一种基于微弱能量收集的可移植定位模块及其通信方法技术

一种基于微弱能量收集的可移植定位模块及其通信方法，包括供电子系统、定位通信子系统；供电子系统收集环境能量，并转化为电能，将转化后的电能传输至定位通信子系统，为定位通信子系统提供电源输入；所述环境能量包括振动、温差、光能；定位通信子系统通过建立与北斗卫星或移动公网的信息链路，将信息传递至北斗卫星或公网基站，再通过北斗卫星或公网基站将信息传输至地面监控站，实现可移植定位模块实时定位功能；同时定位通信子系统接收地面监控站发送的控制指令。本发明专利技术解决定位通信模块的长期供电问题，同时采用卫星定位与公网定位一体化设计，并通过北斗短报文实施监控通信，实现对地面设备定位监控能力的最大化。

A Portable Location Module Based on Weak Energy Collection and Its Communication Method

A portable positioning module based on weak energy collection and its communication method include power supply subsystem and positioning communication subsystem; power supply subsystem collects environmental energy and converts it into electric energy, transfers the transformed electric energy to positioning communication subsystem to provide power input for positioning communication subsystem; the environmental energy includes vibration, temperature difference and light energy; positioning communication subsystem By establishing the information link with Beidou satellite or mobile public network, the information is transmitted to Beidou satellite or public network base station, and then to the ground monitoring station through Beidou satellite or public network base station, the real-time positioning function of the portable positioning module is realized. At the same time, the positioning communication subsystem receives the control instructions sent by the ground monitoring station. The invention solves the long-term power supply problem of positioning communication module, adopts the integrated design of satellite positioning and network positioning, and implements monitoring communication through Beidou short message to maximize the positioning and monitoring capability of ground equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种基于微弱能量收集的可移植定位模块及其通信方法
本专利技术涉及一种基于微弱能量收集的可移植定位模块及其通信方法，属于电气电子设计领域。
技术介绍
为了实现地面车辆、海上设备、无人机以及军贸产品的实时监控，需要对使用中的产品设备进行实时定位通信，并为定位通信模块提供电源供电。目前，各个领域的电气设备都以小型化、集成化为设计思路，在通用设备或已经成型的电气产品中加入新的定位通信功能就需要较大的更改，在设计与研制上成本均比较高，代价较大。为了便于设备集成，整个定位通讯模块需要进行小型化、模块化设计，且具有长使用寿命。目前，国内外对于定位通讯模块的电能补给均是基于固态电池来实现，该实现方法不能保证定位通讯模块的长期持续性供电，在电池电量耗尽后需要更换电池或充电，不利于提高小型化设备的便捷使用性。同时，目前的资料文献中仅存在基于北斗的定位模块或基于公网的定位模块，缺乏根据指令响应实现信息定向回传的功能，不能满足后台的特殊监视需求，且未将基于北斗和基于公网的定位模块进行集成一体化设计，在关键产品上或通信方式不能保证的区域使用时，模块通信可靠性方面还需要进一步提升。