窄帶物聯網智慧IOT標簽數據采集及定位綜合管理系統的制作方法

本發明涉及一種窄帶物聯網智慧IOT標簽數據采集及定位綜合管理系統。

背景技術：

目前，廣為使用的射頻標簽（RFID）分為有源和無源兩種方式，無源RFID必須近距離才能被感應和讀取信息（如門卡、公交卡、飯卡等，通常有效感應距離為1cm-10cm），有源RFID因為內嵌電池，可以使用較高功率主動發送無線信號，所以傳輸距離可達幾十米。然后，無論使用哪種方式，RFID射頻標簽均具有2個缺點：1）感應范圍具有極強的方向性，即必須在讀卡器的感應角度內才能讀取RFID卡信息；2）只能存儲和讀取信息。在某些應用場景下，還需要對攜帶（穿戴、佩戴）標簽卡的目標進行“區域定位”以及態勢、姿態的感測，因此，當前的RFID射頻標簽卡并不能很好的滿足要求。

此外，數據采集的傳輸和接入，目前普遍使用WiFi、藍牙、zigbee、GPRS等無線系統，WiFi、藍牙、zigbee是短距離無線傳輸技術，傳輸距離最大為100米，不利于大范圍部署。而GPRS可以在具有GSM網絡信號覆蓋的地點部署，具有廣域性，但是其成本大，功耗高，不利于多點部署。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種窄帶物聯網智慧IOT標簽數據采集及定位綜合管理系統，通過該系統，可進行對目標物體的區域定位與數據采集功能，具有標簽感測距離遠、可并發的標簽數量大、網關覆蓋范圍廣、系統部署簡便、具有統一的SDK接口等優點。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種窄帶物聯網智慧IOT標簽數據采集及定位綜合管理系統，包括智慧IOT標簽、IOT錨點裝置、LoRa網關、NS/AS中間件；

所述智慧IOT標簽配設于目標上，用于采集目標數據，并主動將采集數據發送給IOT錨點裝置；

所述IOT錨點裝置固定設置，用于接收智慧IOT標簽發送的數據，并將收集的數據壓縮、整理、融合后通過LoRa擴頻調制技術相LoRa網關上報；

所述LoRa網關匯聚錨點數據，并通過互聯網，轉發給NS/AS中間件；

所述NS/AS中間件根據應用平臺的不同，通過數據處理，以及應用數據的協議轉換，推送給相應的AS側。

在本發明一實施例中， 所述智慧IOT標簽包括用于監測畜禽動物運動及追蹤其位置的動物穿戴式IOT標簽、用于對病人進行定位和基本生命體征采集的手環IOT標簽、用于對建筑工地的工人進行考勤管理并嵌入在安全帽頭上的考勤IOT標簽、用于對消防隊員所處環境及所攜帶的裝備進行狀態檢測的傳感IOT標簽。

在本發明一實施例中，所述智慧IOT標簽包括圓形PCB電路板及設置于該圓形PCB電路板上的微功耗MCU模塊及與所述微功耗MCU模塊連接的無線發送模塊、加速度傳感器模塊，還包括一用于為整個裝置供電的電源模塊；所述圓形PCB電路板包括位于內部的圓形覆銅區、與圓形覆銅區相接的環形非覆銅區；所述微功耗MCU模塊的元器件、無線發送模塊的元器件、加速度傳感器模塊的元器件均設置于所述圓形覆銅區正面；所述環形非覆銅區正面還設置有一與所述無線發送模塊連接的環形PCB天線；所述電源模塊包括一圓形紐扣電池，該紐扣電池設置于所述圓形覆銅區背面。

