一种基于NB-IoT技术的低功耗智能物联网终端的制作方法

本实用新型涉及物流运输领域，尤其涉及一种基于NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄带物联网)技术的低功耗智能物联网终端。

背景技术：

随着无线通信技术的发展，物联网在人们的生活中越来越重要。物联网打破地域限制，实现物物之间按需进行的信息获取、传递、存储、融合、使用等服务的网络。当前的物联网常用的无线通信技术为GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)技术、LoRa技术和Sigfox技术。但是，GPRS技术最大的缺点是功耗较大、接入设备的数量有限，而且在长时间大规模使用过程中，所增加的设备成本不容忽视。虽然LoRa技术和Sigfox技术较为成熟，并且商用化较早，但是这两种物联网技术也存在两个不容忽视的问题：第一是这两种技术所使用的频段并未授权；第二是当大规模商用时，采用LoRa技术和Sigfox技术的设备成本较高。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型实施例期望提供一种基于NB-IoT技术的低功耗智能物联网终端，一方面基于NB-IoT优势，增强了连接能力，使得网络中接入的终端数量大幅增加；另一方面采用高性能的主MCU控制模块和低功耗的从MCU控制模块的搭配设计，进一步实现了整个智能物联网终端的低功耗，极大提升了电池的使用寿命，降低了成本。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种基于NB-IoT技术的低功耗智能物联网终端，所述智能物联网终端应用于物流运输中对被运输物品的智能监控，所述智能物联网终端包括：主MCU控制模块、从MCU控制模块、非实时监测模块、实时监测模块、通信模块及电源模块；非实时监测模块、通信模块、从MCU控制模块均与主MCU控制模块连接，实时监测模块与从MCU控制模块连接，电源模块则分别与主MCU控制模块、从MCU控制模块、非实时监测模块、实时监测模块、通信模块连接；其中，

所述非实时监测模块，用于采集被运输物品的非实时监测信息，并将所述非实时检测信息非实时传输给主MCU控制模块；

所述实时监测模块，用于采集被运输物品的实时监测信息，并将所述实时监测信息实时传输给从MCU控制模块；

所述从MCU控制模块，用于将实时获取的所述实时监测信息非实时传输给主MCU控制模块；其中，所述从MCU控制模块的功耗低于所述主MCU控制模块；

所述主MCU控制模块，用于将非实时获取的监测信息传输给所述通信模块；所述监测信息包括所述非实时监测信息和所述实时监测信息；

所述通信模块，用于将接收的所述监测信息通过基于NB-IoT技术的无线传输通道向外部网络传输并交互通信；

所述电源模块，用于为主MCU控制模块、从MCU控制模块、非实时监测模块、实时监测模块以及通信模块提供所需的供电电压。

上述方案中，所述智能物联网终端还包括开关机模块，所述开关机模块至少包括用于控制所述智能物联网终端开机和关机状态的开关机按键。

上述方案中，所述智能物联网终端还包括Micro USB标准充电接口，所述充电接口用于为所述电源模块提供输入电压。

上述方案中，所述主MCU控制模块内置的主MCU控制芯片采用型号为 STM32L151RCT6的MCU芯片。

上述方案中，所述从MCU控制模块内置的从MCU控制芯片采用型号为 STM32L031F6Px的MCU芯片。

上述方案中，所述通信模块为支持NB-IoT技术的通信模组。

上述方案中，所述电源模块至少包括电池、充电子单元和电源管理子单元；所述电池分别与所述充电子单元、所述电源管理子单元连接，所述充电子单元与所述电源管理子单元连接；其中，

