窄带物联网智慧IOT标签数据采集及定位综合管理系统的制作方法

本发明涉及一种窄带物联网智慧IOT标签数据采集及定位综合管理系统。

背景技术：

目前，广为使用的射频标签（RFID）分为有源和无源两种方式，无源RFID必须近距离才能被感应和读取信息（如门卡、公交卡、饭卡等，通常有效感应距离为1cm-10cm），有源RFID因为内嵌电池，可以使用较高功率主动发送无线信号，所以传输距离可达几十米。然后，无论使用哪种方式，RFID射频标签均具有2个缺点：1）感应范围具有极强的方向性，即必须在读卡器的感应角度内才能读取RFID卡信息；2）只能存储和读取信息。在某些应用场景下，还需要对携带（穿戴、佩戴）标签卡的目标进行“区域定位”以及态势、姿态的感测，因此，当前的RFID射频标签卡并不能很好的满足要求。

此外，数据采集的传输和接入，目前普遍使用WiFi、蓝牙、zigbee、GPRS等无线系统，WiFi、蓝牙、zigbee是短距离无线传输技术，传输距离最大为100米，不利于大范围部署。而GPRS可以在具有GSM网络信号覆盖的地点部署，具有广域性，但是其成本大，功耗高，不利于多点部署。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种窄带物联网智慧IOT标签数据采集及定位综合管理系统，通过该系统，可进行对目标物体的区域定位与数据采集功能，具有标签感测距离远、可并发的标签数量大、网关覆盖范围广、系统部署简便、具有统一的SDK接口等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种窄带物联网智慧IOT标签数据采集及定位综合管理系统，包括智慧IOT标签、IOT锚点装置、LoRa网关、NS/AS中间件；

所述智慧IOT标签配设于目标上，用于采集目标数据，并主动将采集数据发送给IOT锚点装置；

所述IOT锚点装置固定设置，用于接收智慧IOT标签发送的数据，并将收集的数据压缩、整理、融合后通过LoRa扩频调制技术相LoRa网关上报；

所述LoRa网关汇聚锚点数据，并通过互联网，转发给NS/AS中间件；

所述NS/AS中间件根据应用平台的不同，通过数据处理，以及应用数据的协议转换，推送给相应的AS侧。

在本发明一实施例中， 所述智慧IOT标签包括用于监测畜禽动物运动及追踪其位置的动物穿戴式IOT标签、用于对病人进行定位和基本生命体征采集的手环IOT标签、用于对建筑工地的工人进行考勤管理并嵌入在安全帽头上的考勤IOT标签、用于对消防队员所处环境及所携带的装备进行状态检测的传感IOT标签。

在本发明一实施例中，所述智慧IOT标签包括圆形PCB电路板及设置于该圆形PCB电路板上的微功耗MCU模块及与所述微功耗MCU模块连接的无线发送模块、加速度传感器模块，还包括一用于为整个装置供电的电源模块；所述圆形PCB电路板包括位于内部的圆形覆铜区、与圆形覆铜区相接的环形非覆铜区；所述微功耗MCU模块的元器件、无线发送模块的元器件、加速度传感器模块的元器件均设置于所述圆形覆铜区正面；所述环形非覆铜区正面还设置有一与所述无线发送模块连接的环形PCB天线；所述电源模块包括一圆形纽扣电池，该纽扣电池设置于所述圆形覆铜区背面。

在本发明一实施例中，所述圆形覆铜区除设置微功耗MCU模块的元器件、无线发送模块的元器件、加速度传感器模块的元器件及电源模块的元器件位置的区域外均大面积覆铜接地。

在本发明一实施例中，所述无线发送模块包括FSK芯片发射模块及与该FSK芯片发射模块链接的868MHz FSK 射频链路。

在本发明一实施例中，所述IOT锚点装置包括PCB电路板及设置于该PCB电路板上的用于为整个装置供电的电源模块、FSK通信接收模块、LoRa通信发送模块，所述FSK通信接收模块、LoRa通信发送模块分别内置第一MCU芯片、第二MCU芯片；所述PCB电路板上还设置有分别与所述FSK通信接收模块、LoRa通信发送模块连接的868MHz PCB天线、780MHz PCB天线，且所述868MHz PCB天线与780MHz PCB天线在PCB电路板上成90度正交分布。

在本发明一实施例中，所述PCB电路板上，电源模块的设置位置远离所述FSK通信接收模块、LoRa通信发送模块，且868MHz PCB天线与780MHz PCB天线部分不覆铜接地，其余部分大面积覆铜接地。

