信，支持TCP客户端，UDP客户端和TCP服务器三种工作模式；
数据链路完成后可以主动关闭链路或者由远端服务器关闭链路，关闭链路后设备进入待机休眠状态，如果不关闭链路则继续与远端进行数据服务；
NB-IoT模块待机进入PSM省电模式后，通过加速度传感器检测设备的运动状态或者根据光线传感器检测设备的工作环境来实现设备低功耗的唤醒和系统运行状态判断。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于NB-IoT的低功耗电子标签，其特征在于，包括电源系统、NB-IoT模块以及传感器模块；
所述电源系统用于供电；
所述NB-IoT模块用于接收移动基站的信号，并解析所接收到的基站塔编码及信号强度值，将解析后的相关数据上传至云服务器，云服务器根据相关数据，经过运算处理，获得该电子标签的位置信息；
所述传感器模块包括加速度传感器和光线传感器，用于感知设备状态和环境状态，根据不同的状态设置不同的工作模式，已达到降低功耗的目的；
工作模式包括数据通讯模式、PSM省电模式以及夜间搁置模式；
PSM省电模式在数据连接终止或周期性TAU完成后启动；数据连接终止后，电子标签首先进入空闲模式，并进入不连续接收模式状态，当定时器超时后，进入PSM省电模式；在PSM省电模式下，电子标签处于休眠状态，实现省电；进入PSM省电模式后采用所述加速度传感器以及光线传感器来实现唤醒和系统运行状态判断。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的低功耗电子标签，其特征在于，所述NB-IoT模块内部集成了射频电路、基带处理电路以及微处理器。
3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的低功耗电子标签，其特征在于，电子标签低电时，可通过连接外部充电器给电源系统充电。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的低功耗电子标签，其特征在于，所述夜间搁置模式，电子标签利用光线传感器能判断周围环境的光照强度，从而判断是否进入夜间搁置模式；当日出或者人为干预事件发生时，光线传感器感知光照发生变化产生阈值中断，主动唤醒设备进入准备工作。
5.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的低功耗电子标签，其特征在于，所述加速度传感器为3轴加速度传感器，实现立体方位的全角度感知。
6.基于权利要求1-5任一项所述低功耗电子标签的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
NB-IoT模块上电后，检查网络信息，获取通用属性协议，查询移动通信网络分组业务网络附着，获取失败则进入待机休眠状态；
分组业务附着成功后查询下发APN参数，查询网络信息，运营商及网络制式即NB-IoT网络，失败进入待机休眠状态；
获取NB-IoT网络成功后创建无线链路用于设备和服务器之间通信，支持TCP客户端，UDP客户端和TCP服务器三种工作模式；
数据链路完成后可以主动关闭链路或者由远端服务器关闭链路，关闭链路后设备进入待机休眠状态，如果不关闭链路则继续与远端进行数据服务；
NB-IoT模块待机进入PSM省电模式后，通过加速度传感器检测设备的运动状态或者根据光线传感器检测设备的工作环境来实现设备低功耗的唤醒和系统运行状态判断。
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