所述充电子单元，用于对电池的充电管理，保证电池能够正常工作；

所述电源管理子单元，用于对电池的放电管理，以及将电池电压转换为各个功能模块需要的供电电压。

上述方案中，所述非实时监测模块包括温湿度传感器模块、定位模块和电量检测模块至少一个。

上述方案中，所述温湿度传感器模块至少包括用于非实时采集被运输物品周围环境温度信息和相对湿度信息的温湿度传感器芯片。

上述方案中，所述定位模块至少包括用于非实时获取被运输物品位置信息的支持GPS和北斗双模定位芯片。

上述方案中，所述电量检测模块用于非实时检测并显示所述电源模块内部电池的电量信息。

上述方案中，所述实时监测模块至少包括陀螺仪模块，所述陀螺仪模块至少包括用于实时采集被运输物品实时姿态信息的陀螺仪传感器。

上述方案中，所述智能物联网终端还包括使能控制模块，所述使能控制模块用于实现对各个功能模块的开启或者关闭。

上述方案中，所述智能物联网终端通过可拆卸安装方式安置于物流运输箱中；其中，所述物流运输箱为物流运输中放置被运输物品的箱体。

本实用新型实施例提供了一种基于NB-IoT技术的低功耗智能物联网终端，该智能物联网终端应用于物流运输中对被运输物品的智能监控，智能物联网终端包括：主MCU控制模块、从MCU控制模块、非实时监测模块、实时监测模块、通信模块及电源模块；非实时监测模块、通信模块、从MCU控制模块均与主MCU控制模块连接，实时监测模块与从MCU控制模块连接，电源模块则分别与主MCU控制模块、从MCU控制模块、非实时监测模块、实时监测模块、通信模块连接；通过利用NB-IoT技术进行监测信息的无线传输，增强了连接能力，使得网络中接入的终端数量大幅增加；同时采用双MCU设计，高性能的主MCU控制模块和低功耗的从MCU控制模块的合理搭配，可以进一步实现整个智能物联网终端的低功耗，极大提升了电池的使用寿命，降低了成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例智能物联网终端的应用场景示意图；

图2为本实用新型实施例智能物联网终端的组成结构示意图；

图3为本实用新型实施例智能物联网终端监测信息的流向示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)技术是物联网领域的新兴技术，成本和复杂度相对较低。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可以直接部署于GSM、UMTS或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级；其中，NB-IoT可采取带内部署、保护带部署以及独立载波部署等三种部署方式。与传统的GPRS技术有所不同，NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖的物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。虽然Sigfox技术和LoRa技术的产业链较为成熟，商业应用也较早，但是其最大的问题在于所使用的频段并未授权，在业界内并不被运营商和设备商看好；而且在未来大规模商用时，NB-IoT技术的成本极低，单个模块成本有望降低至1 美元左右，这是现有其他无线通信技术所无法比拟的。基于NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、智能路灯、智能停车、生态农业等。NB-IoT的部署日益增多，从而支撑了物联网在未来向更广阔的应用领域发展。

图1为本实用新型实施例智能物联网终端的应用场景示意图。参考图1，在该应用场景中包括：物流运输箱2、被运输物品3、NB-IoT基站4、NB-IoT 核心网络5以及云平台6。可以理解的，图1所示的应用场景并不对本实用新型实施例进行任何的限定。

在图1所示的应用场景中，被运输物品3放置于物流运输箱2中，在物流运输途中，对于被运输物品3的状态信息，比如被运输物品发生碰撞或者倾斜，物流工作人员不能进行有效的智能监控，也就无法保证整个运输过程中被运输物品的安全；因此，为了实现对物流运输中被运输物品的智能监控，本实用新型提供了一种基于NB-IoT技术的低功耗智能物联网终端1。

图2为本实用新型实施例智能物联网终端的组成结构示意图，该智能物联网终端1应用于物流运输中对被运输物品的智能监控，该智能物联网终端1包括：主MCU控制模块11、从MCU控制模块12、非实时监测模块13、实时监测模块14、通信模块15及电源模块16；非实时监测模块13、通信模块15、从 MCU控制模块12均与主MCU控制模块11连接，实时监测模块14与从MCU 控制模块12连接，电源模块16则分别与主MCU控制模块11、从MCU控制模块12、非实时监测模块13、实时监测模块14、通信模块15连接；其中，