在本发明一实施例中，水平放置PCB电路板，则所述780MHz PCB天线位于PCB电路板的正前侧，所述868MHz PCB天线位于PCB电路板的正右侧。

在本发明一实施例中，所述FSK通信接收模块与868MHz PCB天线之间还连接有一868MHz 滤波器。

在本发明一实施例中，所述电源模块包括第一至第三电源电路；所述第一电源电路用于实现电源的接入及整流保护作用；所述第二电源电路用于实现对第一电源电路输入电源的滤波及电源电压的降压作用；所述第三电源电路用于实现对第二电源电路输入电源的进一步滤波及电压的隔离作用；所述第一电源电路包括电源输入接口、跨接在电源输入接口的防雷管、PTC可恢复保险、TVS二极管、第一至第四二极管，所述PTC可恢复保险、TVS二极管组成过压过流保护电路，所述第一至第四二极管组成整流桥电路，外接电源经电源输入接口、防雷管、过压过流保护电路、整流桥电路输出至第二电源电路；所述第二电源电路包括用于对第一电源电路输入电源进行滤波的大电容、对经大电容滤波的电源进行降压的XL1509芯片、以及对XL1509芯片输出电源进行进一步滤波的CLC滤波电路，经CLC滤波电路滤波的电源输出至第三电源电路。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明标签感测距离远、可并发的标签数量大、网关覆盖范围广、系统部署简便、具有统一的SDK接口等优点。

附图说明

图1为本发明系统框图。

图2为本发明系统采用的智慧IOT标签PCB板载天线布板总体布局图。

图3为本发明系统一实施例的智慧IOT标签PCB板形状及元器件分布布局图框图。

图4为本发明系统采用的智慧IOT标签的硬件系统框图。

图5为本发明智慧IOT标签的电源模块电路原理图。

图6为本发明智慧IOT标签的FSK芯片发射模块电路原理图。

图7为本发明智慧IOT标签的868MHz FSK 射频链路电路原理图。

图8为本发明智慧IOT标签的微功耗MCU模块电路原理图。

图9为本发明智慧IOT标签的加速度传感器模块电路原理图。

图10为本发明系统采用的IOT锚点的PCB电路板板载天线总体布局图。

图11为本发明系统一实施例的采用的IOT锚点的PCB电路板形状及元器件分布布局框图。

图12为本发明IOT锚点的硬件系统框图。

图13为本发明IOT锚点的第一电源电路原理图。

图14为本发明IOT锚点的第二电源电路原理图。

图15为本发明IOT锚点的第三电源电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种窄带物联网智慧IOT标签数据采集及定位综合管理系统，包括智慧IOT标签、IOT锚点装置、LoRa网关、NS/AS中间件；

所述智慧IOT标签配设于目标上，用于采集目标数据，并主动将采集数据发送给IOT锚点装置；

所述IOT锚点装置固定设置，用于接收智慧IOT标签发送的数据，并将收集的数据压缩、整理、融合后通过LoRa扩频调制技术相LoRa网关上报；

所述LoRa网关汇聚锚点数据，并通过互联网，转发给NS/AS中间件；

所述NS/AS中间件根据应用平台的不同，通过数据处理，以及应用数据的协议转换，推送给相应的AS侧。

所述智慧IOT标签包括用于监测畜禽动物运动及追踪其位置的动物穿戴式IOT标签、用于对病人进行定位和基本生命体征采集的手环IOT标签、用于对建筑工地的工人进行考勤管理并嵌入在安全帽头上的考勤IOT标签、用于对消防队员所处环境及所携带的装备进行状态检测的传感IOT标签。

所述智慧IOT标签包括圆形PCB电路板及设置于该圆形PCB电路板上的微功耗MCU模块及与所述微功耗MCU模块连接的无线发送模块、加速度传感器模块，还包括一用于为整个装置供电的电源模块；所述圆形PCB电路板包括位于内部的圆形覆铜区、与圆形覆铜区相接的环形非覆铜区；所述微功耗MCU模块的元器件、无线发送模块的元器件、加速度传感器模块的元器件均设置于所述圆形覆铜区正面；所述环形非覆铜区正面还设置有一与所述无线发送模块连接的环形PCB天线；所述电源模块包括一圆形纽扣电池，该纽扣电池设置于所述圆形覆铜区背面。所述圆形覆铜区除设置微功耗MCU模块的元器件、无线发送模块的元器件、加速度传感器模块的元器件及电源模块的元器件位置的区域外均大面积覆铜接地。所述微功耗MCU模块可采用EFM8BB10F8G等芯片，所述无线发送模块包括FSK芯片发射模块及与该FSK芯片发射模块链接的868MHz FSK 射频链路，所述FSK芯片发射模块可采用SX1243等芯片，所述加速度传感器模块可采用MC3630等芯片。

