基于陀螺传感器的动物运动状态监测器及其监测方法

1.一种基于陀螺传感器的动物运动状态监测器，包括动物跟踪器，所述动物跟踪器包括依次电连接的：电源模块、CPU处理器、以及无线通信部件；其特征在于：所述CPU处理器连接有IIC通信协议控制器，所述IIC通信协议控制器连接有陀螺传感器；
所述电源模块包括太阳能电池、充电控制电路、以及超级电容器；所述充电控制电路包括至少一个电源输入端子、BOOST型升压电路、控制逻辑电路、PWM信号发生器、至少一个充电输出端子、以及至少一个电源驱动输出端子，所述充电控制电路的电阻与太阳能电池的内阻相等；所述太阳能电池与充电控制电路的电源输入端子电连接，所述充电控制电路的充电输出端子与超级电容器电连接；
所述CPU处理器包括CPU单元、以及与所述CPU单元电连接的模数转换单元、内部存储器、CPU电源、射频通讯控制器、以及I/O端子；所述无线通信部件包括射频电源和无线射频通信电路；所述无线射频通信电路上设有板载天线IPX插座，所述板载天线IPX插座插接有射频天线；所述模数转换单元设有两个电源电压信号输入端子、一个状态电压输入端子、以及一个工作电压输入端子；所述无线射频通信电路包括至少一个位置定位系统；所述充电控制电路的电源驱动输出端子与CPU电源电连接；所述超级电容器分别与模数转换单元的一个电源电压信号输入端子、射频电源电连接；所述太阳能电池与模数转换单元的另一个电源电压信号输入端子电连接；所述I/O端子与控制射频电源工作状态的开关端子电连接；
所述无线射频通信电路通过通讯总线与射频通讯控制器连接；所述射频通讯控制器通过数据线与无线射频通信电路的工作状态开关端子连接。
2.根据权利要求1所述的基于陀螺传感器的动物运动状态监测器，其特征在于：所述CPU处理器设有SPI通信控制器。
3.根据权利要求2所述的基于陀螺传感器的动物运动状态监测器，其特征在于：所述CPU处理器设有DCMI控制器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于陀螺传感器的动物运动状态监测器，其特征在于：所述CPU单元为16位MSP430芯片；所述位置定位系统为GPS卫星定位系统、格洛纳斯定位系统、移动通信基站定位系统中的一种。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述动物运动状态监测器的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤101、陀螺传感器在时间间隔为M的两个时刻采集动物的两个姿态信息，随后将上述两个姿态信息转换为电信号发送给CPU处理器；
步骤102、CPU处理器接收上述两个姿态信息，并对上述两个姿态信息进行比较，如果两个姿态信息相同，则认定动物死亡；其中M>0；
步骤103、CPU处理器将上述姿态信息以及动物是否死亡信息通过无线通信部件发送给远端的接收器。
6.一种根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于：所述M的大小等于动物四分之一个呼吸周期。
7.一种根据权利要求1-4任一项所述动物运动状态监测器的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤201、陀螺传感器在时间间隔为M的两个时刻采集动物的两个姿态信息，随后将上述两个姿态信息转换为电信号发送给CPU处理器；
步骤202、CPU处理器通过无线通信部件将上述两个姿态信息发送给远端的接收器；
步骤203、接收器接收上述姿态信息，并将上述两个姿态信息进行比较，如果两个姿态信息相同，则认定动物死亡；其中M>0。
8.一种根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于：所述M的大小等于动物四分之一个呼吸周期。