所述非实时监测模块13，用于采集被运输物品的非实时监测信息，并将所述非实时检测信息非实时传输给主MCU控制模块11；

所述实时监测模块14，用于采集被运输物品的实时监测信息，并将所述实时监测信息实时传输给从MCU控制模块12；

所述从MCU控制模块12，用于将实时获取的所述实时监测信息非实时传输给主MCU控制模块11；其中，所述从MCU控制模块12的功耗低于所述主 MCU控制模块11；

所述主MCU控制模块11，用于将非实时获取的监测信息传输给所述通信模块15；所述监测信息包括所述非实时监测信息和所述实时监测信息；

所述通信模块15，用于将接收的所述监测信息通过基于NB-IoT技术的无线传输通道向外部网络传输并交互通信；

所述电源模块16，用于为主MCU控制模块11、从MCU控制模块12、非实时监测模块13、实时监测模块14以及通信模块15提供所需的供电电压。

进一步地，所述智能物联网终端1还具有控制自身开机和关机状态的特性，因此，所述智能物联网终端1还包括开关机模块17，所述开关机模块17至少包括开关机按键，所述开关机按键用于控制所述智能物联网终端1的开机和关机状态。

进一步地，所述智能物联网终端1还可以为电源模块16提供外部充电功能，因此，所述智能物联网终端1还配置有Micro USB标准充电接口18，所述充电接口18用于为电源模块16提供输入电压。一般来说，USB充电接口输出电压为5V。

对于图1所示的方案，由于主MCU控制模块11所需要的串口较多，而且与通信模块15的通信传输速度要快，性能要高，同时还需要具有时钟、ADC (Analog-to-Digital Converter，模数转换器)、使能等功能部件；基于此，主MCU 控制模块11内置的主MCU控制芯片111可以采用型号为STM32L151RCT6的 MCU芯片，该MCU芯片的主要特点是性能高、串口多、传输速度快，因而该 MCU芯片可以用于对被运输物品的温度信息、相对湿度信息、位置信息以及电量信息等非实时监测信息的采集与获取。

对于图1所示的方案，由于从MCU控制模块12主要用于实时获取所述实时监测模块14所传输的实时监测信息，对串口和传输速度的要求不高，基于此，从MCU控制模块12内置的从MCU控制芯片121可以采用型号为 STM32L031F6Px的MCU芯片，该MCU芯片更偏向于低功耗的应用场景，而且成本相对较低，因而该MCU芯片可以用于对被运输物品的实时监测信息的采集与获取，可以进一步降低智能物联网终端1的功耗。

对于图1所示的方案，所述通信模块15可以为支持NB-IoT技术的通信模组，所述通信模组利用NB-IoT技术，通过基于NB-IoT技术的无线传输通道与外部网络进行交互通信。本实用新型实施例中，所述智能物联网终端1通过自身的通信模块15将所接收的监测信息通过基于NB-IoT技术的无线传输通道传输给NB-IoT基站，然后由NB-IoT核心网络传输给云平台进行通信；其中，云平台可以将所接收的监测信息以可视化的形式进行展示，还可以根据接收的监测信息进行数据分析、生成对被运输物品的控制指令等处理，云平台还可以用于向用户提供查询物流运输信息服务、接收用户指定的控制指令等。

对于图1所示的方案，所述电源模块16至少包括：电池、充电子单元和电源管理子单元，用于对电池的充、放电管理以及为相关功能模块提供所需的供电电压；电池分别与充电子单元和电源管理子单元连接，充电子单元和电源管理子单元连接，其中，

充电子单元，用于对电池的充电管理，保证电池能够正常工作。本实用新型实施例中，电池可以采用锂电池，充电子单元至少包括充电芯片，所述充电芯片可以采用型号为BQ24090的充电芯片，充电子单元通过所述充电芯片可以将USB充电接口输出的5V电压转化为4.2V电压，进而对锂电池进行充电，避免锂电池电压过低而影响锂电池的使用寿命。