在本發明一實施例中，所述圓形覆銅區除設置微功耗MCU模塊的元器件、無線發送模塊的元器件、加速度傳感器模塊的元器件及電源模塊的元器件位置的區域外均大面積覆銅接地。

在本發明一實施例中，所述無線發送模塊包括FSK芯片發射模塊及與該FSK芯片發射模塊鏈接的868MHz FSK 射頻鏈路。

在本發明一實施例中，所述IOT錨點裝置包括PCB電路板及設置于該PCB電路板上的用于為整個裝置供電的電源模塊、FSK通信接收模塊、LoRa通信發送模塊，所述FSK通信接收模塊、LoRa通信發送模塊分別內置第一MCU芯片、第二MCU芯片；所述PCB電路板上還設置有分別與所述FSK通信接收模塊、LoRa通信發送模塊連接的868MHz PCB天線、780MHz PCB天線，且所述868MHz PCB天線與780MHz PCB天線在PCB電路板上成90度正交分布。

在本發明一實施例中，所述PCB電路板上，電源模塊的設置位置遠離所述FSK通信接收模塊、LoRa通信發送模塊，且868MHz PCB天線與780MHz PCB天線部分不覆銅接地，其余部分大面積覆銅接地。

在本發明一實施例中，水平放置PCB電路板，則所述780MHz PCB天線位于PCB電路板的正前側，所述868MHz PCB天線位于PCB電路板的正右側。

在本發明一實施例中，所述FSK通信接收模塊與868MHz PCB天線之間還連接有一868MHz 濾波器。

在本發明一實施例中，所述電源模塊包括第一至第三電源電路；所述第一電源電路用于實現電源的接入及整流保護作用；所述第二電源電路用于實現對第一電源電路輸入電源的濾波及電源電壓的降壓作用；所述第三電源電路用于實現對第二電源電路輸入電源的進一步濾波及電壓的隔離作用；所述第一電源電路包括電源輸入接口、跨接在電源輸入接口的防雷管、PTC可恢復保險、TVS二極管、第一至第四二極管，所述PTC可恢復保險、TVS二極管組成過壓過流保護電路，所述第一至第四二極管組成整流橋電路，外接電源經電源輸入接口、防雷管、過壓過流保護電路、整流橋電路輸出至第二電源電路；所述第二電源電路包括用于對第一電源電路輸入電源進行濾波的大電容、對經大電容濾波的電源進行降壓的XL1509芯片、以及對XL1509芯片輸出電源進行進一步濾波的CLC濾波電路，經CLC濾波電路濾波的電源輸出至第三電源電路。