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：本专利技术提出了一种基于微弱能量收集的可移植定位模块及其通信方法，通过不断收集环境能量转化为电能存储或使用，解决定位通信模块的长期供电问题，同时采用卫星定位与公网定位一体化设计，并通过北斗短报文实施监控通信，实现对地面设备定位监控能力的最大化。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，包括供电子系统、定位通信子系统；供电子系统收集环境能量，并转化为电能，将转化后的电能传输至定位通信子系统，为定位通信子系统提供电源输入；所述环境能量包括振动、温差、光能；定位通信子系统通过建立与北斗卫星或移动公网的信息链路，将信息传递至北斗卫星或公网基站，再通过北斗卫星或公网基站将信息传输至地面监控站，实现可移植定位模块实时定位功能；同时定位通信子系统接收地面监控站发送的控制指令。所述定位通信子系统接收地面监控站发送的控制指令时，由地面监控站采用北斗短报文的方式将控制指令发送至北斗卫星，再由北斗卫星广播至定位通信子系统，在卫星信号弱的环境下，地面监控站采用移动公网通信的方式将控制指令发送至公网基站，再由移动公网基站传输至定位通信子系统。所述供电子系统包括振动能量收集器、热能收集器、光能收集器、电池、能量管理电路；振动能量收集器、热能收集器、光能收集器收集能量并传输至能量管理电路的输入端，在能量管理电路中进行整流、电能存储与释放，为定位通信子系统的工作提供电能；能量管理电路的输出端与电池直接连接，在产生电能大于定位通信子系统消耗电能情况下，能量管理电路通过充电模式将多余电能存储在电池中，反之在产生电能小于定位通信子系统消耗电能情况下，能量管理电路通过放电模式将电池中的电能用于供电输出。所述振动能量器采用共质量块MEMS压电悬臂梁阵列结构，该结构由8个相同的压电悬臂梁单元和一个硅质量块组成，8个相同的压电悬臂梁单元分为两排，每排4个安装在硅质量块上，两两压电悬臂梁之间电绝缘。所述热能收集器由基板、导流层、热电偶以及焊接层四部分组成，采用陶瓷为基板材料，采用铜片作为导流层，采用不含铅成分的Sn-Sb合金作为焊接层，分别选用Skutterudite基材料与BiTe基材料作为热电偶的热段材料和冷段材料。所述光能收集器采用全固态染料敏化太阳电池片实现能量转换，导电基板上依次沉积致密TiO2层和介孔纳米晶TiO2层作为光阳极，在此之上吸附固态染料分子后填充固态电解质，在固态电解质上以热蒸镀的方法沉积一层贵金属电极，形成光阳极和对电极集成在单一导电基板材料上的结构。所述能量管理电路由整流电路、阻抗匹配电路、储能电路、能量瞬时释放电路和稳压电路组成；整流电路的输出端与阻抗匹配电路相连，阻抗匹配电路的输出端与储能电路相连，储能电路的输出端与能量瞬时释放电路以及电池相连，能量瞬时释放电路的输出端与稳压电路相连，稳压电路输出电能供负载使用。所述能量瞬时释放电路及稳压电路设置迟滞比较器的上门限电压VTHR、下门限电压VTHF，随着放电的进行，储能电路输出的电压逐渐下降，当降到低于门限电压VTHF时，迟滞比较器输出低电平，关闭开关NMOS1和PMOS1，储能电路与后续电路断开连接而停止放电。所述定位通信子系统包括控制处理器、卫星定位通信模块、公网定位通信模块、天线A、天线B；控制处理器将定位信息分别传输至卫星定位通信模块和公网定位通信模块，卫星定位通信模块将定位信息转化为射频信号后传输至天线A，天线A通过与卫星间的无线链路将信号传输至卫星，公网定位通信模块将定位信息转化为射频信号后传输至天线B，天线B通过与公网间的无线链路将信号传输至公网基站，实现定位信息的传输；同时，卫星通过广播将控制指令信号传输至天线A，天线A将指令信号传输至卫星定位通信模块，卫星定位通信模块对指令信号进行解析处理后传输至控制处理器，公网基站通过广播将控制指令信号传输至天线B，天线B将指令信号传输至公网定位通信模块，公网定位通信模块对指令信号进行解析处理后传输至控制处理器，实现控制指令的传输。所述卫星定位通信模块具备北斗、GPS双系统处理能力，接收北斗BDSB1频点、GPSL1频点信号，经过捕获、跟踪处理后，实现定位功能，完成定位解算；同时，通过北斗卫星链路实现短报文信息的收发处理。所述天线A为包含B1、L1、L、S频段四个微带天线振子的天线模组，采用叠放形式，其中B1、L1、L天线振子采用双点馈电的方式，通过功分匹配电路实现馈点间90度相位差，S频段天线采用单点馈电的方式。所述控制处理器根据不同的应用环境进行定位通信模式切换，定位通信模式优先选用卫星定位通信，满足大部分地面、海上、空中的定位监控需求；在卫星信号受到遮挡或干扰的应用环境中，选择公网定位通信模式，通过附近基站实现实时定位监控，实现冗余配置。