CN212570019U - 基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，降低监测装置的成本和功耗，同时减小装置的体积和重量，其特征在于，包括：用于周期性采集牲畜体温并通过LoRa散射通信的方式上传体温数据的若干个监测装置；用于接收这些监测装置上传的体温数据并向上位系统转发的的LoRa网关；以及用于为周围区域中的监测装置提供进行散射通信的433MHz射频信号的射频基站；所述监测装置包括防水壳、PCB板、钮扣电池、温度传感器和FPC天线，所述PCB板、钮扣电池和FPC天线固定于防水壳内，所述PCB板上集成有MCU、压控振荡器电路、射频开关、匹配电路、天线接口和温度传感器接口，所述温度传感器设置于牲畜耳道当中，经信号线连接至PCB板的温度传感器接口。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统。
背景技术
在畜牧养殖业中，牲畜的健康直接关系到养殖场的产出，因而养殖场会通过测量牲畜的体温来帮助跟踪牲畜的健康状况。传统的人工测量通常是测量牲畜直肠温度，这种测量方式效率低下，且会引起牲畜强烈的应激反应，容易导致工作人员受伤，这就需要提出一种更有效率更安全的牲畜体温监测方案。
中国专利“CN110806277A猪用体温实时监测系统”和“CN106175715A耳部安装式牲畜体温复合检测装置”提出的监测装置中，无线收发模块采用传统无线通讯方式，需要使用有源通信芯片，这类芯片集成了大量射频模拟前端，成本高(低价通信芯片的千片购买量下单片价格也多在10人民币左右)、功耗大(发送电流一般在20mA到300mA)。同时，为了保证续航，不能使用太小的电池。再加上通信芯片本身占用的空间，使得监测装置大而重，容易因牲畜的运动和刮蹭而掉落或损坏，造成损失，增加维护管理成本。
中国专利“CN109462419A一种基于DDS直接数字频率合成的LoRa散射通信系统”提出的一种LoRa散射通信系统，将需要发送的数据按LoRa协议进行封装得到Symbol符号后，对于每个Symbol符号通过更新频率控制字实现线性调频，并将相位累加器的MSB最高比特位输出，产生对应的数字方波序；同时为了遵循CSS调制的时序要求，需要将数字方波序存储在存储器中，通过DMA直接存储器访问的方式由通用串行接口输出到射频开关。该方法实现CSS调制的计算量大，软件复杂，程序占用空间大且需要数kB的存储空间来存储相位累加器最高比特位的序列，为了满足存储空间和计算的需求不能选用更低成本的低性能数字基带处理器如MCU或FPGA等。
实用新型内容
为克服现有技术中存在的缺陷，本实用新型提出一种基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，降低监测装置的成本和功耗，同时减小装置的体积和重量，其具体技术内容如下：
一种基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，其包括：用于周期性采集牲畜体温并通过LoRa散射通信的方式上传体温数据的若干个监测装置；用于接收这些监测装置上传的体温数据并向上位系统转发的的LoRa网关；以及用于为周围区域中的监测装置提供进行散射通信的433MHz射频信号的射频基站；所述监测装置包括防水壳、PCB板、钮扣电池、温度传感器和FPC天线，所述PCB板、钮扣电池和FPC天线固定于防水壳内，所述PCB板上集成有MCU、压控振荡器电路、射频开关、匹配电路、天线接口和温度传感器接口，所述温度传感器设置于牲畜耳道当中，经信号线连接至PCB板的温度传感器接口。
于本实用新型的一个或多个实施例当中，所述监测装置包括用于将防水壳于牲畜耳朵之上的耳标。
于本实用新型的一个或多个实施例当中，所述温度传感器通过耳道安装装置或软管安装在牲畜耳道内。
于本实用新型的一个或多个实施例当中，所述压控振荡器电路包括运算放大器和压控频率振荡器，所述运算放大器的反相端作为压控振荡器电路的输入端，其与运算放大器输出端之间连接有电阻R3形成负反馈连接，所述电阻R3两端并联有电容C2，所述运算放大器的输出端与压控频率振荡器的输入端连接。
于本实用新型的一个或多个实施例当中，所述压控振荡器电路还包括串联接于运算放大器输出端与地端之间的分压电阻R1和R2，且分压电阻R1和R2的连接点与所述压控频率振荡器的输入端连接，所述分压电阻R1和R2的连接点与运算放大器的同相端连接。
于本实用新型的一个或多个实施例当中，所述压控频率振荡器采用型号为LTC6990的压控频率振荡器芯片，所述运算放大器采用型号为LTC6078的运算放大器芯片。