相較于現有技術，本發明具有以下有益效果：本發明標簽感測距離遠、可并發的標簽數量大、網關覆蓋范圍廣、系統部署簡便、具有統一的SDK接口等優點。

附圖說明

圖1為本發明系統框圖。

圖2為本發明系統采用的智慧IOT標簽PCB板載天線布板總體布局圖。

圖3為本發明系統一實施例的智慧IOT標簽PCB板形狀及元器件分布布局圖框圖。

圖4為本發明系統采用的智慧IOT標簽的硬件系統框圖。

圖5為本發明智慧IOT標簽的電源模塊電路原理圖。

圖6為本發明智慧IOT標簽的FSK芯片發射模塊電路原理圖。

圖7為本發明智慧IOT標簽的868MHz FSK 射頻鏈路電路原理圖。

圖8為本發明智慧IOT標簽的微功耗MCU模塊電路原理圖。

圖9為本發明智慧IOT標簽的加速度傳感器模塊電路原理圖。

圖10為本發明系統采用的IOT錨點的PCB電路板板載天線總體布局圖。

圖11為本發明系統一實施例的采用的IOT錨點的PCB電路板形狀及元器件分布布局框圖。

圖12為本發明IOT錨點的硬件系統框圖。

圖13為本發明IOT錨點的第一電源電路原理圖。

圖14為本發明IOT錨點的第二電源電路原理圖。

圖15為本發明IOT錨點的第三電源電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。

本發明的一種窄帶物聯網智慧IOT標簽數據采集及定位綜合管理系統，包括智慧IOT標簽、IOT錨點裝置、LoRa網關、NS/AS中間件；

所述智慧IOT標簽配設于目標上，用于采集目標數據，并主動將采集數據發送給IOT錨點裝置；

所述IOT錨點裝置固定設置，用于接收智慧IOT標簽發送的數據，并將收集的數據壓縮、整理、融合后通過LoRa擴頻調制技術相LoRa網關上報；

所述LoRa網關匯聚錨點數據，并通過互聯網，轉發給NS/AS中間件；

所述NS/AS中間件根據應用平臺的不同，通過數據處理，以及應用數據的協議轉換，推送給相應的AS側。

所述智慧IOT標簽包括用于監測畜禽動物運動及追蹤其位置的動物穿戴式IOT標簽、用于對病人進行定位和基本生命體征采集的手環IOT標簽、用于對建筑工地的工人進行考勤管理并嵌入在安全帽頭上的考勤IOT標簽、用于對消防隊員所處環境及所攜帶的裝備進行狀態檢測的傳感IOT標簽。

所述智慧IOT標簽包括圓形PCB電路板及設置于該圓形PCB電路板上的微功耗MCU模塊及與所述微功耗MCU模塊連接的無線發送模塊、加速度傳感器模塊，還包括一用于為整個裝置供電的電源模塊；所述圓形PCB電路板包括位于內部的圓形覆銅區、與圓形覆銅區相接的環形非覆銅區；所述微功耗MCU模塊的元器件、無線發送模塊的元器件、加速度傳感器模塊的元器件均設置于所述圓形覆銅區正面；所述環形非覆銅區正面還設置有一與所述無線發送模塊連接的環形PCB天線；所述電源模塊包括一圓形紐扣電池，該紐扣電池設置于所述圓形覆銅區背面。所述圓形覆銅區除設置微功耗MCU模塊的元器件、無線發送模塊的元器件、加速度傳感器模塊的元器件及電源模塊的元器件位置的區域外均大面積覆銅接地。所述微功耗MCU模塊可采用EFM8BB10F8G等芯片，所述無線發送模塊包括FSK芯片發射模塊及與該FSK芯片發射模塊鏈接的868MHz FSK 射頻鏈路，所述FSK芯片發射模塊可采用SX1243等芯片，所述加速度傳感器模塊可采用MC3630等芯片。

所述IOT錨點裝置包括PCB電路板及設置于該PCB電路板上的用于為整個裝置供電的電源模塊、FSK通信接收模塊、LoRa通信發送模塊，所述FSK通信接收模塊、LoRa通信發送模塊分別內置第一MCU芯片、第二MCU芯片（所述第一MCU芯片、第二MCU芯片均采用STM32L051C8T6）；所述PCB電路板上還設置有分別與所述FSK通信接收模塊、LoRa通信發送模塊連接的868MHz PCB天線、780MHz PCB天線，且所述868MHz PCB天線與780MHz PCB天線在PCB電路板上成90度正交分布。所述PCB電路板上，電源模塊的設置位置遠離所述FSK通信接收模塊、LoRa通信發送模塊，且868MHz PCB天線與780MHz PCB天線部分不覆銅接地，其余部分大面積覆銅接地。水平放置PCB電路板，則所述780MHz PCB天線位于PCB電路板的正前側，所述868MHz PCB天線位于PCB電路板的正右側。

所述FSK通信接收模塊與868MHz PCB天線之間還連接有一868MHz 濾波器。

所述電源模塊包括第一至第三電源電路；所述第一電源電路用于實現電源的接入及整流保護作用；所述第二電源電路用于實現對第一電源電路輸入電源的濾波及電源電壓的降壓作用；所述第三電源電路用于實現對第二電源電路輸入電源的進一步濾波及電壓的隔離作用；所述第一電源電路包括電源輸入接口、跨接在電源輸入接口的防雷管、PTC可恢復保險、TVS二極管、第一至第四二極管，所述PTC可恢復保險、TVS二極管組成過壓過流保護電路，所述第一至第四二極管組成整流橋電路，外接電源經電源輸入接口、防雷管、過壓過流保護電路、整流橋電路輸出至第二電源電路；所述第二電源電路包括用于對第一電源電路輸入電源進行濾波的大電容、對經大電容濾波的電源進行降壓的XL1509芯片、以及對XL1509芯片輸出電源進行進一步濾波的CLC濾波電路，經CLC濾波電路濾波的電源輸出至第三電源電路。