基于陀螺传感器的动物运动状态监测器及其监测方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及鸟类跟踪设备技术领域，特别是涉及一种基于陀螺传感器的动物运动状态监测器及其监测方法。\n背景技术\n[0002] 众所周知，动物运动状态监测器是人类了解动物、以及了解动物生存环境的必备设备之一；由于动物运动状态监测器在对动物跟踪、研究的过程中承担着非常重要的角色；\n因此各国科研工作者正在不遗余力地研发新的跟踪技术或者是对现有技术跟踪设备进行改进，从而使得现有的动物运动状态监测器能够满足多种条件的需要；目前，传统动物运动状态监测器的主要功能是对动物的位置监测，比如中国专利申请号200720305341.5，发明名称为：一种动物运动跟踪装置及系统；其公开了一种基于GPS、和GSM模块的双定位系统；\n中国专利申请号为201020552567.7，发明名称为：一种太阳能寻踪装置；其公开了一种基于太阳能的动物跟踪装置。\n[0003] 通过长期的实践环节发现：由于动物(特别是野生鸟类动物)的生产环境比较恶劣，因此动物的生命安全会随时受到各种危险因素的威胁；因此，及时快速地掌握动物的生命状态信息显得是至关重要；目前，科研工作者在对动物死亡的判断过程中，经常采用的方法为：首先通过GPS获取动物的位置信息，然后在一个比较长的时间段内，一般情况下至少为一两天的时间，如果GPS获取到的动物位置信息未发生改变，则判定为动物死亡；所以，上述传统技术存在如下的缺陷：一、耗时比较长，效率低；至少为一两天的时间；二、误判率高，如果动物受伤或者是其他因素(比如冬眠)，则GPS获取到的动物位置信息将会在一个比较长的时间段内固定，因此极易发生误判。所以，设计开发一种能够克服上述缺陷的动物运动状态监测器及其监测方法及其方法相的尤为重要。\n发明内容\n[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种低功耗的基于陀螺传感器的动物运动状态监测器及其监测方法及其方法。\n[0005] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：\n[0006] 一种基于陀螺传感器的动物运动状态监测器，包括动物跟踪器，所述动物跟踪器包括依次电连接的：电源模块、CPU处理器、以及无线通信部件；所述CPU处理器连接有IIC通信协议控制器，所述IIC通信协议控制器连接有陀螺传感器。\n[0007] 进一步：所述电源模块包括太阳能电池、充电控制电路、以及超级电容器；所述充电控制电路包括至少一个电源输入端子、BOOST型升压电路、控制逻辑电路、PWM信号发生器、至少一个充电输出端子、以及至少一个电源驱动输出端子，所述充电控制电路的电阻与太阳能电池的内阻相等；所述太阳能电池与充电控制电路的电源输入端子电连接，所述充电控制电路的充电输出端子与超级电容器电连接。\n[0008] 更进一步：所述CPU处理器包括CPU单元、以及与所述CPU单元电连接的模数转换单元、内部存储器、CPU电源、射频通讯控制器、以及I/O端子；所述无线通信部件包括射频电源和无线射频通信电路；所述无线射频通信电路上设有板载天线IPX插座，所述板载天线IPX插座插接有射频天线；所述模数转换单元设有两个电源电压信号输入端子、一个状态电压输入端子、以及一个工作电压输入端子；所述无线射频通信电路包括至少一个位置定位系统；所述充电控制电路的电源驱动输出端子与CPU电源电连接；所述超级电容器分别与模数转换单元的一个电源电压信号输入端子、射频电源电连接；所述太阳能电池与模数转换单元的另一个电源电压信号输入端子电连接；所述I/O端子与控制射频电源工作状态的开关端子电连接；所述无线射频通信电路通过通讯总线与射频通讯控制器连接；所述射频通讯控制器通过数据线与无线射频通信电路的工作状态开关端子连接。\n[0009] 更进一步：所述CPU处理器设有SPI通信控制器。\n[0010] 更进一步：所述CPU处理器设有DCMI控制器。\n[0011] 更进一步：所述CPU单元为16位MSP430芯片；所述位置定位系统为GPS卫星定[0012] 位系统、格洛纳斯系统定位系统、移动通信基站定位系统中的一种。