一种微型化、低功耗、长寿命资产追踪终端的制作方法

本实用新型属于电子技术领域，尤其涉及一种微型化、低功耗、长寿命资产追踪终端。

背景技术：

目前，我国军需物资多存放于野外，并采用传统GPS传感终端进行定位。然而，传统GPS传感终端通常采用普通非充电电池供电，因此，一方面由于没有持续能源供应，往往容易导致物资管控中断，为管理带来不便；另一方面，当需要长时间(如3年)供电时，必须携带大容量电池，有时甚至需要几公斤电池，导致终端体积较大，而且传统GPS传感终端的体积未经过优化设计，所以容易被敌对分子发现破坏。

国际上对资产追踪设备的研究多集中于小体积和长寿命方面，有多国的研究人员进行了尝试。欧洲微电子研究中心(IMEC)研究人员设计了三层PCB 叠装的方案，将追踪设备体积缩小到2×2×2cm³，然而该结构由于采用了压电捕获能源模式，能量密度低，只能供应数小时的能量。在长寿命技术研究方面，飞思卡尔在低功耗技术上开始了探索，上海慕尼黑电子展上推出了ARM Powered微控制器Kinetis KL02，具有高速MCU唤醒、处理和返回睡眠模式配置，以及灵活的低功耗模式和外设，可以用最小的电力预算实现最大的系统寿命。将该芯片运用于追踪设备后，尽管可以降低单个装置的功耗，但未考虑整个设备的能耗。

国内主要从事资产追踪设备及数据采集系统长寿命和低功耗技术研究的有南京邮电大学计算机学院宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室、同济大学、重庆邮电学院、中南大学信息与科学技术学院等，主要侧重于网络通讯机制优化、降耗等方面的研究。南京邮电大学陈正宇，重庆邮电学院杨翰超，中南大学信息与科学技术学院谭长庚等人对网络睡眠机制开展了研究，主要目标是希望通过网络优化降低节点能量损耗。另外中科院电工所、半导体所、广州能源所对能源微型化技术开展了理论探索，中科院电工所侧重于光伏微能源研究，2006年研制出包含能量转换系统、储能系统和能源管理系统的光伏微能源系统，该系统与无线传感器网络节点集成的自治微系统实现了能量的智能存储、能源的自动切换、稳定的电压输出，无需维护，然而调研未见相关性能结果报道，也未见微能源体积有关数据。中科院广州能源所学术带头人徐进良博士2006年研制出能量密度高、供能时间长、重量轻的微尺度燃烧及微燃烧透平发电微能源系统样机。同济大学黄晓生开展GPS 实时货物跟踪系统的设计研究(华东交通大学学报，22(1)(2005)P49)，根据我国第三方物流企业的特点,利用GPS全球卫星定位系统、GIS地理信息系统和GSM短信服务系统,设计和实现了一个基于GPS的实时货物跟踪系统。利用该系统，客户可以通过Internet实时查询货物当前的位置、状态、估计到达时间等信息，企业则可以对其移动的车船进行实时监控、调度、导航、接警等处理。然而，该方案不能进行三维定位，也未提及终端体积和功耗及寿命参数要求。

此外，专利号为CN201320522364.7的实用新型专利公开了“一种用于空降物资的定位追踪装置”，所述定位追踪装置主要适用于空投物资定位，其绑定在需空投的物资上，包括定位天线、定位装置、主控装置、无线通信装置和无线通信天线；所述定位装置连接定位天线，获取空降物资的位置信息，并传输至主控装置。然而，该实用新型只可以定位XY平面位置，不能检测高度，且同样未提及功耗指标、体积指标。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本实用新型提供一种微型化、低功耗、长寿命资产追踪终端，用于实现对资产的远程实时追踪。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种微型化、低功耗、长寿命资产追踪终端，包括三维定位装置、远程传输装置、MCU、能量储存装置、能量捕获装置以及充电控制电路；

所述MCU与所述定位装置和所述远程传输装置分别连接，其设置为控制所述三维定位装置采集待追踪资产的三维位置信息，以及控制所述远程传输装置将所述三维位置信息上传至一远程上位机；

所述能量储存装置与所述MCU连接，其设置为给所述MCU供电；

所述能量捕获装置与所述能量储存装置连接，其设置采集光能并将采集到的光能转换成电能以给所述能量储存装置充电；

所述充电控制电路与所述能量储存装置和所述能量捕获装置分别连接，其设置为采集外部环境光强和能量储存装置电量，并根据所述外部环境光强和能量储存装置的电量控制所述能量捕获装置进行充电操作。