于本实用新型的一个或多个实施例当中，所述MCU中设置有计数器和DAC转换模块，并以计数器的输出作为DAC转换模块的输入，通过调整计数器的初始值控制DAC转换模块的输出值。
本实用新型的有益效果是：采用LoRa散射通信的方式上传数据，通过低功耗MCU、压控振荡器电路、射频开关、匹配电路和天线实现LoRa散射通信，省去了高成本的通信芯片，降低了监测装置的成本，同时能够显著降低通信功耗，提升监测装置的续航；而且本方案中压控振荡器电路所用芯片尺寸小(分别只有2×3mm和3×3mm)且芯片外围电路简单，PCB电路板的尺寸更小；同时，使用小容量的小型号钮扣电池也能保证续航，使得装置体积更小重量更轻，降低了牲畜佩戴的不适感，减小了牲畜运动和刮蹭使装置掉落或损坏的可能性。特别地，提出通过控制计数器的方式驱动DAC输出线性变化的电压值，以该电压值控制压控振荡器输出CSS调制信号实现CSS调制，降低了软件的复杂度和计算量，节约了MCU的存储空间，减小了对MCU性能的要求。
附图说明
图1为本实用新型的系统框架示意图。
图2为本实用新型的监测装置的原理图。
图3为本实用新型的压控振荡器电路原理图。
具体实施方式
如下对本申请方案作进一步描述：
参见附图1和2，一种基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，其包括：用于周期性采集牲畜体温并通过LoRa散射通信的方式上传体温数据的若干个监测装置1；用于接收这些监测装置1上传的体温数据并向上位系统转发的的LoRa网关2；以及用于为周围区域中的监测装置1提供进行散射通信的433MHz射频信号的射频基站3；所述监测装置1包括防水壳11、PCB板12、钮扣电池13、温度传感器14和FPC天线15，所述PCB板12、钮扣电池13和FPC天线15固定于防水壳11内，所述PCB板12上集成有MCU 121、压控振荡器电路122、射频开关123、匹配电路124、天线接口125和温度传感器接口126，所述温度传感器14通过耳道安装装置或软管安装设置于牲畜耳道41当中，经信号线连接至PCB板12的温度传感器接口126；所述防水壳11通过耳标16固定于牲畜耳朵42之上。
参见附图3，所述压控振荡器电路122包括运算放大器LTC6078和压控频率振荡器LTC6990，所述运算放大器LTC6078的反相端作为压控振荡器电路122的输入端，其与输出端之间连接有电阻R3形成负反馈连接，所述电阻R3两端并联有电容C2，所述运算放大器LTC6078的输出端与压控频率振荡器LTC6990的输入端连接。所述压控振荡器电路122还包括串联接于运算放大器LTC6078输出端与地端之间的分压电阻R1和R2，且分压电阻R1和R2的连接点与所述压控频率振荡器LTC6990的输入端连接，所述分压电阻R1和R2的连接点与运算放大器LTC6078的同相端连接。
LoRa的CSS调制信号也称Chirp信号，是一段频率随时间随时间线性变化的正弦波。其中，UPChirp信号是在一个符号周期Tsym内频率由下限频率FL线性增加到上限频率FH的正弦波。在CSS调制下，LoRa符号的取值范围取决于扩频因子SF，在0到2SF-1之间共2SF个符号值；对应每个符号值N的调制波形可通过将UP Chirp在时间轴向左循环移动N/2SF×Tsym得到，其中Tsym＝2SF/BW，BW＝FH-FL为带宽。
为了实现LoRa的CSS调制需要产生频率随时间线性变化的调制信号，本方案提出一种通过压控振荡器产生CSS调制信号实现CSS调制的方案，即压控振荡器电路122。其中，LTC6990是一款压控频率振荡器芯片，按图中电路工作时，LTC6990的OUT引脚输出占空比为50％的方波，且方波的频率与V_CTRL电压值呈线性相关。同时，为了降低输出方波频率的误差，引入一个运算放大器芯片LTC6078。在LTC6078的反相端经电阻R4输入电压V_DAC即可控制LTC6990输出方波的频率，它们的关系式如下式：
当V_DAC的电压在0.625V到1.875V之间线性变化，LTC6990的输出脚会输出频率在125kHz到375kHz之间线性变化的带宽为250kHz的方波。在MCU中，以计数器的输出作为DAC的输入，通过调整计数器的初始值控制V_DAC在一个符号周期Tsym内以不同的时序在0.625V到1.875V之间变化，就能控制LTC6990输出对应不同LoRa符号的调制信号。
所述MCU 121中设置有计数器和DAC转换模块，并以计数器的输出作为DAC转换模块的输入，通过调整计数器的初始值控制DAC转换模块的输出值。MCU采用带有DAC功能的低功耗MCU，可以简化电路结构节约成本。