电源管理子单元，用于对电池的放电管理，以及将电池电压转换为各个功能模块所需的供电电压。本实用新型实施例中，电源管理子单元至少包括电源管理芯片，所述电源管理芯片可以采用型号为SP6203的芯片，电源管理子单元通过所述电源管理芯片可以将锂电池输出的4.2V电压转化为3.3V电压，通过锂电池的放电，进而为主MCU控制模块11、从MCU控制模块12及其他功能模块提供所需的供电电压。

需要说明的是，非实时监测，是指每间隔一段时间对被运输物品的数据进行数据采集，该采集具有间歇性，依据设置的间隔时间进行周期性或者非周期性的数据采集。所述非实时监测模块13可以包括温湿度传感器模块、定位模块和电量检测模块至少一个；其中，

所述温湿度传感器模块至少包括温湿度传感器，所述温湿度传感器用于非实时采集被运输物品周围环境的温度信息和相对湿度信息；本实用新型实施例中，温湿度传感器可以采用型号为SHT20的传感器；

所述定位模块至少包括定位芯片，所述定位芯片支持GPS和北斗双模定位功能，并根据外部天线所接收到的GPS和北斗定位卫星信号非实时获取被运输物品的位置信息；本实用新型实施例中，定位芯片可以采用型号为MXT2708 的双模定位芯片；

所述电量检测模块用于非实时检测并显示电源模块16内部电池的电量信息，所述电量信息由主MCU控制模块11对电池电压进行非实时采集并转换得到的。具体来说，当需要非实时检测电量信息时，通过主MCU控制模块11内部主MCU控制芯片111的ADC引脚将采集的电池电压信息上报给主MCU控制模块11，利用主MCU控制芯片111的ADC功能将电池电压信息转换为电量信息，然后由电量检测模块17进行读取并显示。通过所述电量检测模块17对所述电量信息的读取和显示，可以方便用户查看电源模块16的电量信息，便于后期用户对电池的充电、保养及维护工作。

需要说明的是，实时监测，是指对被运输物品的数据在其发生的实际时间进行数据采集，该采集不具有间歇性，需要一直执行数据采集。所述实时监测模块14至少包括陀螺仪模块，所述陀螺仪模块至少包括陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器用于实时采集被运输物品的实时姿态信息，所述实时姿态信息包括被运输物品的倾斜角度和加速度信息。本实用新型实施例中，陀螺仪传感器可以采用型号为MPU6500的传感器。

进一步地，为了实现所述智能物联网终端1在待机状态下的低功耗模式，所述智能物联网终端1还可以包括：使能控制模块19，所述使能控制模块19 通过对主MCU控制模块11内部主MCU控制芯片功能引脚的使能控制，可以实现各个功能模块的开启或者关闭。

图3为本实用新型实施例智能物联网终端监测信息的流向示意图。参见图 3，监测信息包括来源于非实时监测模块13的非实时监测信息和来源于实时监测模块14的实时监测信息；其中，实时监测模块14中，陀螺仪模块将所实时采集的实时姿态信息通过IIC总线实时传输给从MCU控制模块12，从MCU 控制模块12与主MCU控制模块11通过USART串口连接，从MCU控制模块 12再将所述实时姿态信息非实时传输给主MCU控制模块11；非实时监测模块13中，温湿度传感器模块将所非实时采集的温度信息和相对湿度信息通过IIC 总线非实时传输给主MCU控制模块11；定位模块将所非实时采集的位置信息通过USART串口非实时传输给主MCU控制模块11；电量监测模块133将所非实时获取的电量信息通过主MCU控制芯片的ADC引脚非实时传输给主 MCU控制模块11；然后主MCU控制模块11将所获取的所有监测信息通过 USART串口非实时传输给通信模块15，所述通信模块15通过基于NB-IoT技术的无线传输通道与云平台进行交互通信，比如OneNET云平台。

