一种基于LoRa的草原牛行为特征数据的采集项圈的制作方法

本实用新型涉及草原牛的监测设备技术领域，尤其涉及一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈。

背景技术：

gonzález等通过嵌入牛项圈中的加速度计和gps传感器采集的数据，成功区分了牛觅食、反刍、行走、休息和其他活动行为(包括刮擦物体，头部摇晃等)。研究中使用的是wark等实用新型的项圈，项圈通信采用的是nordicnrf903无线电收发器，不足之处是通信距离受到限制。同时项圈功耗较高，4节d系列电池(澳大利亚金霸王)供电用于实验仅可以工作12-14天。jurdak等设计的用于监测狐蝠活动的项圈，具有体积小、质量轻的优点，被rahman等用于安装在牛的耳标和牛笼头上，通过传感器获取牛的行为特征数据，并使用机器学习算法进行行为分类。项圈通信选用的是cc1101无线收发器，这是一款微功耗的无线通信模块，用于飞狐活动监测很好的满足了低功耗的要求，但是如果用于草原牛的行为监测，通信距离不能达到应用的要求，官方数据中cc1101模块的空旷环境通信距离只有300-500m。

目前还有的项圈包括gps模块、存储模块、电源模块以及通信模块，gprs通信模块采用stm900a芯片，工作频段900/1800mhz，通过gprs移动网络与远程数据中心和放牧人员手机实现信息传输。但是大部分草原都是无线公网(2g/3g/4g)覆盖差的地方，或者是信号盲区，使用gprs技术会出现数据无法传输或者数据传输需要等待较长时间的问题。同时，由于项圈电池容量有限，但是gprs模块功耗却很高，所以很难保证项圈长时间稳定工作。

商业可用的gps跟踪牛的项圈成本过高，如现在市场上可售的lotek3300定位项圈大约2000美元。为了降低成本，knight等开发了更加便宜的igotugt-120跟踪项圈，项圈的成本大约200美元。虽然项圈成本得到了控制，但是并没有改变定位数据需要离线采集的方式，不能做到在线监测牛的位置。

而草原的温度、湿度、压力也是复杂多变的，所以需要一种功耗低、可稳定工作时间长、满足草原环境长距离通信要求、草原复杂多变的环境要求的一种数据采集设备。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的功耗高、稳定工作时间短、通信距离不够长的问题，本实用新型提供了一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈。

一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈，包括皮带、项圈扣、电池盒、主控板盒及固定片，所述皮带围成一个圈，接头处通过所述项圈扣活动连接，所述主控板盒通过所述固定片固定在皮带接头的一侧，所述电池盒通过所述固定片固定在所述主控板盒的对称位置，所述主控板盒包括微控制器、gps模块、加速度传感器模块、射频模块和电源管理模块，所述微控制器分别与所述gps模块、所述加速度传感器模块、所述射频模块、电源管理模块双向连接。

在本实用新型一优选实施例中，所述微控制器为基于cartex-m3内核的超低功耗32位微控制器stm32l151cbt6，具有128kb的闪存，16kb的静态随机存取存储器，4kb的电可擦可编程只读存储器，具有3个可用的uart串口，和2个spi接口。它提供了7种低功耗模式，用于实现低功耗和高性能间的最佳折中。

在本实用新型一优选实施例中，所述gps模块集成了15.0mm*15.0mm*4.0mm的贴片天线，还设有一个uart串口，波特率范围为4800bps至115200bps，通过uart串口与微控制器的uart串口连接。

在本实用新型一优选实施例中，所述加速度传感器模块采用st公司生产的mems加速度计芯片lis3dh，具有x、y、z三自由度加速度数字输出，使用两个8位寄存器来存储x、y、z三个轴的当前读数。

在本实用新型一优选实施例中，所述加速度芯片有处理常见应用场景的内置算法，还可以通过spi/i2c等接口读取底层加速度数据并执行进一步的数据处理，使用i2c接口与微控制器连接，超低功耗模式下消耗电流为2μa。

