RU2760564C1

RU2760564C1 - Мобильное носимое устройство геопозиционирования

Info

Publication number: RU2760564C1
Application number: RU2019132255A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Воронцов; Сергей Викторович Новиков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Интернет людей"
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2021-11-29

Abstract

Изобретение относится к мобильным носимым устройствам геопозиционирования, использующим для вычисления координат и передачи данных технологию LoRaWAN. Технический результат заключается в обеспечении определения координат местонахождения пользователя в условиях плотной городской застройки и в зданиях. Аппаратная часть устройства включает в себя корпус, плату с модулем LoRaWAN, модулем связи со спутниковыми навигационными системами и управляющим микропроцессором, датчик снятия и пульсометр, связанные с микропроцессором, элемент питания, по меньшей мере, два светодиода и кнопку и согласно изобретению характеризуется тем, что использует технологию определения координат на основе времени прихода сигнала к базовой станции (TDOA) и уровня затухания сигнала (RSSI) LoRaWAN, а в случае отсутствия в радиусе действия трех и более базовых станций LoRaWAN использует технологию спутниковой передачи данных, при этом устройство передает данные о местоположении на базовую станцию по протоколу LoRaWAN, та в свою очередь отправляет данные по протоколу TCP/IP на сервер, где они отображаются на карте в приложении пользователя, также в передаваемый пакет входят данные о пульсе. 1 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к мобильным носимым устройствам геопозиционирования, использующим для вычисления координат и передачи данных технологию LoRaWAN. Предназначено для передачи данных по местонахождению человека, диагностики состояния здоровья по пульсу, передачи сообщений о критических/тревожных ситуациях.

Известно устройство Xiaomi Mi Band 3 (https://www.mi.com/ru/mi-band-3/), относящееся к разновидности устройств – фитнес-браслетов. Данное устройство выполнено в виде браслета с аппаратной частью. Аппаратная часть содержит экран, акселерометр, гироскоп, датчик сердечного ритма. Передача данных осуществляется посредством технологии Bluetooth на смартфон пользователя. Основные особенности браслета: водонепроницаемость (5 атм, можно использовать в бассейне), монохромный экран OLED, отображающий уведомления, постоянное измерение пульса, мониторинг сна и активности, а также длительное время автономной работы до 20 дней.

К недостаткам данного устройства можно отнести отсутствие функции вычисления и передачи данных о местонахождении человека. Также передача данных о состоянии здоровья по пульсу возможна только на меленькие расстояния (до 30 м) и только на смартфон пользователя.

Известно также устройство - смарт-часы JET Kid Start, относящееся к разновидности устройств геопозиционирования, использующим для вычисления координат технологии GPS/LBS, для передачи данных технологии GSM и Wi-Fi. Устройство выполнено в форме наручных часов. Аппаратная часть содержит цветной экран, кнопку SOS, датчик снятия с руки, слот для SIM-карты. Основные функции устройства - геолокация GPS/LBS, оповещение о нажатии кнопки SOS, контроль снятия с руки, создание и контроль геозон, отправка голосовых и текстовых сообщений на устройство, функция поиска устройства, оповещение о разряде батареи, шагомер, будильник.

К недостаткам данного устройства можно отнести: малое время работы без подзарядки (до 20 часов); большой размер, неудобный для ношения на детской руке; невозможность определения координат по GPS в случаях отсутствия прямой видимости спутников GPS (в зданиях, в метро и т.д.), большая погрешность определения координат по GSM, зависимость от наличия и работоспособности (наличия положительного баланса) SIM-карты.

Задача настоящего изобретения заключается в создании портативного носимого устройства геопозиционирования с улучшенным техническими характеристиками.

Технический результат заявляемого изобретения заключается:

- в вычислении координат местонахождения пользователя в условиях плотной городской застройки и в зданиях;

- в передаче данных о состоянии здоровья по пульсу и о критических/тревожных ситуациях в условиях плотной городской застройки и в зданиях;

- увеличении расстояния передачи данных;

- в значительном снижении энергопотребления;

- в уменьшении размера устройства;

- в независимости работоспособности устройства от наличия связи GSM и GPS.

Заявляемый технический результат достигается благодаря тому, что устройство геопозиционирования содержит аппаратную часть и ремешок, при этом аппаратная часть включает в себя корпус, плату с микроконтроллером, модулем LoRaWAN, модулем связи со спутниковыми навигационными системами и вспомогательными электронными компонентами, две антенны, датчик снятия и пульсометр, элемент питания, по меньшей мере, два светодиода и кнопку.

