基于NB-IoT的智能可穿戴设备制造技术

本发明专利技术公开了一种基于NB‑IoT的智能可穿戴设备，它由电源模块，串口通信电路模块，电源状态信号监测电路模块，电池充电电路模块，GPS定位模块，RF天线模块，USIM卡电路模块七部分组成。左侧设备基于窄带物联网芯片设计，采用BC20作为设备的主控芯片，用于控制设备接入网络，选择性获取GPS定位信息，并可与右侧电信云平台进行通信。同时为了使设备体积小、功耗低以及性能可靠，本发明专利技术将GPS和RF设计为板载模式，选取超低功耗的元件，加入静电保护电路，提高了该设备的实用性和稳定性。

Intelligent wearable device based on Nb IOT

【技术实现步骤摘要】
基于NB-IoT的智能可穿戴设备
本专利技术研发了一种基于窄带物联网模块的智能可穿戴设备，该设备主要用于穿戴者的定位与被定位以及求救与防丢失。该设备涉及的技术主要有NB-IoT系统开发领域、OpenCPU开发领域以及物联网系统搭建领域。
技术介绍
目前，我国已处于人口老龄化阶段，全国60岁以上的老年人口在2050年将接近5亿，约占我国总人口的1/3，约占世界老年人口的1/4。其中，独居老人占了很大一部分比例。由于大多数老年人的身体状况较差而且行动不是很便利，出行容易受到自身以及外界因素的影响。我国日益严峻的人口老龄化趋势，使得国家和社会人群对老年人的关注度越来越高，不仅在生活质量和卫生医疗方面受到重视，在精神和情感方面的关注也渐渐重视起来，现在的年轻人大都忙于工作很少有时间去关注和照顾家里的老人，更别提一直陪伴在老人身边。因此，如何在兼顾工作的同时能更好的关注老人的生活是人们迫切需要解决的问题。近些年，随着科技的发展与进步，以及物联网相关技术的成熟与普及，可穿戴设备已经渐渐融入到生活中，以其功能齐全、方便携带、信息传递速度快、操作简单等优势在解决当下老年人出行和生活里发生不可意料的事件中发挥了重要作用，为年轻人关注老人的同时兼顾工作带来了可能。窄带物联网(NarrowBandInternetofThings,NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支，NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。除此之外，NB-IoT在开发阶段也比较容易，可扩展性非常大，能够与目前大多数主流嵌入式设备进行联合开发，亦可以对其自身进行二次开发，大大降低了开发难度提高了开发效率。由上可见，将NB-IoT技术运用到智能可穿戴设备上可有效提升目前可穿戴设备的性能，改进和弥补现有物联网穿戴设备在开发和使用上的不足。因此，基于NB-IoT的智能可穿戴设备的研发是一个新颖的、可行的、有价值的项目专利技术。
技术实现思路
针对老年人出行佩戴智能可穿戴设备可以提高老人的安全性以及自身自我救助的及时性，从而有效保障老人出行活动路径能够被知晓，以及发生意外后能够及时发送救助信号；针对企业生产智能可穿戴设备时要考虑成本、功耗以及信号覆盖范围和信号质量，以及对设备的监控和升级维护等。本专利技术设计了一款基于NB-IoT的智能可穿戴设备。专利技术的主要内容包括电源模块、串口通信电路模块、电源状态信号监测电路模块、电池充电电路模块、灯带指示电路模块、GPS定位模块、定位信息发送模块、USIM卡连接电信云平台模块等多个部分组成。专利技术的具体内容如下：为了避免电磁兼容对设备的影响，该装置在设计过程中合理地选择一些性能优良、抗干扰能力较强的元器件，例如共模电感，静电保护三极管等。所用的芯片主要选用贴片式SMD封装形式，不容易产生射频环路，电磁兼容性较好。电容与电磁兼容也有很大关系，该装置选择具有很低ESR和ESL参数的电容，能够对干扰信号造成很大衰减。在关键芯片旁边加上去耦电容可以去除掉高频噪声。一、电源模块的设计：电源模块是为整个设备进行供电的，模拟电源部分由ESD9L5.0ST5G静电保护模块，输入滤波网络、AMS1117-3.3稳压模块、输出滤波网络构成。该模块中板外3.7V锂电池作为输入滤波网络的输入，且与ESD9L5.0ST5G静电保护模块相连，输入滤波网络的输出作为稳压模块的输入，稳压模块的输出作为输出滤波网络的输入，最后输出滤波网络的输出电压为稳定的+3.3V电压，最终作为其他模块的供电输入，与BC20芯片的VBAT引脚相连。上述各个模块的GND端都需要彼此连接起来。ESD9L5.0ST5G是静电保护二极管，确保模块突发脉冲发射时，最大跌落后的电压值仍处于正常的供电范围内。AMS1117-3.3是AMS公司设计的低压差稳压器，选用固定+3.3V电压输出的版本。