优选地，所述三维定位装置、远程传输装置、MCU和能量储存装置布置在一第一PCB板上，所述充电控制电路布置在一第二PCB板上，且所述能量储存装置、第一PCB板、第二PCB板和能量捕获装置从下至上依次层叠设置。

优选地，所述资产追踪终端还包括与所述MCU连接的温度传感器和/或湿度传感器。

进一步地，所述远程传输装置包括GSM传输装置和/或GPRS传输装置。

进一步地，所述三维定位装置包括GPS定位装置和/或北斗定位装置。

进一步地，所述能量储存装置包括充电锂电池和/或超级电容。

进一步地，所述能量捕获装置包括太阳能电池板。

进一步地，所述充电控制电路包括用于感应外部环境光强的光强传感器、用于采集能量储存装置电量的电量检测电路、以及用于根据所述外部环境光强和所述能量储存装置电量控制所述能量捕获装置进行充电操作的充电控制器。

优选地，所述充电控制器和所述MCU均采用低功耗芯片。

优选地，所述光强传感器为光敏二极管。

通过采用上述技术方案，本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型通过三维定位装置采集待追踪资产的三维位置信息，通过远程传输装置将所述三维位置信息上传至一远程上位机，从而实现对资产的精确位置追踪。

(2)本实用新型通过采用能量储存装置进行供电，采用能量捕获装置为能量储存装置补充电能，采用充电控制电路控制充放电时间，一方面可以实现持续能源供应，延长了工作寿命，另一方面无需携带大容量电池，减小了终端体积。

(3)本实用新型通过采用3DMCM封装技术，即，将各部件分层层叠设置，进一步减小了终端体积。

(4)通过采用低功耗芯片，减小了终端的功耗。

附图说明

图1为本实用新型微型化、低功耗、长寿命资产追踪终端的连接框图；

图2为本实用新型微型化、低功耗、长寿命资产追踪终端的机械结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本实用新型的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本实用新型的功能、特点。

本实用新型的微型化、低功耗、长寿命资产追踪终端如图1所示，主要包括三维定位装置1、远程传输装置2、MCU3、能量储存装置4、能量捕获装置5以及充电控制电路6，还包括温度传感器7和/或湿度传感器8。其中， MCU3与定位装置和远程传输装置2分别连接，用于控制三维定位装置1采集待追踪资产的三维位置信息，以及控制远程传输装置2将三维位置信息上传至一远程上位机9；能量储存装置4与MCU3连接，用于给MCU3供电；能量捕获装置5与能量储存装置4连接，用于采集光能并将采集到的光能转换成电能以给能量储存装置4充电；充电控制电路6与能量储存装置4和能量捕获装置分别连接，用于采集外部环境光强和能量储存装置4电量，并根据外部环境光强和能量储存装置4电量控制能量捕获装置5进行充电操作；温度传感器7和/或湿度传感器8与MCU3连接，用于采集温度和湿度，所采集到的温度和湿度同样通过MCU3传递到远程传输装置2，再通过远程传输装置2传送到远程上位机9。通过本实用新型的终资产追踪终端，可以在远程实时收集不同地区、不同资产的信息，实现对资产的实时追踪。

上述各部件均可以采用现有的硬件实现，具体选型示例如下：

1)MCU3选择低功耗芯片，优选在休眠状态下耗电极低的STC15系列单片机，在休眠模式下功耗小于0.2uA，选用IO口资源够用为宜，单片机工作电流一般小于10mA。

2)远程传输装置2包括GSM和/或GPRS传输装置，用于接入公网，依据GSM900的规范，远程传输装置2将根据当前的信号情况调整发射功率从 5dBm至33dBm不等，因此瞬时发射功率可能达到2W，外加接收部分的功耗，远程传输装置2在工作状态下的功耗可能大于600mA(工作电压为3.3V时)。

3)三维定位装置1包括GPS和/或北斗定位装置，用于全球定位，XY方向定位精度±1m，Z轴定位精度±0.5m。一般的GPS定位装置冷启动时间大约30s，工作电流45mA。本实用新型中优选采用MTK FLASH版本方案GPS& 北斗双模定位模组(天线模块一体化产品)GAM-1513-MTBD。