所述IOT锚点装置包括PCB电路板及设置于该PCB电路板上的用于为整个装置供电的电源模块、FSK通信接收模块、LoRa通信发送模块，所述FSK通信接收模块、LoRa通信发送模块分别内置第一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电路板上还设置有分别与所述FSK通信接收模块、LoRa通信发送模块连接的868MHz PCB天线、780MHz PCB天线，且所述868MHz PCB天线与780MHz PCB天线在PCB电路板上成90度正交分布。所述PCB电路板上，电源模块的设置位置远离所述FSK通信接收模块、LoRa通信发送模块，且868MHz PCB天线与780MHz PCB天线部分不覆铜接地，其余部分大面积覆铜接地。水平放置PCB电路板，则所述780MHz PCB天线位于PCB电路板的正前侧，所述868MHz PCB天线位于PCB电路板的正右侧。

所述FSK通信接收模块与868MHz PCB天线之间还连接有一868MHz 滤波器。

所述电源模块包括第一至第三电源电路；所述第一电源电路用于实现电源的接入及整流保护作用；所述第二电源电路用于实现对第一电源电路输入电源的滤波及电源电压的降压作用；所述第三电源电路用于实现对第二电源电路输入电源的进一步滤波及电压的隔离作用；所述第一电源电路包括电源输入接口、跨接在电源输入接口的防雷管、PTC可恢复保险、TVS二极管、第一至第四二极管，所述PTC可恢复保险、TVS二极管组成过压过流保护电路，所述第一至第四二极管组成整流桥电路，外接电源经电源输入接口、防雷管、过压过流保护电路、整流桥电路输出至第二电源电路；所述第二电源电路包括用于对第一电源电路输入电源进行滤波的大电容、对经大电容滤波的电源进行降压的XL1509芯片、以及对XL1509芯片输出电源进行进一步滤波的CLC滤波电路，经CLC滤波电路滤波的电源输出至第三电源电路。

以下为本发明的具体实现过程。

本发明所提出的新型体系结构如图1所示，主要由4个部分组成：智慧IOT标签、IOT锚点、LoRa网关、NS/AS中间件；其中：

1、智慧IOT标签

智慧IOT标签：采用有源的方式，根据目标应用，跟目标系统高度融合，形态各异，具有超低功耗、较远通信距离、抗干扰能力强等特点，如监测畜禽动物运动及追踪其位置的动物穿戴式的智慧IOT标签；对病人进行定位和基本生命体征进行采集的手环IOT标签；对建筑工地的工人进行考勤管理，并嵌入在安全帽头上的考勤IOT标签；对消防队员所处环境及所携带的装备进行状态检测的传感IOT标签等。IOT标签主动将数据发送给周围的IOT锚点；具体的参见图2-9。

本实施例的智慧IOT标签其硬件系统框架图如4所示，主要由4个部分组成：电源模块、无线发送模块、微功耗MCU模块、加速度传感器模块。电源模块采用纽扣电池供电，无线发送使用FSK调制方式单向发送无线信号，主控MCU模块则实现驱动及其业务逻辑的控制，加速度传感器实现对目标的加速度值采样和处理。

如图5所示，为本实施例采用的电源模块的电路原理图，其工作原理为通过纽扣电池B1经过一个大电容（C16，47uF）滤波后给系统供电，大电容也可以降低无线发送信号时的瞬间大电流对电池的冲击和损伤。

如图6、7所示，分别为本实施例采用的FSK无线芯片发射模块的电路原理图及868MHz FSK调试PCB天线射频链路原理图，其中SX1243的第1、2、6引脚与主控MCU连接，实现FSK的频点、发送功率等工作方式配置和无线数据的发送；4脚接外部无源晶振；8脚与外部射频链路和天线连接。射频链路的工作原理为：通过电容（C8、C15）和电感（L1）构成的滤波网络，给功放PA供电；中间的电容（C7、C10、C11、C12）与电感（L2、L3）构成的网络实现PA匹配及其滤波功能；后端的电容（C13）和电感（L4、L5）实现天线匹配，本实施例采用单极子天线+L型匹配方式。

如图8所示，为本实施例采用的微功耗MCU模块的电路原理图，第1、2、19、20引脚为SPI通讯连接线引脚，用于与加速度传感器进行连接；第5、6引脚为编程和调试接口；7~11引脚暂未使用，悬空；13~15脚与SX1243连接，实现对通信逻辑的控制；16脚与加速度传感器的中断输出引脚相连，实现中断唤醒。17~18引脚为主控芯片的串口连接，引出，可用于配合测试及扩展使用。

如图9所示，为本实施例采用的加速度传感器模块的电路原理图，MC3630的第1、2、10、12引脚为自带的SPI通信功能引脚，用于与MCU主控连接；第5脚为中断输出引脚，连接至MCU的IO口，实现加速度传感器的中断触发和MCU唤醒。