通过AMS117-3.3为该系统中的其它模块提供+3.3V电压信号。滤波网络的输出为其他模块提供稳定的电压。二、串口通信电路模块：主要留出两个串口：调试串口和固件升级串口；调试串口和固件升级串口都通过TXS0108电平转换模块与BC20芯片相连。TXS0108电平转换模块是德州仪器公司生产的8位双向电压电平转换器，把+3.3V电压域转换到+1.8V电压域，这里只使用其中的5位，分别是A1-A5和对应的B1-B5。VCCA引脚和OE引脚与BC20芯片上的VDD_EXT引脚相连，A1引脚与BC20芯片上的TXD_DBG引脚相连，A2引脚与BC20芯片上的RXD_DBG引脚相连，VCCB引脚与固件升级串口的P1引脚相连，GND引脚与固件升级串口的P2引脚相连，B1引脚与固件升级串口的P3引脚相连，B2引脚与固件升级串口的P4引脚相连，通过该串口可实现对BC20芯片的固件和用户程序烧写；A3引脚与BC20芯片上的TXD_AUX引脚相连，A4引脚与BC20芯片上的RXD_AUX引脚相连，A5引脚与BC20芯片上的TXD_GNSS引脚相连，B3引脚与固件升级串口的P5引脚相连，B4引脚与固件升级串口的P6引脚相连，B5引脚与固件升级串口的P7引脚相连，完成与上位机数据传输。三、电源状态信号监测电路模块：锂电池的电压下降到3V时说明电池的电量不足需要及时充电，设计电路当电池电压低于3V时，指示灯点亮，提示用户及时进行充电。本电路设计采用微功耗的电压检测器HT7030，该芯片有三个引脚，包括VIN、VOUT和GND，VIN是电池电压输入引脚，VOUT为输出引脚连接指示灯，其检测电压为3V，当电池电压高于3V时LED指示灯不亮，当电池电压低于3V时LED指示灯点亮，从而完成电源状态信号的监测工作。整个电池指示电路模块的工作电流只有2uA，充分体现了低功耗的理念。四、电池充电电路模块：由于该设备是可穿戴设备，需要把电池集成在设备里面，因此需要考虑其充电功能，充电电路使用的是TP4056芯片，它是一款单节锂电池恒流恒压线性充电控制芯片，适合USB电源和适配器电源工作，这里选用更方便的USB方式进行充电。TP4056充电截止电压为4.2V，充电电流可通过外部电阻进行设置，当充电电流降至设定值的1/10时，自动结束充电过程(RPROG这个电阻决定了最大充电电流的大小，充电电流I＝1200/RPROG；这里选择RPROG为1.2k，最大充电电流为1A。)。VCC引脚与MicroUSB充电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于NB-IoT的智能可穿戴设备，其特征在于：包括电源模块、串口通信电路模块、电源状态信号监测电路模块、电池充电电路模块、灯带指示电路模块、GPS定位模块、定位信息发送模块、USIM卡连接电信云平台模块；具体内容如下：/n一、电源模块的设计：/n电源模块是为整个设备进行供电的，模拟电源部分由ESD9L5.0ST5G静电保护模块，输入滤波网络、AMS1117-3.3稳压模块、输出滤波网络构成；/n该模块中板外3.7V锂电池作为输入滤波网络的输入，且与ESD9L5.0ST5G静电保护模块相连，输入滤波网络的输出作为稳压模块的输入，稳压模块的输出作为输出滤波网络的输入，最后输出滤波网络的输出电压为稳定的+3.3V电压，最终作为其他模块的供电输入，与BC20芯片的VBAT引脚相连；/n通过AMS117-3.3为该系统中的其它模块提供+3.3V电压信号；输入滤波网络的输出为其他模块提供稳定的电压；/n二、串口通信电路模块：/n留出两个串口：调试串口和固件升级串口；调试串口和固件升级串口都通过TXS0108电平转换模块与BC20芯片相连；TXS0108电平转换模块是8位双向电压电平转换器，把+3.3V电压域转换到+1.8V电压域，这里只使用其中的5位，分别是A1-A5和对应的B1-B5；VCCA引脚和OE引脚与BC20芯片上的VDD_EXT引脚相连，A1引脚与BC20芯片上的TXD_DBG引脚相连，A2引脚与BC20芯片上的RXD_DBG引脚相连，VCCB引脚与固件升级串口的P1引脚相连，GND引脚与固件升级串口的P2引脚相连，B1引脚与固件升级串口的P3引脚相连，B2引脚与固件升级串口的P4引脚相连，通过该串口可实现对BC20芯片的固件和用户程序烧写；A3引脚与BC20芯片上的TXD_AUX引脚相连，A4引脚与BC20芯片上的RXD_AUX引脚相连，A5引脚与BC20芯片上的TXD_GNSS引脚相连，B3引脚与固件升级串口的P5引脚相连，B4引脚与固件升级串口的P6引脚相连，B5引脚与固件升级串口的P7引脚相连，完成与上位机数据传输。/n...