4)湿度传感器8可选用DHT11，湿度测量范围为20％-95％，误差为5％；温度传感器7可选用DS18B20，温度测量范围为-55℃-125℃。

5)能量储存装置4包括充电锂电池和/或超级电容，优选采用充电锂电池和超级电容相结合的方式，因为：超级电容的特点是功率密度高(W/Kg)、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种；充电锂离子电池具有大能量密度(Wh/Kg)，其与其体积相当的超级电容相比可以存储更多的能量。超级电容在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。而锂电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。因此，本实用新型可以充分利用两者的优点，将超级电容与锂电池配合，超级电容器提供瞬时大电流脉冲，锂离子电池用于长时间储能，其中，充电锂电池优选 10000mAh以上的充电锂电池。

6)能量捕获装置5包括太阳能电池板(室外优选GaAs太阳能电池板，室内优选非晶硅太阳能电池板)，其效率达到8％，对于紫外波段敏感，可收集微弱光。

7)充电控制电路6包括用于感应外部环境光强的光强传感器61、用于采集能量储存装置4电量的电量检测电路62、以及用于根据外部环境光强和能量储存装置4电量控制能量捕获装置5进行充电操作的充电控制器63，具体来说，当外部环境光强大于一预定阈值且能量储存装置4电量小于约60％时，开始对能量储存装置4充电。其中，光强传感器61采用光敏二极管；充电控制器63采用低功耗芯片，优选采用Linear公司的LT3105芯片，工作电流24 μA，静态电流小于1μA，可降低终端的待机损耗。

本实用新型资产追踪终端的功耗分析如下：假设向远程上位机9发送信号的频率为1次/小时，每次GPS/北斗需要工作约31s，且持续电流约为46mA，得出一小时的平均功耗约为0.375mAh；GSM/GPRS需要工作约11s(包括连接基站和发送数据)，工作电流约610mA，得出一小时的平均功耗约为 1.67mAh；MCU3需要工作约41s，电流约为11mA，其它时间处于休眠状态，忽略不计，得出一小时的平均功耗为0.12mAh；温度/湿度传感器8功耗极低，忽略不计；每小时终端整机的功耗为0.375+1.67+0.12＝2.165mAh；则对于充满电的10000mAh的锂电池，理论上可以持续供电4639小时，约190天。

参阅图2，为了对本实用新型资产追踪终端进行体积优化，本实用新型对终端进行了3DMCM封装设计，具体如图2所示，三维定位装置1、远程传输装置2、MCU3和能量储存装置4布置在一第一PCB板11上；充电控制电路6布置在一第二PCB板12上；其中第一PCB板11、第二PCB板12和能量捕获装置5从下至上依次层叠设置，且充电电池位于第一PCB板11下方。可见，本实用新型有效利用了终端高度方向上的空间，减小了终端面积，使总体积小于约150mm*100mm*20mm，不易被发现；经过优化设计，在有限空间(体积)内可集成更多充电电池，提高了体积比功率密度。

本实用新型资产追踪终端的制作过程为：首先提供一能量储存装置4、一包含三维定位装置1、远程传输装置2、MCU3和能量储存装置4的第一PCB 板11、一包含充电控制电路6的第二PCB板12以及一太阳能电池板；然后将能量储存装置4、第一PCB板11、第二PCB板12和太阳能电池板从下至上依次分层叠置；而后将每一层通过双列插针(如header2x50，双列，50脚) 与邻层连接；最后将连接完成的终端置于一壳体10中，并进行数据发送实验，以验证终端数据采集与传输功能。

需要说明的是，本实用新型中采用了MCU3和充电控制器63，两者均可采用现有的任意合适低功耗芯片实现。MCU3在此所起的作用仅仅是控制三维定位装置1、温度传感器7和湿度传感器8进行采样，然后将采样到的信号传递至远程传输装置2，这属于本领域的公知常识，而充电控制器63在此所起的作用仅仅是当外部环境光强大于一预定阈值且能量储存装置4电量小于约60％时，输出一触发信号控制能量捕获装置5对能量储存装置4进行充电，这也属于本领域的公知常识。因此，本实用新型实质上是仅对硬件部分的组成及连接关系进行的改进，而不涉及对软件程序(方法)本身进行的改进，属于专利法第二条第三款所规定的实用新型保护客体。

以上所述的，仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。