本方案中监测装置实现温度数据以散射通信方式上传的步骤为：
1)需要进行温度数据采集和上传时MCU从休眠状态唤醒；
2)MCU通过温度传感器获取温度数据；
3)根据LoRa协议规范，MCU对LoRa数据帧进行Whitenning加扰、Hamming纠错编码、Interleaving交织以及De-Gray编码，并由此得到的LoRa的Symbol符号；
4)根据得到的Symbol符号控制DAC以相应的时序在该符号周期内变化，进而驱动压控振荡器产生对应的CSS调制方波信号输出给射频开关；
5)射频开关根据数字方波信号的高低电平控制开关状态，对射频基站发送的433MHz信号进行吸收或反射，将信号以散射的方式发送出去。
由于本方案的压控振荡器电路中用到的LTC6990和LTC6078的工作电流分别只有72uA和54uA，使用MCU的的GPIO口给压控振荡器电路供电能满足其电流需求。MCU只在需要进行数据发送时给压控振荡器电路供电，降低待机功耗；这样，监测装置在待机时只消耗MCU的待机电流，发送数据时的发送电流为压控振荡器电路和MCU的工作电流，发送电流在200uA以下，相比之下，使用SX1278模块发送LoRa数据的发送电流在125mA。
本方案的监测装置采用小型号的低容量钮扣电池，如标称容量只有30mAh的CR1025(直径10mm，厚度2.5mm)钮扣电池。假设最坏情况下待机电流1μA，那么在每30秒发送一次数据的情况下，如果不考虑电池自放电，一颗CR1205钮扣电池能供检测装置运行3.3年。
上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，其特征在于，包括：用于周期性采集牲畜体温并通过LoRa散射通信的方式上传体温数据的若干个监测装置；用于接收这些监测装置上传的体温数据并向上位系统转发的LoRa网关；以及用于为周围区域中的监测装置提供进行散射通信的433MHz射频信号的射频基站；所述监测装置包括防水壳、PCB板、钮扣电池、温度传感器和FPC天线，所述PCB板、钮扣电池和FPC天线固定于防水壳内，所述PCB板上集成有MCU、压控振荡器电路、射频开关、匹配电路、天线接口和温度传感器接口，所述温度传感器设置于牲畜耳道当中，经信号线连接至PCB板的温度传感器接口。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，其特征在于：所述监测装置包括用于将防水壳于牲畜耳朵之上的耳标。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，其特征在于：所述温度传感器通过耳道安装装置或软管安装在牲畜耳道内。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，其特征在于：所述压控振荡器电路包括运算放大器和压控频率振荡器，所述运算放大器的反相端作为压控振荡器电路的输入端，其与运算放大器输出端之间连接有电阻R3形成负反馈连接，所述电阻R3两端并联有电容C2，所述运算放大器的输出端与压控频率振荡器的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，其特征在于：所述压控振荡器电路还包括串联接于运算放大器输出端与地端之间的分压电阻R1和R2，且分压电阻R1和R2的连接点与所述压控频率振荡器的输入端连接，所述分压电阻R1和R2的连接点与运算放大器的同相端连接。
6.根据权利要求5所述的基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，其特征在于：所述压控频率振荡器采用型号为LTC6990的压控频率振荡器芯片，所述运算放大器采用型号为LTC6078的运算放大器芯片。
7.根据权利要求1所述的基于LoRa散射通信的超低功耗牲畜体温监测系统，其特征在于：所述MCU中设置有计数器和DAC转换模块，并以计数器的输出作为DAC转换模块的输入，通过调整计数器的初始值控制DAC转换模块的输出值。
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| CN114189254B (zh) * | 2021-10-29 | 2024-02-23 | 湖北大学 | 基于单频振荡器的超低功耗LoRa通信系统及通信方法 |
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