Устройство геопозиционирования представляет собой браслет, содержащий аппаратную часть и ремешок. Аппаратная часть включает в себя корпус, плату с микроконтроллером, модулем LoRaWAN, модулем связи со спутниковыми навигационными системами (ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BEIDOU) и другими электронными компонентами, две антенны, датчик снятия - пульсометр, элемент питания, по меньшей мере, два светодиода и кнопку.

Корпус представляет собой две соединяющиеся детали – крышку и основание. Снаружи корпуса располагаются: крышка кнопки, светорассеиватели для светодиодов, контакты для подзарядки устройства (2 шт.). Корпус разработан таким образом, чтобы комплектующие плотно располагались внутри корпуса без механического люфта. Крепление крышки к основанию надежно фиксирует комплектующие внутри корпуса. Предпочтительный размер устройства в сборе составляет 33х17х11 мм.

Заявляемое устройство использует технологию определения координат на основе времени прихода сигнала к базовой станции (TDOA) и уровня затухания сигнала (RSSI) LoRaWAN, а в случае отсутствия в радиусе действия трех и более базовых станций LoRaWAN использует технологию ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BEIDOU. Устройство раз в 5 минут передает данные о местоположении на базовую станцию по протоколу LoRaWAN, та в свою очередь отправляет данные по протоколу TCP/IP на сервер, где они отображаются на карте в приложении пользователя, также в передаваемый пакет входят данные о пульсе. Если произошло нажатие кнопки и снятие браслета с руки, то устройство переходит в режим постоянной отправки пакетов с местоположением объекта и включает в пакет бит обозначающий статус тревоги.

Для компактного размещения всех основных элементов была разработана основная печатная плата устройства с предпочтительным размером 10х30 мм, есть возможность уплотнить компоновку и уменьшить размер до 8х24 мм. В качестве управляющего использовался микропроцессор основанный на 32-битных ядрах ARM с сокращенным набором инструкций, такой как STM32, который соединяется с модулями ГЛОНАСС/GPS/ GALILEO/BEIDOU и LoRaWAN в компактном форм-факторе SIP с LGA-поверхностью для монтажа. Он отличается низким энергопотреблением, сигнал распространяется на большое расстояние. Основные предпочтительные характеристики платы приведены в Таблице.

Таблица

Частотный диапазон	863-928 МГц
Базовый чип	Semtech SX1276
Напряжение питания	3.3 В
Процессор	STM32
Габариты	13x11x1.55
Количество ядер процессора	1
Модуляция	FSK, LoRa, OOK
Рабочая температура	-25 - +85 градусов Цельсия
SDK	да
Тип корпуса	SIP
UART	да
SPI	да
Способ монтажа на печатную плату	LGA
Тип антенного разъема	Через LGA поверхность

В качестве GPS антенны используется пассивная патч-антенна с частотным диапазоном в 1575.42 МГц. Такого типа антенны обладают компактными размерами и уверенно принимают GPS сигнал со спутников.

В качестве LoRaWAN-антенны используется антенна, выполненная в корпусе SMD, которая применяется для приема и передачи сигнала на частотах 868 МГц. В ней используется низкотемпературная керамика (LTCC) в совокупности с технологией встраивания антенного элемента в керамическую подложку. Высокочастотные характеристики этой технологии обеспечивают исключительную производительность при очень малых затратах энергии.

В качестве источника питания используется литий-полимерный аккумулятор емкостью 90 мАч с высокой плотностью энергии и большой продолжительностью жизни. В него встроен умный защитный контроллер заряда/разряда (модуль зарядки PCB), который эффективно предупреждает о зарядке, разрядке, и случаях короткого замыкания.

В качестве датчика снятия и пульсометра используется интегрированный оптический датчик для автоматического отслеживания физических параметров объекта. Такие датчики, типа SFH 7050/7051/7060, основаны на высокоэффективных технологиях и включают три светодиода различной длины волны. Измерение начинается или останавливается автоматически, когда датчик касается кожи или удаляется с кожи. В основе измерений лежит принцип фотоплетизмографии, который является неинвазивным. С помощью этого метода отслеживаются изменения объема крови в тканях с помощью источника света и фотодетектора.

Контакты для зарядки устройства устанавливаются в отверстия в корпусе.