\n[0013] 一种基于陀螺传感器动物运动状态的监测方法，包括如下步骤：\n[0014] 步骤101、陀螺传感器在时间间隔为M的两个时刻采集动物的两个姿态信息，随后将上述两个姿态信息转换为电信号发送给CPU处理器；\n[0015] 步骤102、CPU处理器接收上述两个姿态信息，并对上述两个姿态信息进行比较，如果两个姿态信息相同，则认定动物死亡；其中M>0；\n[0016] 步骤103、CPU处理器将上述姿态信息以及动物是否死亡信息通过无线通信部件发送给远端的接收器。\n[0017] 进一步：所述M的大小等于动物四分之一个呼吸周期\n[0018] 一种基于陀螺传感器动物运动状态的监测方法，包括如下步骤：\n[0019] 步骤201、陀螺传感器在时间间隔为M的两个时刻采集动物的两个姿态信息，随后将上述两个姿态信息转换为电信号发送给CPU处理器；\n[0020] 步骤202、CPU处理器通过无线通信部件将上述两个姿态信息发送给远端的接收器；\n[0021] 步骤203、接收器接收上述姿态信息，并将上述两个姿态信息进行比较，如果两个姿\n[0022] 态信息相同，则认定动物死亡；其中M>0。\n[0023] 进一步：所述M的大小等于动物四分之一个呼吸周期。\n[0024] 本发明具有的优点和积极效果是：\n[0025] 由于本发明在动物跟踪器上采用了陀螺传感器，因此一方面可以获取到动物的姿态信息，另一方面通过动物的姿态信息，可以对动物的生命状态进行判断；与传统技术相比较，具有工作效率高的优点；同时，由于只要动物处于存活状态，则其必然具有呼吸和心跳，因此，只要动物有呼吸或者是心跳，则陀螺传感器在两个不同的时刻采集到的状态信息则会发生改变，所以可以准确地判断出动物生命状态的信息。\n[0026] 由于本发明中充电控制电路的电阻与太阳能电池的内阻相等，因此可以保证充电控制电路的输出功率最大化；进而满足超级电容器和CPU处理器的电量需求；提高电能的利用率；\n[0027] 由于在太阳能电池和负载(CPU处理器和无线通信部件)之间增加了充电控制电路，因此一方面可以保证CPU处理器电压工作的稳定性，另外一方面保证超级电容器的快速充放电电压要求；\n[0028] 由于无线通信部件设置有射频电源，因此为CPU处理器控制无线通信部件间歇性工作提供了很好的硬件基础；同时进一步提高了电能的利用率，降低电能的损耗；\n[0029] 由于无线射频通信电路包括至少一个位置定位系统，因此在使用的过程中，可以采用多个位置定位系统组合的方式，在提高定位精度的同时，保证定位功能的可靠性。\n附图说明\n[0030] 图1是本发明的电路框图；\n[0031] 图2是本发明中充电控制电路的等效电路图；\n[0032] 图3是本发明中图2的优化电路图；\n[0033] 其中：1、太阳能电池；2、充电控制电路；3、超级电容器；4、CPU处理器；5、无线通信部件。\n具体实施方式\n[0034] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：\n[0035] 请参阅图1，一种基于陀螺传感器的动物运动状态监测器，包括动物跟踪器，所述动物跟踪器包括依次电连接的：电源模块、CPU处理器4、以及无线通信部件5；所述CPU处理器连接有IIC通信协议控制器，所述IIC通信协议控制器连接有陀螺传感器；\n[0036] 其中：作为优选，为了实现电源模块使用寿命长，快速充放电的功能，电源模块包括太阳能电池1、充电控制电路2、以及超级电容器3；充电控制电路2包括至少一个电源输入端子、BOOST型升压电路、控制逻辑电路、PWM信号发生器、至少一个充电输出端子、以及至少一个电源驱动输出端子，充电控制电路2的电阻与太阳能电池1的内阻相等；太阳能电池1与充电控制电路2的电源输入端子电连接，充电控制电路2的充电输出端子与超级电容器3电连接；\n[0037] CPU处理器4包括CPU单元、以及与所述CPU单元电连接的模数转换单元、内部存储器、CPU电源、射频通讯控制器、以及I/O端子；无线通信部件5包括射频电源和无线射频通信电路；所述无线射频通信电