基于图1所示的应用场景，智能物联网终端1通过可拆卸方式安置于物流运输箱2中，比如物流运输箱2的内壁或者底部；在物流运输过程中，智能物联网终端1用于采集并获取被运输物品3的非实时监测信息和实时监测信息，然后利用智能物联网终端1内部的通信模块15所支持的NB-IoT通信技术，将智能物联网终端1所获取的相关监测信息通过基于NB-IoT技术的无线传输通道传输给NB-IoT基站4，然后由NB-IoT核心网络5传输给云平台6进行通信。当云平台6需要对智能物联网终端1下发控制指令信息时，云平台6通过NB-IoT 核心网络5传输给NB-IoT基站4，智能物联网终端1可以通过NB-IoT基站4 接收相应的控制指令信息。因此，当基于NB-IoT技术的无线传输通道建立后，可以实现智能物联网终端1与云平台6的交互通信，从而实现了在物流运输过程中对被运输物品的智能控制。

基于图1所示的应用场景，一方面，由于NB-IoT占用的带宽较窄，基于该技术的智能物联网终端1可以使用较高的发射增益发射信号，大幅提升了穿透能力，使得当智能物联网终端1安装于内壁较厚的物流运输箱2时，传输相关监测信息的成功率获得显著提升；另一方面，利用NB-IoT信号覆盖广特性， NB-IoT基站4的信号覆盖面积约为GSM网络单基站信号覆盖面积的10倍，可以减少在物联网系统中需要部署的基站数量；又一方面，NB-IoT技术还具有支持海量连接能力，在较窄的频带范围内，单个NB-IoT基站4可以允许连接10 万个智能物联网终端1，大大提高了NB-IoT基站4的接入数量；再一方面，基于NB-IoT低成本特性，可以降低智能物联网终端1的设备成本；同时由于NB-IoT自身的低功耗，还可以使得智能物联网终端1的电池寿命得到提升，延长智能物联网终端1的续航时间。

在实际应用中，被运输物品的温度信息、相对湿度信息、位置信息以及电量信息并不需要实时采集，对主MCU控制模块性能影响低，而且涉及的串口较多，因而将非实时监测模块13直接连接在高性能的主MCU控制模块11上；而实时监测模块需要实时采集被运输物品的实时监测信息，比如查看被运输物品在运输过程中可能出现的碰撞或者倾斜情况，以保证整个物流运输过程中被运输物品的安全，为了降低功耗以及减轻对主MCU控制模块性能的影响，因而实时监测模块14连接在低功耗的从MCU控制模块12上；通过高性能的主 MCU控制模块和低功耗的从MCU控制模块搭配使用，这对降低整个智能物联网终端的功耗有着显著作用。例如，经过实际测试，当在相同的工作电压下， MCU以524kHz时钟频率进行采集并处理陀螺仪的实时姿态信息时，使用从 MCU控制芯片STM32L031F6Px的工作电流约为89.93uA，而使用主MCU控制芯片STM32L151RCT6的工作电流约为127.41uA；与使用主MCU控制芯片 STM32L151RCT6相比，使用从MCU控制芯片STM32L031F6Px的功耗可以降低约29.4％。降低整个智能物联网终端的功耗，这对未来的大规模商用中提升电池的使用寿命、延长智能物流终端的续航时间、以及降低成本有着至关重要的作用。

在本实用新型实施例中，通过利用NB-IoT技术进行监测信息的无线传输，增强了连接能力，使得网络中接入的终端数量大幅增加；同时采用双MCU设计，高性能的主MCU控制模块和低功耗的从MCU控制模块的合理搭配，可以进一步实现整个智能物联网终端的低功耗，极大提升了电池的使用寿命，降低了成本。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。