Пластиковая крышка кнопки и светорассеиватели для светодиодов из оргстекла, обеспечивающие индикацию работы устройства, устанавливаются в соответствующих пазах корпуса.

Заявляемое устройство осуществляет отслеживание местоположения субъекта посредством определения координат по времени прихода пакета на базовую станцию и уровню затухания сигнала от устройства к базовой станции, реализуя следующие функции:

- контроль состояния здоровья и мониторинг перемещения детей, сигнал тревоги в случае их потери или тревожной ситуации, которая определяется по датчику-пульсометру, нажатию кнопки SOS, пересечению заданных геозон;

- контроль состояния здоровья и мониторинг местонахождения пожилых людей и людей с ограниченными возможностями здоровья, сигнал тревоги в случае их потери или тревожной ситуации, которая определяется по датчику-пульсометру, нажатию кнопки SOS, пересечению заданных геозон;

- контроль состояния здоровья и местоположение рабочего персонала на опасном производстве,

- отслеживание местоположения домашних животных, сигнал тревоги в случае их потери или пересечении заданной геозоны.

Для корректной работы устройства и для соответствия заявленным характеристикам, был разработан алгоритм работы, который в первую очередь определяет наличие сети LoRaWAN и количество доступных базовых станций. В случае, если в зоне действия находятся три и более базовых станций, вычисление координат происходит на сервере по триангуляции от этих станций на основе времени прихода сигнала к базовой станции (TDOA) и уровня затухания сигнала (RSSI). В случае, когда в зоне уверенного приема находится менее трех базовых станций включается алгоритм определения координат через спутниковые навигационные системы, показанный на рисунке (фиг.). Алгоритм позволяет получать достоверную информацию о местоположении объекта, триггерных ситуациях (нажатие кнопки, снятие браслета), показаниях пульса, и при этом оптимизировать энергозатраты. Также исключаются ошибочные пакеты, содержащие нулевые координаты.

Алгоритм работает следующим образом:

Первоначально производится проверка на наличие сигнала от кнопки и датчика снятия. Если кнопка не нажата и датчик снятия не показывает факт снятия устройства с руки, то устанавливается таймер на пять минут, в результате чего снижаются энергетические затраты, за счёт того, что не тратится энергия на постоянный поиск сети и передачу данных. После завершения пятиминутного интервала времени активируется поиск сети LoRaWAN, в случае отсутствия сети алгоритм возвращается в начало, если сеть найдена, то тогда происходит поиск ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/BEIDOU спутников, получение координат и передача пакета данных на сервер, при этом загорается синий светодиод на две секунды, алгоритм возвращается в начало. Если нажата тревожная кнопка или сработал датчик снятия, то происходит проверка на время нажатия/снятия, это необходимо для того, чтобы определить было ли случайное срабатывание кнопки или снятие браслета или же действительно произошло тревожное событие. Если время удерживания кнопки или снятие браслета менее пяти секунд, то регистрируется случайное нажатие/снятие, алгоритм возвращается в начало, при удержании кнопки или снятии браслета более пяти секунд загорается красный светодиод, ставится таймер на одну минуту и устанавливается тревожный бит, который отправляется со следующим пакетом данных, тем самым сообщая серверу обрабатывающему данные от устройства, что произошло тревожное событие. Измерение пульса происходит в заранее заданный интервал времени от 1 минуты до 24 часов. Полученные показания пульса включаются в пакет данных, передаваемых на сервер.

Claims

Устройство геопозиционирования, содержащее аппаратную часть и ремешок, отличающееся тем, что аппаратная часть включает в себя корпус, плату с модулем LoRaWAN, модулем связи со спутниковыми навигационными системами и управляющим микропроцессором, который соединяется с модулем связи со спутниковыми навигационными системами и модулем LoRaWAN, датчик снятия и пульсометр, также связанные с микропроцессором, элемент питания, по меньшей мере, два светодиода и кнопку, отличающееся тем, что устройство использует технологию определения координат на основе времени прихода сигнала к базовой станции (TDOA) и уровня затухания сигнала (RSSI) LoRaWAN, а в случае отсутствия в радиусе действия трех и более базовых станций LoRaWAN использует технологию спутниковой передачи данных, при этом устройство передает данные о местоположении на базовую станцию по протоколу LoRaWAN, та в свою очередь отправляет данные по протоколу TCP/IP на сервер, где они отображаются на карте в приложении пользователя, также в передаваемый пакет входят данные о пульсе.