路上设有板载天线IPX插座，所述板载天线IPX插座插接有射频天线；所述模数转换单元设有两个电源电压信号输入端子、一个状态电压输入端子、以及一个工作电压输入端子；所述无线射频通信电路包括至少一个位置定位系统；充电控制电路2的电源驱动输出端子与CPU电源电连接；超级电容器3分别与模数转换单元的一个电源电压信号输入端子、射频电源电连接；太阳能电池1与模数转换单元的另一个电源电压信号输入端子电连接；所述I/O端子与控制射频电源工作状态的开关端子电连接；所述无线射频通信电路通过通讯总线与射频通讯控制器连接；所述射频通讯控制器通过数据线与无线射频通信电路的工作状态开关端子连接。\n[0038] 为了便于CPU处理器4能够存储更多的数据，在上述具体实施例的基础上，CPU处理器4设有连接MicroSD卡用的SPI通信控制器。\n[0039] 为了便于基于陀螺传感器的动物运动状态监测器及其监测方法能够方便快速的连接更多外设，比如摄像头，在上述具体实施例的基础上，CPU处理器4设有DCMI控制器。\n[0040] 由于CPU单元是本发明的耗电元器件之一，为了减少电能的损耗，作为优选，上述多个具体实施例中的CPU单元优选16位MSP430芯片。\n[0041] 为了保证位置定位系统工作的可靠性：所述位置定位系统选用技术比较成熟的GPS卫星定位系统、格洛纳斯系统定位系统、移动通信基站定位系统中的一种，也可以选用多种进行配合使用。\n[0042] 本发明的工作过程主要有两种：\n[0043] 第一种：一种基于陀螺传感器动物运动状态的监测方法，包括如下步骤：\n[0044] 步骤101、陀螺传感器在时间间隔为M的两个时刻采集动物的两个姿态信息，随后将上述两个姿态信息转换为电信号发送给CPU处理器；为了保证采集信号的精度，上述陀螺传感器优选三自由度陀螺仪；\n[0045] 步骤102、CPU处理器接收上述两个姿态信息，并对上述两个姿态信息进行比较，如果两个姿态信息相同，则认定动物死亡；其中M>0；\n[0046] 步骤103、CPU处理器将上述姿态信息以及动物是否死亡信息通过无线通信部件发送给远端的接收器。\n[0047] 在上述优选实施例的基础上，如果将动物的每次呼吸或者心跳用一个函数曲线表示，则相邻四分之一个呼吸周期内的两个状态之间的差异会最大化，因此M的大小等于动物四分之一个呼吸周期。\n[0048] 第二种：一种基于陀螺传感器动物运动状态的监测方法，包括如下步骤：\n[0049] 步骤201、陀螺传感器在时间间隔为M的两个时刻采集动物的两个姿态信息，随后将上述两个姿态信息转换为电信号发送给CPU处理器；为了保证采集信号的精度，上述陀螺传感器优选三自由度陀螺仪；\n[0050] 步骤202、为了减少动物运动状态监测器的体积和重量，则尽量选用微小型号的CPU处理器，因此，CPU处理器通过无线通信部件将上述两个姿态信息发送给远端的接收器；\n即将数据处理的任务由接收器承担；这样可以减少CPU处理器的体积，同时也可以减少耗电量；\n[0051] 步骤203、接收器接收上述姿态信息，并将上述两个姿态信息进行比较，如果两个姿\n[0052] 态信息相同，则认定动物死亡；其中M>0。\n[0053] 在上述优选实施例的基础上，如果将动物的每次呼吸或者心跳用一个函数曲线表示，则相邻四分之一个呼吸周期内的两个状态之间的差异会最大化，因此M的大小等于动物四分之一个呼吸周期。\n[0054] 本发明的工作过程为：太阳能电池1产生的电能，一方面输出给充电控制电路2，另一方面为CPU处理器4的模数转换单元提供电量，由于充电控制电路2的电阻与太阳能电池1的内阻相等，因此，充电控制电路2的输出功率可以最大化，于是，充电控制电路2一方面可以为CPU处理器4提供3.3V的驱动电能，另外一方面为超级电容器2提供充电电能，同时也为陀螺传感器提供电能，由于超级电容器2本身具有快速充电的功能，因此超级电容器2的电能达到饱和状态的时间会比较短(与传统的普通蓄电池，比如锂电池相比较)，当超级电容器2的电能达到饱和状态时，射频电源得到电能，此时，射频电源具有为无线射频通信电路提供电能的能力，此时，如果CPU单元通过I/O端子开启射频电源，则无线射频通信电路获得电能开始工作，即无线射频通信电路通过位置定位系统获取动物的位置信息，然后将位置信息依次通过通讯总线、射频通讯控制器、CPU单元发送给内部存储器，然后CPU单元再从内部存储单元中提取存储的位置信息，再进行数据发送到服务器终端；由于本发明具有了上述硬件基础，因此，CPU单元可以通过I/O端子向射频电源发送间断性启停信号，这样就可以减少电能的损耗，保证动物运动状态监测器能够持续长久地处于最佳工作状态。