技术领域
[0001] 本发明属于安全保护技术领域，特别是涉及到于一种基于ZigBee和Lora技术的室外电子校徽定位器。
相关背景技术
[0002] 中小学校园安全问题是一直是全国人民关心的重点，面对中小学的可定位的电子校徽是一种有效的降低中小学事故发生率的发明。应用于校园的定位技术有基于RFID技术，或者其他射频技术的可穿戴设备。这些定位设备可以有效的探测到佩戴了电子校徽的学生位置，基本原理都是通过探测学生所佩戴的设备的无线电信号，通过多点参考确定学生具体位置的。基于此技术产生了自动签到、缺勤报警、人员流动异常报警等等功能。这些功能有效的降低了中小学发生安全事故的风险。
[0003] 由于建筑物的遮挡，无法通过GPS信号对电子设备进行准确的定位，这也是电子校徽自己铺设定位网络的原因。但是自己铺设定位网络的话，那么室外环境就难以做到像室内一样的覆盖密度，定位辅助设备的布置、供电和坐标确定、定位网络的数据传输等都是亟待解决的问题。如果在室外使用GPS定位，那么会增加学生佩戴的电子校徽的重量，并且会导致成本和功耗的增加。
具体实施方式
[0017] 一种基于ZigBee和Lora技术的室外电子校徽定位器，该定位器适用于室外的电子校徽定位场景,提供基于ZigBee的定位能力,并具备远距离通信能力，如图1及图2所示，其外部包括天线9、外壳8以及太阳能发电板1，所述外壳8内部包括ZigBee电路2、Lora电路3、GPS模块7、锂离子电池4、充电电路5以及放电电路6。所述天线9为两根，通过外壳，一根连接到ZigBee电路2；一根连接到Lora电路3；所述ZigBee电路2用于定位及远距离通信，通过SPI接口与Lora电路3通信连接，通过UART通信协议与GPS模块7通信连接；所述太阳能发电板1的电源线通过外壳，将电压输出端与充电电路5的输入端连接；所述充电电路5的输出端与锂离子电池4连接；所述锂离子电池4的电源两端与放电电路6连接；所述放电电路6与ZigBee电路2、Lora电路3以及GPS模块7连接。
[0018] 本发明实现的功能为：安装于中小学校园的室外环境里，提供给使用ZigBee作为定位方法的电子校徽参考定位能力，同时支持将电子校徽的定位数据远程发送到服务器，降低了在室外铺设定位网络的难度。定位器在支持定位的基础上，无需在电子校徽上安装GPS或者北斗等耗电大的定位方式，不会过多的增加电子校徽的功耗。
[0019] 在本发明优选的实施例中太阳能发电板1功率为6V，5W的发电板，GPS模块7为支持低功耗的GSP模块，在确定坐标后以及获取时钟后，即进入到较长时间的休眠模式中。在晚间无人时，系统会进入到休眠模式中节省电能。由于中小学上课时间较为集中，所以经常会出现室外并没有多少学生走动的情况，如果定位器检测到周边没有节点，则也会关闭GPS模块7以及Lora电路3并进入到休眠模式中。因此5W的太阳能发电板1足够系统的日常运行。而如果检测到周边有佩戴电子校徽的学生在活动，则会保持监听状态，对电子校徽进行定位。由于室外网络中，部分的定位器会由于没有人员活动而进入到低功耗模式下，因此在此时，定位器会启动Lora电路3的SX1278芯片作为远程数据手段，通过Lora电路3将定位数据发送到服务器上。
[0020] 太阳能发电板1的电源输出端连接到充电电路5的芯片BQ24650上，BQ24650是一款TI公司生产的充电控制芯片，充电电压是可以调节的，调节公式为：
[0021]
[0022] R2为BQ24650芯片VFB引脚连接到电池正极之间的电阻，实际中使用的R2和R1均为100kΩ。BQ24650芯片支持MPPT功能，支持太阳能发电板1的最大功率输出为锂离子电池4充电。
[0023] 锂离子电池4的电源两端连接到放电电路6的TPS62260芯片上，通过降压后作为电能的输出。
[0024] TPS62260芯片是一款高效的同步降压型DC/DC转换器。可从单个锂离子电池4提供高达600mA的输出电流，它支持2V至6V的输入电压，输出电压可通过R2和R1两个电阻进行调节。调节公式为：
[0025]
[0026] 其中，Vref是芯片的一个固定的参考电压，为0.6V，本设计中，R1电阻为450kΩ，R2为100kΩ。最终的输出电压为3.3V。输出端连接ZigBee电路2、Lora电路3以及GPS模块7。
[0027] Lora电路3部分包括了一个SX1278芯片以及它的外围电路，它通过SPI接口与CC2530芯片进行连接，同时受CC2530芯片控制休眠状态。
[0028] 锂离子电池4采用的是电压为3.7V的大容量电池，电池容量约为20000maH左右，由于系统在很多情况下的工作并不是连续性的，所以实际耗电量极小，设计的容量足够支持太阳能发电板1不发电的条件下使用3天左右。
[0029] 外壳8部分为一个塑料外壳，太阳能发电板1安装在外壳8的上面，外壳8与太阳能发电板1的连接线出口在外壳8的底部，用以达到防止雨水进入的目的。电路板以及锂离子电池4放置在外壳8内部。
[0030] ZigBee电路2的CC2530芯片作为控制器使用，它通过SPI通信协议与SX1278芯片进行通信，通过UART通信协议与GPS模块7进行通信。在系统启动时，CC2530芯片会控制SX1278芯片进入休眠模式，并打开GPS模块7获取位置信息并获取时钟信息。当GPS模块7完成定位后，CC2530芯片记录经纬度坐标，并校准自己的时钟，在完成记录之后，关闭GPS模块7用以节省功耗。之后系统进入到正常工作模式中。
[0031] 在正常模式中，CC2530芯片会检测周边的信号，检测时间是1.5分钟。当周边没有电子校徽的信号时，会通知附近的定位器自己进入休眠状态。如果周边没有定位器，无法构建ZigBee网络，则会以一个频率不断的唤醒监听。监听频率来自与从服务器下载上课时间表。系统会在下课期间增加监听频率，在上课时减少监听频率用以节省电能。时钟是CC2530芯片从GPS模块7获得的，为了防止CC2530芯片的时钟漂移，CC2530芯片每隔30分钟打开一个GPS获取时钟信息。如果周边存在ZigBee网络，那么系统也会将自己的监听频率，并和周边的定位器约定自己的唤醒时间，用以交换信息。信息包括周边的节点是否存在电子校徽，如果存在则保持在唤醒状态，用以辅助定位或为佩戴电子校徽的人员像自己方向移动做准备。
[0032] 当定位器完成对电子校徽的定位后，由于在ZigBee中可能存在大量的节点处于休眠状态中，数据不能通过ZigBee网络快速的上传，因此定位器在传输数据时，使用的是SX1278芯片。CC2530芯片会唤醒SX1278芯片，并通过SX1278芯片将数据上传。
[0033] 显然，本发明适用于电子校徽的室外定位场景，可以在不增加电子校徽的成本、厚度、功耗的情况下，提供一定精度的室外定位服务,能接入到室内定位服务中,对于使用ZigBee的电子校徽来说,本系统具有很高的应用价值。
[0034] 除上述实施例外，本发明还可以由其他实施方式，凡采用等同替换或者等效变换形成的技术方案，均落在本发明权利要求的保护范围内。