【技术特征摘要】
1.基于NB-IoT的智能可穿戴设备，其特征在于：包括电源模块、串口通信电路模块、电源状态信号监测电路模块、电池充电电路模块、灯带指示电路模块、GPS定位模块、定位信息发送模块、USIM卡连接电信云平台模块；具体内容如下：
一、电源模块的设计：
电源模块是为整个设备进行供电的，模拟电源部分由ESD9L5.0ST5G静电保护模块，输入滤波网络、AMS1117-3.3稳压模块、输出滤波网络构成；
该模块中板外3.7V锂电池作为输入滤波网络的输入，且与ESD9L5.0ST5G静电保护模块相连，输入滤波网络的输出作为稳压模块的输入，稳压模块的输出作为输出滤波网络的输入，最后输出滤波网络的输出电压为稳定的+3.3V电压，最终作为其他模块的供电输入，与BC20芯片的VBAT引脚相连；
通过AMS117-3.3为该系统中的其它模块提供+3.3V电压信号；输入滤波网络的输出为其他模块提供稳定的电压；
二、串口通信电路模块：
留出两个串口：调试串口和固件升级串口；调试串口和固件升级串口都通过TXS0108电平转换模块与BC20芯片相连；TXS0108电平转换模块是8位双向电压电平转换器，把+3.3V电压域转换到+1.8V电压域，这里只使用其中的5位，分别是A1-A5和对应的B1-B5；VCCA引脚和OE引脚与BC20芯片上的VDD_EXT引脚相连，A1引脚与BC20芯片上的TXD_DBG引脚相连，A2引脚与BC20芯片上的RXD_DBG引脚相连，VCCB引脚与固件升级串口的P1引脚相连，GND引脚与固件升级串口的P2引脚相连，B1引脚与固件升级串口的P3引脚相连，B2引脚与固件升级串口的P4引脚相连，通过该串口可实现对BC20芯片的固件和用户程序烧写；A3引脚与BC20芯片上的TXD_AUX引脚相连，A4引脚与BC20芯片上的RXD_AUX引脚相连，A5引脚与BC20芯片上的TXD_GNSS引脚相连，B3引脚与固件升级串口的P5引脚相连，B4引脚与固件升级串口的P6引脚相连，B5引脚与固件升级串口的P7引脚相连，完成与上位机数据传输。


2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的智能可穿戴设备，其特征在于：
三、电源状态信号监测电路模块：
锂电池的电压下降到3V时说明电池的电量不足需要及时充电，设计电路当电池电压低于3V时，指示灯点亮，提示用户及时进行充电；本电路设计采用微功耗的电压检测器HT7030，该芯片有三个引脚，包括VIN、VOUT和GND，VIN是电池电压输入引脚，VOUT为输出引脚连接指示灯，其检测电压为3V，当电池电压高于3V时LED指示灯不亮，当电池电压低于3V时LED指示灯点亮，从而完成电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙光民，关世奎，赵德群，李煜，郑鲲，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11