本实施例的微功耗有源智慧IOT电子标签装置，具体应用于868MHz FSK通信，其PCB电路板布局方式如图2所示：

1）图中为PCB结构及元器件在电路板的正面分布，背面不安排任何元器件，纽扣电池焊接在电路板的背面，纽扣电池为圆形。

2）天线巴伦部分的PCB板背面及正面均不覆铜接地，其他部分则大面积覆铜接地。

3）868MHz FSK天线采用环形PCB结构，在终点不闭合。

图3为本实施例智慧IOT标签采用的具体PCB板形状及元器件分布布局图框图。

、IOT锚点

IOT锚点：采用FSK/LoRa双模结构，双天线设计，收集IOT标签的数据并负责压缩、整理、数据融合，并向使用LoRa扩频调制技术向LoRa网关上报数据；具体的参见图10-15。

本实施例的IOT锚点硬件系统如图12所示，主要分为3个组成部分：电源模块部分、LoRa通信发送模组部分、FSK通信接收模组部分。电源系统允许5V-30VDC宽电压范围进行系统供电，并具有防反接（反接也可正常工作）、防雷、防浪涌、防电源冲击的优点；LoRa通信发送模组实现串口接收数据并通过LoRa通信方式以及LoRa扩频通信调制方式将数据发送至LoRa网关，该发送模组工作在780MHz频点；FSK通信接收模组实现通过FSK调制方式，具有抗干扰能力强，通信距离远等优点，接收禽畜穿戴设备（节点）的运动数据及其RSSI信号强度，具有并发量大、通信距离远的优点。

如图13-15所示，为本发明IOT锚点采用的电源模块部分的第一至第三电源电路原理图。

如图13所示，为第一电源电路原理图，电源从J1接入，通过一个跨接在电源输入端的防雷管（原理图中未画出，实际可直接外挂焊接）实现防雷功能。防雷管是气体放电管，当雷电感应产生电压超过一定额度（70V）时，防雷管可瞬间短路，将能量导入到地线，从而实现保护后级电路。

R1与D5组成过压过流保护电路，可防止外部电源输入故障造成的过压或过流的影响。R1为PTC可恢复保险，D5为40V TVS二极管。

而后经过四个二极管（D1-D4）组成的整流桥电路，这个电路通过整流的方式，实现了对正负电源防反接，以及对交流电源的适应。

如图14所示，为第二电源电路原理图，C66为大电容，对输入电源进行滤波。U9（XL1509）为一个标准的DC-DC电路，对输入电源进行降压，降为3.3V系统电压。L6，C67，C68组成CLC滤波电路，对DC-DC输出的电源进行进一步过滤，使得RF部分的信号灵敏度得以保障。

如图15所示，为第三电源电路原理图，L2电感实现对MCU主控电压与RF射频系统电压的隔离，电容的选择可进一步降低电源纹波，提高电源系统稳定性。

本实施例中780MHz LoRa扩频通信PCB板载天线及868MHz FSK通信PCB板载天线布板总体布局图如图10所示：

1）PCB结构分布，电源部分尽量远离射频部分。

2）天线巴伦部分PCB板背面及正面均不敷铜接地，其他部分则大面积覆铜接地。

3）780MHz天线巴伦及868MHz天线巴伦位置关系呈现“90度正交”的分布状态，以减少信号干扰现象。

图11为本实施例PCB电路板形状及元器件具体分布布局框图。

本实施例的IOT锚点具有如下特点：

1）电源特性：防反接（反接一样工作）防雷、防浪涌、防电源冲击、宽电源输入 5V~30VDC，适合在禽畜放养的野外室外环境下工作，安全直流电源输入也可降低现场施工电源埋设的触电风险，以及排除了在系统运行过程中禽畜破坏触电的风险。

2）780MHz与868MHz的板载天线经过布局优化，极大降低了相互干扰，可实现收发并行工作。

、LoRa网关

LoRa网关：将锚点的数据汇聚在LoRa网关，并进一步向互联网数据中心及应用服务器转发，根据部署环境的差异，一个LoRa网关可覆盖2-10公里范围内的锚点。

、NS/AS中间件

NS/AS中间件：根据不同的应用平台（应用平台），进行数据处理（如定位算法等），并进行应用数据的协议转换，从而推送给AS侧。

本发明窄带物联网智慧IOT标签数据采集及定位综合管理系统的各部分参数具体如下：

锚点覆盖范围：＞100米

网关覆盖范围：2-10公里

网关可接入的锚点数：＞1000

锚点可接入的标签数：＞2000(标签的数据刷新频率为1分钟)。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。