在本实用新型一优选实施例中，所述射频模块采用半双工传输的无线射频芯片sx1278，支持lora调制方式，通过匹配网络最大输出功率为20dbm，还设有spi接口，通过所述spi接口与微控制器连接。

在本实用新型一优选实施例中，所述电池盒内设有er34615型号的锂亚硫酰氯电池。

在本实用新型一优选实施例中，所述锂亚硫酰氯电池标准电压为3.6v，容量为20000mah，电池的直径为34.2mm，高度为61.5mm，重量为103g，最大允许持续放电电流150ma，最大脉冲电流300ma，工作温度范围-55～+85℃。

在本实用新型一优选实施例中，所述项圈的重量不高于0.4kg。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)采用基于cartex-m3内核的超低功耗32位微控制器stm32l151cbt6作为微处理器，具有7种低功耗模式，可以实现低功耗和高性能之间的最佳折中，减少了维护次数，维护成本；

(2)采用集成了15.0mm*15.0mm*4.0mm的贴片天线的l80-rgps模块作为gps模块，尺寸极小，功耗超低，可以快速捕捉、跟踪和定位；

(3)采用st公司生产的mems加速度计芯片lis3dh作为加速度传感器模块，可以输出x、y、z三自由度的数据，而且采用两个8位寄存器来存储各轴的当前读数，精确度很高，可以清楚感知草原牛的动作信息；

(4)采用半双工传输的无线射频芯片sx1278作为射频模块，支持lora调制方式，支持远距离低功耗传输，通过匹配网络最大输出功率为20dbm，功耗低，非常适合草原长距离通信，以及低功耗的要求；

(5)采用er34615型号的锂亚硫酰氯(li-socl2)电池，具有很高的体积能效比，工作温度范围为-55～+85℃，适应草原的恶劣环境，而且体积小、重量轻、容量大，减少了维护次数，减少了维护成本。

附图说明

图1是本实用新型一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈一优选实施例的结构示意图；

图2是本实用新型一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈一优选实施例的逻辑架构示意图；

图3是本实用新型一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈一优选实施例中微控制器的电路原理图；

图4是本实用新型一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈一优选实施例中gps模块电路原理图；

图5是本实用新型一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈一优选实施例中加速度传感器模块的电路原理图；

图6是本实用新型一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈一优选实施例中电源管理模块电路原理图；

图中：1-皮带；2-项圈扣；3-电池盒；4-主控板盒；5-固定片；51-螺钉。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参看图1，是本实用新型一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈一优选实施例的结构示意图，一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈，包括皮带1、项圈扣2、电池盒3、主控板盒4及固定片5，所述皮带1围成一个圈，接头处通过所述项圈扣2活动连接，所述主控板盒4通过所述固定片5和螺钉51固定在皮带1接头的一侧，所述电池盒3通过所述固定片5和螺钉51固定在所述主控板盒4的对称位置。由于电池盒3的重量比主控板盒4重量大得多，所以可以确保主控板盒4始终在上方，具有较好的信号质量。

在本实施例中，所述项圈的重量不高于0.4kg这样项圈不会对放牧牛的行为产生影响，且也不需要一个适应期来习惯佩戴该装置。

在本实施例中，所述主控板盒4包括微控制器、gps模块、加速度传感器模块、射频模块和电源管理模块，请参看图2，是本实用新型一种基于lora的草原牛行为特征数据的采集项圈一优选实施例的逻辑架构示意图，所述微控制器分别与所述gps模块、所述加速度传感器模块、所述射频模块、所述电源管理模块双向连接。

在本实施例中，所述微控制器为基于cartex-m3内核的超低功耗32位微控制器stm32l151cbt6，具有128kb的闪存，16kb的静态随机存取存储器，4kb的电可擦可编程只读存储器，具有3个可用的uart串口，和2个spi接口。它提供了7种低功耗模式，用于实现低功耗和高性能间的最佳折中。图3为所述微控制器的电路原理图。