以下為本發明的具體實現過程。

本發明所提出的新型體系結構如圖1所示，主要由4個部分組成：智慧IOT標簽、IOT錨點、LoRa網關、NS/AS中間件；其中：

1、智慧IOT標簽

智慧IOT標簽：采用有源的方式，根據目標應用，跟目標系統高度融合，形態各異，具有超低功耗、較遠通信距離、抗干擾能力強等特點，如監測畜禽動物運動及追蹤其位置的動物穿戴式的智慧IOT標簽；對病人進行定位和基本生命體征進行采集的手環IOT標簽；對建筑工地的工人進行考勤管理，并嵌入在安全帽頭上的考勤IOT標簽；對消防隊員所處環境及所攜帶的裝備進行狀態檢測的傳感IOT標簽等。IOT標簽主動將數據發送給周圍的IOT錨點；具體的參見圖2-9。

本實施例的智慧IOT標簽其硬件系統框架圖如4所示，主要由4個部分組成：電源模塊、無線發送模塊、微功耗MCU模塊、加速度傳感器模塊。電源模塊采用紐扣電池供電，無線發送使用FSK調制方式單向發送無線信號，主控MCU模塊則實現驅動及其業務邏輯的控制，加速度傳感器實現對目標的加速度值采樣和處理。

如圖5所示，為本實施例采用的電源模塊的電路原理圖，其工作原理為通過紐扣電池B1經過一個大電容（C16，47uF）濾波后給系統供電，大電容也可以降低無線發送信號時的瞬間大電流對電池的沖擊和損傷。

如圖6、7所示，分別為本實施例采用的FSK無線芯片發射模塊的電路原理圖及868MHz FSK調試PCB天線射頻鏈路原理圖，其中SX1243的第1、2、6引腳與主控MCU連接，實現FSK的頻點、發送功率等工作方式配置和無線數據的發送；4腳接外部無源晶振；8腳與外部射頻鏈路和天線連接。射頻鏈路的工作原理為：通過電容（C8、C15）和電感（L1）構成的濾波網絡，給功放PA供電；中間的電容（C7、C10、C11、C12）與電感（L2、L3）構成的網絡實現PA匹配及其濾波功能；后端的電容（C13）和電感（L4、L5）實現天線匹配，本實施例采用單極子天線+L型匹配方式。

如圖8所示，為本實施例采用的微功耗MCU模塊的電路原理圖，第1、2、19、20引腳為SPI通訊連接線引腳，用于與加速度傳感器進行連接；第5、6引腳為編程和調試接口；7~11引腳暫未使用，懸空；13~15腳與SX1243連接，實現對通信邏輯的控制；16腳與加速度傳感器的中斷輸出引腳相連，實現中斷喚醒。17~18引腳為主控芯片的串口連接，引出，可用于配合測試及擴展使用。

如圖9所示，為本實施例采用的加速度傳感器模塊的電路原理圖，MC3630的第1、2、10、12引腳為自帶的SPI通信功能引腳，用于與MCU主控連接；第5腳為中斷輸出引腳，連接至MCU的IO口，實現加速度傳感器的中斷觸發和MCU喚醒。

本實施例的微功耗有源智慧IOT電子標簽裝置，具體應用于868MHz FSK通信，其PCB電路板布局方式如圖2所示：

1）圖中為PCB結構及元器件在電路板的正面分布，背面不安排任何元器件，紐扣電池焊接在電路板的背面，紐扣電池為圓形。

2）天線巴倫部分的PCB板背面及正面均不覆銅接地，其他部分則大面積覆銅接地。

3）868MHz FSK天線采用環形PCB結構，在終點不閉合。

圖3為本實施例智慧IOT標簽采用的具體PCB板形狀及元器件分布布局圖框圖。

、IOT錨點

IOT錨點：采用FSK/LoRa雙模結構，雙天線設計，收集IOT標簽的數據并負責壓縮、整理、數據融合，并向使用LoRa擴頻調制技術向LoRa網關上報數據；具體的參見圖10-15。

