微型低功耗定位装置的设计与实现

发布时间：2020-03-19 02:29

【摘要】：近年来随着共享经济、智能监护的热潮,卫星定位的应用领域逐渐扩大,由普通的定位导航设备逐渐演变成位置大数据的搜集设备,在大部分物联网终端设备中,基本都集成有定位装置。但现有的位置数据回传通路都是基于GSM网络的,定位装置功耗高,在使用时都需要频繁充电或配备体积较大的蓄电池。而对某些特殊的物体监管中,安装定位装置的空间有限且无法频繁充电。本文对现有的卫星定位技术和移动网络通信技术以及低功耗技术进行了分析和研究,设计并实现一款微型低功耗定位装置,利用NB-IoT通信技术,进一步降低定位装置的功耗,能够对无源物体的位置数据进行长期采集。定位装置的功耗主要来源于通信模块和定位模块,通信模块的射频单元在无数据交互时仍持续检测信道,定位模块在断电重启时需要持续30秒的星历更新,此时存在很高的峰值电流。针对以上问题,在本方案设计中,将定位装置分为定位模块、通信模块和主控模块。首先在器件选型中选择体积小、功耗低的器件,然后通过电路优化进一步降低功耗。在通信模块的设计中,采用NB-IoT网络,利用PSM工作模式,设计了一种基于CoAP的轻量级通信协议,使其在无数据交互后NAT端口快速回收,及时关闭通信模块的信号接收机,有效减少通信模块在无任务时检测信道的时间。通过优化定位模块的启动方式,使其在睡眠模式下保存星历,有效避免因冷启动搜星所带来的峰值电流。在核心控制模块的设计上,采用双外部晶振方案,进一步降低定位装置睡眠模式下的功耗,并有效地提升了系统的数据处理速度。最后,通过物联网云平台完成定位装置的接入工作,并调用百度地图实现定位数据的可视化。经过对定位装置的性能测量,最终产品的体积小于35*35*10mm,在日发一次数据的情况下,估算能够持续工作2.24年,达到预期的目标。本文设计并实现的微型低功耗定位装置,在体积和功耗上具有一定的优势,能够广泛应用到多种物联网系统中,具有较高的实用价值。
【图文】：

定位系统,整体结构

卫星导航系统共分为三大部分：一是地面控制中心，包括主控站、地面天线、监测站和通讯辅助系统；二是空间部分，即太空中围绕地球运行的卫星系统，它们不断向地球发送卫星信息；三是用户装置部分，由卫星信号接收机和卫星天线构成，，主要负责接收卫星发送来的信号。针对不同的需求，对于卫星导航系统的应用也多种多样，而主要区别都在于用户装置的不同[17]。在本文的应用场景中，企业希望对其设备的位置信息进行长期统计，能够远程查看设备所处的位置，因此本文所设计的定位装置不仅要具备定位采集功能，并需要将位置数据上传至服务器。如图 2.1 所示，为定位系统的整体结构图，其中定位终端装置通过卫星系统获取到物体的位置信息，并且通过无线通信网络将位置信息回传至云服务器，用户可以通过 Web 网页或移动终端随时随地查看物体的位置信息，本文将重点对定位终端装置进行设计和实现。

结构图,定位装置,结构图

图 2.2 定位装置结构图.3.2 定位技术方案分析卫星定位系统是一种使用卫星对某物体进行准确定位的技术，根据同一坐下已知多个点的位置，利用空间距离来计算未知点的坐标，从而实现定位功能GPS 是目前应用最为广泛的卫星导航系统，它由三部分组成，分别为空间群、地面监测系统、GPS 接收机。GPS 卫星定位系统采用的是世界大地坐标美国军方于1984年首次提出，而北斗卫星定位系统采用的是中国大地坐标系[然 GPS 与北斗定位系统所采用的参考坐标系不同，但是卫星定位的基本原理全一致的。围绕地球运行的卫星系统连续不断地向地球表面发送信号，这些信号中包星发送信号的时间及其所处的空间位置信息，地球表面的接收装置利用这些
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN96

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