\n[0055] 如图2所述，为了充电控制电路2的输出功率可以最大化，充电控制电路2通过设定电阻R4实现充电控制电路2的电阻与太阳能电池板1内阻的相等匹配；\n[0056] 即：太阳能电池板1为高阻型功率输出器件，设它的内部等效电阻为Ri，则，太阳能充电管理电路内部也有一个等效电阻，设定为Rx，则，通过Ri＝Rx+R4实现外部电阻与内部电阻等效，实现功率最大化。\n[0057] 通过电阻R4设定，可以做到当外部太阳能电池板1在太阳光在多云等有临时性遮蔽物的情况下，可以保证对充电电池充电电压不至于很快跌落到无法正常充电的情况，即：\n跌落将是一个缓慢的过程，并同时保证被充电的超级电容器3不至于立刻再向充电电路进行放电，从而保护充电电路。\n[0058] 因为充电控制电路2在对超级电容器3充电的同时，还对CPU处理器4进行供电，所以，太阳能电池板1内部等效电路如图3所示：\n[0059] 该充电控制电路2属于LDO型电路架构(降压输出电路，即：输入>输出)。通过外部电阻R3和电阻R4进行外部输出电压调节控制。但在LDO电路之前，LDO电路输入电压来自电容器C5两端电压。\n[0060] 为了保证输入电源的利用率，也就是宽电压输入，所以，在控制逻辑电路内部，有一个BOOST型控制逻辑电路。正常情况下，内部电路有一个PWM信号发生器，会周期性产生一个PWM方波信号。而这个方波信号的输出连接到了场效应管Q1上。当PWM信号发生器当前电平为高电平信号的时候，场效应管Q1的源级与栅极导通，即处于短路状态，此时场效应管Q1器件后面的电容C2，电容C5电容没有被充电。\n[0061] 当PWM信号发生器从高电平瞬间转换成为低电平的时候，场效应管Q1的源级与栅极断开，场效应管Q1不在让后面的电路处于短路状态，从而获得电量。此时，由于先前电感L1一直处于被充电的状态，所以，此时，外部输入电压和电感L1所感生出的电压叠加到一起对电容C2，电容C5充电。\n[0062] 即：输出电压>输入电压\n[0063] 而电感产生的电压又由外部电阻R1和R2设定。设定方法在PWM信号发生器发生期内完成。\n[0064] 经过以上若干各PWM信号周期，电容C2，电容C5被稳定在用户设定输出电压上，故，此时，射频电路趋于稳定输出状态。\n[0065] 之后，充电控制电路2将会分出两路进行输出，一路被送到CPU处理器4，对它进行供电；另一路，被送到超级电容器3，使得充电得以进行。\n[0066] 这个外部LDO型电路输出电压可以为CPU处理器4供电；使得CPU处理器4可以独立于被充电的超级电容器3的电源独立工作。这使得在超级电容器3被充电的同时，CPU处理器\n4可以实时监控产品电路中任何一个电路的工作状态。\n[0067] 太阳能电池1的电压输入范围：0.2V至5V的极宽输入范围内工作，充电控制电路2接受的输入源为：太阳能电池1。其中充电控制电路2的最大功率电压设定为2V输入电压。\n故，太阳能电池1在大于等于2V电压的时候，充电控制电路2会全效率对超级电容进行充电。\n[0068] 图3中，太阳能电池1电阻选型计算方法：\n[0069]\n[0070] 充电控制电路2中直流电源变换电压计算方法：\n[0071]\n[0072] 根据上述两公式计算得出：\n[0073] R1＝1.1MΩ，R5＝499KΩ，R7＝1.1MΩ，R8＝549KΩ\n[0074] 以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。