在本实施例中，所述gps模块集成了15.0mm*15.0mm*4.0mm的贴片天线的l80-rgps模块，是超紧凑型gps模块，其设计非常适合微型设备，具有极小尺寸，超低功耗，快速捕捉、跟踪和定位的优势。还设有一个uart串口，波特率范围为4800bps至115200bps，通过uart串口与微控制器的uart串口连接，图4为gps模块电路原理图。

在本实施例中，所述加速度传感器模块采用st公司生产的mems加速度计芯片lis3dh，具有x、y、z三自由度加速度数字输出，使用两个8位寄存器来存储x、y、z三个轴的当前读数，可以更精确地感知草原牛的运动信息，图5为加速度传感器模块的电路原理图。

在本实施例中，所述加速度芯片有处理常见应用场景的内置算法，还可以通过spi/i2c等接口读取底层加速度数据并执行进一步的数据处理，使用i2c接口与微控制器连接，超低功耗模式下消耗电流为2μa，在正常运行中功耗为15μa。

在本实施例中，所述射频模块采用半双工传输的无线射频芯片sx1278，支持lora调制方式，支持远距离低功耗传输，通过匹配网络最大输出功率为20dbm，功耗低，还设有spi接口，通过所述spi接口与微控制器连接。

在本实施例中，电源管理模块包括mic5219线性稳压器和tps27082lddc负载开关。图6是电源管理模块电路原理图。

进一步的，在本实施例中，mic5219线性稳压器是一款高效的线性稳压器，具有500ma的峰值输出，固定输出电压标称值3.3v。电压输入引脚为电池电压3.6v，电压输出引脚为固定的3.3v，实现了将3.6v降压稳压到3.3v。

进一步的，在本实施例中，tps27082lddc负载开关来控制gps电源的通断，进而来控制gps的工作周期以降低整个项圈的功耗，提高电池使用寿命。tps27082lddc采用纤巧的tsot-23封装。在关断状态下电流泄漏也非常小。进一步优化了系统的功率效率。

在本实施例中，所述电池盒3内设有er34615型号的锂亚硫酰氯电池。请参看图6，j2为电池电线的接口。

进一步的，在本实施例中，er34615型号的锂亚硫酰氯电池放置在电池盒3内，通过电线连接到主控板4，与主控板4的电源接口j2连接。

在本实施例中，所述锂亚硫酰氯电池标准电压为3.6v，容量为20000mah，电池的直径为34.2mm，高度为61.5mm，重量为103g，最大允许持续放电电流150ma，最大脉冲电流300ma，工作温度范围-55～+85℃。

本申请采用基于cartex-m3内核的超低功耗32位微控制器stm32l151cbt6作为微处理器，具有7种低功耗模式，可以实现低功耗和高性能之间的最佳折中，减少了维护次数，维护成本；采用集成了15.0mm*15.0mm*4.0mm的贴片天线的l80-rgps模块作为gps模块，尺寸极小，功耗超低，可以快速捕捉、跟踪和定位；采用st公司生产的mems加速度计芯片lis3dh作为加速度传感器模块，可以输出x、y、z三自由度的数据，而且采用两个8位寄存器来访问轴的当前读数，精确度很高，可以清楚感知草原牛的动作信息；采用半双工传输的无线射频芯片sx1278作为射频模块，支持lora调制方式，支持远距离低功耗传输，通过匹配网络最大输出功率为20dbm，功耗低，非常适合草原长距离通信，以及低功耗的要求；采用er34615型号的锂亚硫酰氯(li-socl2)电池，具有很高的体积能效比，工作温度范围为-55～+85℃，适应草原的恶劣环境，而且体积小、重量轻、容量大，减少了维护次数，减少了维护成本。

上述说明示出并描述了本实用新型的优选实施例，如前所述，应当理解本实用新型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，并能够在本文所述实用新型构想范围内，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实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。