本實施例的IOT錨點硬件系統如圖12所示，主要分為3個組成部分：電源模塊部分、LoRa通信發送模組部分、FSK通信接收模組部分。電源系統允許5V-30VDC寬電壓范圍進行系統供電，并具有防反接（反接也可正常工作）、防雷、防浪涌、防電源沖擊的優點；LoRa通信發送模組實現串口接收數據并通過LoRa通信方式以及LoRa擴頻通信調制方式將數據發送至LoRa網關，該發送模組工作在780MHz頻點；FSK通信接收模組實現通過FSK調制方式，具有抗干擾能力強，通信距離遠等優點，接收禽畜穿戴設備（節點）的運動數據及其RSSI信號強度，具有并發量大、通信距離遠的優點。

如圖13-15所示，為本發明IOT錨點采用的電源模塊部分的第一至第三電源電路原理圖。

如圖13所示，為第一電源電路原理圖，電源從J1接入，通過一個跨接在電源輸入端的防雷管（原理圖中未畫出，實際可直接外掛焊接）實現防雷功能。防雷管是氣體放電管，當雷電感應產生電壓超過一定額度（70V）時，防雷管可瞬間短路，將能量導入到地線，從而實現保護后級電路。

R1與D5組成過壓過流保護電路，可防止外部電源輸入故障造成的過壓或過流的影響。R1為PTC可恢復保險，D5為40V TVS二極管。

而后經過四個二極管（D1-D4）組成的整流橋電路，這個電路通過整流的方式，實現了對正負電源防反接，以及對交流電源的適應。

如圖14所示，為第二電源電路原理圖，C66為大電容，對輸入電源進行濾波。U9（XL1509）為一個標準的DC-DC電路，對輸入電源進行降壓，降為3.3V系統電壓。L6，C67，C68組成CLC濾波電路，對DC-DC輸出的電源進行進一步過濾，使得RF部分的信號靈敏度得以保障。

如圖15所示，為第三電源電路原理圖，L2電感實現對MCU主控電壓與RF射頻系統電壓的隔離，電容的選擇可進一步降低電源紋波，提高電源系統穩定性。

本實施例中780MHz LoRa擴頻通信PCB板載天線及868MHz FSK通信PCB板載天線布板總體布局圖如圖10所示：

1）PCB結構分布，電源部分盡量遠離射頻部分。

2）天線巴倫部分PCB板背面及正面均不敷銅接地，其他部分則大面積覆銅接地。

3）780MHz天線巴倫及868MHz天線巴倫位置關系呈現“90度正交”的分布狀態，以減少信號干擾現象。

圖11為本實施例PCB電路板形狀及元器件具體分布布局框圖。

本實施例的IOT錨點具有如下特點：

1）電源特性：防反接（反接一樣工作）防雷、防浪涌、防電源沖擊、寬電源輸入 5V~30VDC，適合在禽畜放養的野外室外環境下工作，安全直流電源輸入也可降低現場施工電源埋設的觸電風險，以及排除了在系統運行過程中禽畜破壞觸電的風險。

2）780MHz與868MHz的板載天線經過布局優化，極大降低了相互干擾，可實現收發并行工作。

、LoRa網關

LoRa網關：將錨點的數據匯聚在LoRa網關，并進一步向互聯網數據中心及應用服務器轉發，根據部署環境的差異，一個LoRa網關可覆蓋2-10公里范圍內的錨點。

、NS/AS中間件

NS/AS中間件：根據不同的應用平臺（應用平臺），進行數據處理（如定位算法等），并進行應用數據的協議轉換，從而推送給AS側。

本發明窄帶物聯網智慧IOT標簽數據采集及定位綜合管理系統的各部分參數具體如下：

錨點覆蓋范圍：＞100米

網關覆蓋范圍：2-10公里

網關可接入的錨點數：＞1000

錨點可接入的標簽數：＞2000(標簽的數據刷新頻率為1分鐘)。

以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的范圍時，均屬于本發明的保護范圍。