一种基于微弱能量收集的可移植定位通信方法，步骤如下：1)模块加电并接收指令，具体为：可移植定位模块加电，通过天线A、天线B接收北斗卫星和移动公网指令信号，并分别将指令信号传输至卫星定位通信模块、公网定位通信模块，卫星定位通信为北斗短报文格式，公网定位通信为图片格式；2)指令解析并获取，具体为：由卫星定位通信模块或公网定位通信模块完成指令信号的处理和解析，卫星定位通信模块通过对北斗短报文源码进行ASCII码解析后获取指令信息，公网定位通信模块通过对图片源码进行LSB识别提取后获取指令信息；3)通信功能设置，具体为：定位通信模块或公网定位通信模块将指令信息传输至控制处理器，控制处理器根据获取的指令信息完成相应的通信功能调制，具体包括定位信息回传周期设置、定位信息加密设置、定位模块静默设置；4)信息组帧传输，具体为：控制处理器接收到回传周期设置为T指令，则将定位信息按周期T进行组帧，定期传输至定位通信模块或公网定位通信模块；控制处理器接收到信息加密传输指令，则将定位信息按DES算法进行加密处理，定期传输至定位通信模块或公网定位通信模块；控制处理器接收到定位模块静默指令，则将定位模块切换为只接收不发送的静默状态；5)定位信息回传，具体为：定位通信模块、公网定位通信模块分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，其特征在于：包括供电子系统、定位通信子系统；供电子系统收集环境能量，并转化为电能，将转化后的电能传输至定位通信子系统，为定位通信子系统提供电源输入；所述环境能量包括振动、温差、光能；定位通信子系统通过建立与北斗卫星或移动公网的信息链路，将信息传递至北斗卫星或公网基站，再通过北斗卫星或公网基站将信息传输至地面监控站，实现可移植定位模块实时定位功能；同时定位通信子系统接收地面监控站发送的控制指令。

【技术特征摘要】
1.一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，其特征在于：包括供电子系统、定位通信子系统；供电子系统收集环境能量，并转化为电能，将转化后的电能传输至定位通信子系统，为定位通信子系统提供电源输入；所述环境能量包括振动、温差、光能；定位通信子系统通过建立与北斗卫星或移动公网的信息链路，将信息传递至北斗卫星或公网基站，再通过北斗卫星或公网基站将信息传输至地面监控站，实现可移植定位模块实时定位功能；同时定位通信子系统接收地面监控站发送的控制指令。2.根据权利要求1所述的一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，其特征在于：所述定位通信子系统接收地面监控站发送的控制指令时，由地面监控站采用北斗短报文的方式将控制指令发送至北斗卫星，再由北斗卫星广播至定位通信子系统，在卫星信号弱的环境下，地面监控站采用移动公网通信的方式将控制指令发送至公网基站，再由移动公网基站传输至定位通信子系统。3.根据权利要求1所述的一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，其特征在于：所述供电子系统包括振动能量收集器、热能收集器、光能收集器、电池、能量管理电路；振动能量收集器、热能收集器、光能收集器收集能量并传输至能量管理电路的输入端，在能量管理电路中进行整流、电能存储与释放，为定位通信子系统的工作提供电能；能量管理电路的输出端与电池直接连接，在产生电能大于定位通信子系统消耗电能情况下，能量管理电路通过充电模式将多余电能存储在电池中，反之在产生电能小于定位通信子系统消耗电能情况下，能量管理电路通过放电模式将电池中的电能用于供电输出。4.根据权利要求3所述的一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，其特征在于：所述振动能量器采用共质量块MEMS压电悬臂梁阵列结构，该结构由8个相同的压电悬臂梁单元和一个硅质量块组成，8个相同的压电悬臂梁单元分为两排，每排4个安装在硅质量块上，两两压电悬臂梁之间电绝缘。5.根据权利要求3所述的一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，其特征在于：所述热能收集器由基板、导流层、热电偶以及焊接层四部分组成，采用陶瓷为基板材料，采用铜片作为导流层，采用不含铅成分的Sn-Sb合金作为焊接层，分别选用Skutterudite基材料与BiTe基材料作为热电偶的热段材料和冷段材料。6.根据权利要求3所述的一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，其特征在于：所述光能收集器采用全固态染料敏化太阳电池片实现能量转换，导电基板上依次沉积致密TiO2层和介孔纳米晶TiO2层作为光阳极，在此之上吸附固态染料分子后填充固态电解质，在固态电解质上以热蒸镀的方法沉积一层贵金属电极，形成光阳极和对电极集成在单一导电基板材料上的结构。7.根据权利要求3所述的一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，其特征在于：所述能量管理电路由整流电路、阻抗匹配电路、储能电路、能量瞬时释放电路和稳压电路组成；整流电路的输出端与阻抗匹配电路相连，阻抗匹配电路的输出端与储能电路相连，储能电路的输出端与能量瞬时释放电路以及电池相连，能量瞬时释放电路的输出端与稳压电路相连，稳压电路输出电能供负载使用。8.根据权利要求7所述的一种基于微弱能量收集的可移植定位模块，其特征在于：所述能量瞬时释放电路及稳压电路设置迟滞比较器的上门限电压VTHR、下门限电压VTHF，随着放电的进行，储能电路输出的电压逐渐下降，当降到低于门限电压VTHF时，迟滞比较器输出低电平，关闭开关NMOS1和PMOS1，储能电路与后续电路断开...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健康，曾贵明，刘飞，李海伟，古月，张声艳，梁君，欧连军，刘文文，荣刚，罗臻，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11