技术领域
[0001] 本
发明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。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,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。
[0005] 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。
[0006] 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、有价值的项目发明。
发明内容
[0007] 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。本发明设计了一款基于NB-IoT的智能可穿戴设备。发明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。发明的具体内容如下：
[0008] 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。
[0009] 一、电源模块的设计：
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 二、串口通信电路模块：
[0013] 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。
[0014] 三、电源状态信号监测电路模块：
[0015] 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。
[0016] 四、电池充电电路模块：
[0017] 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Micro USB充电
接口相连，BAT引脚与3.7V锂电池相连，PROG引脚与充电电流控制电阻相连来设置最大充电电流，CHRG引脚与充电状态指示灯电路相连，以指示正在充电，STDBY引脚与充电完成指示灯电路相连，以指示充电完成。输入电压被移掉后，自动进入超低功耗待机，待机电流降至1uA以下。
[0018] 五、GPS定位模块：
[0019] 该穿戴设备的定位功能主要由此GPS定位模块来提供，由于要将GPS模块集成在设备
电路板中，且符合低功耗，因此需要使用板载无源GPS模块，最终选用W3011A芯片，满足
频率为1575.42±1.023MHz，
驻波比小于2(Typ.)，天线增益大于0dBi。GPS电路中预留Π型匹配电路，用于天线阻抗的调节，走线阻抗匹配为50Ω，走线尽可能短。BC20芯片上的GNSS_ANT引脚与GPS芯片的FEED引脚相连，该引脚是天线的馈点，将定位信号传送到BC20芯片中。BC20芯片上的GND引脚与GPS芯片的GND引脚相连。由此GPS定位模块可获取该设备的坐标信息和时间信息。
[0020] 六、RF天线模块：
[0021] 获取到该设备的坐标信息和时间信息后，需要把这些信息发送到电信云平台，为了能够更好地连接到电信云平台，需要设计RF天线模块。由于要将RF天线集成在设备电路板中，且RF天线参数需要满足频率为LTE B5，最大输入功率为50，还要考虑尽量减小体积和功耗，因此选择了板载无源RF天线W3073芯片，该芯片只有一个馈点，电路中预留Π型匹配电路，用于调节天线的阻抗，PCB走线阻抗匹配为50Ω，要求走线尽可能短。RF_ANT引脚与RF天线的FEED引脚通过50Ω阻抗匹配线路相连。由此RF天线模块可使设备更好的工作。
[0022] 七、USIM卡电路模块：
[0023] 这里选择的是贴片类型的电信物联网SIM卡，首先是要保证体积小，其次是电信的基站覆盖比较广泛，信号质量较好，可使设备的应用面更广。USIM卡的VCC引脚与BC20芯片的SIM_VDD引脚相连；USIM卡的RST引脚与BC20芯片的SIM_RST引脚相连，USIM卡的I/O引脚与BC20芯片的SIM_DATA引脚相连，USIM卡的CLK引脚与BC20芯片的SIM_CLK引脚相连，USIM卡的GND引脚与BC20芯片的SIM_GND引脚相连。以上所有引脚均需要与静电保护模块NUP5150MUTBG相连,对USIM和BC20进行静电保护。NUP5150MUTBG是5路ESD静电保护电路模块，在电路设计中，保证外部USIM卡座信号线布线长度不超过200mm，信号线布线远离RF走线和VBAT电源线，在模块和外部USIM卡之间需要
串联22欧姆的电阻用以抑制杂散EMI、增强ESD防护，在SIM_DATA、SIM_VDD、SIM_CLK和SIM_RST线上并联33pF电容用于滤除射频干扰。
[0024] 与
现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0025] 本发明主要解决了老人外出活动以及独自在家中活动时可能发生意外导致危险情况发生而不能被他人及时发现并得到及时的救助的问题，通过穿戴该设备，在老人发生意外时能够主动发出救助信号；与现有的一些可穿戴设备相比，本发明更具有专一性，拥有体积小、功耗低、穿戴方便、信号覆盖广等优点。
附图说明
[0026] 图1为本发明所涉及的智能可穿戴设备总体图；
[0027] 图2为本发明所涉及的电源模块的设计原理图；
[0028] 图3为本发明所涉及的串口通信电路模块的设计原理图；
[0029] 图4为本发明所涉及的电源状态信号监测电路模块的设计原理图；
[0030] 图5为本发明所涉及的电池充电电路模块的设计原理图；
[0031] 图6为本发明所涉及的GPS定位模块设计原理图；
[0032] 图7为本发明所涉及的RF模块设计原理图；
[0033] 图8为本发明所涉及的USIM卡电路模块设计原理图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0035] 本发明是一款智能可穿戴设备，采用超低功耗的NB-IoT模块BC20作为主控芯片，按照模块可划分为电源模块、串口通信模块、电源状态信号监测电路模块、电池充电模块、GPS定位模块、RF射频模块和USIM卡电路模块。该设备的总体
框图如附图1所示，各模块的具体实施方式如下所述。
[0036] 一、电源模块的设计：
[0037] 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。
[0038] 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，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。输入滤波网络的输出作为AMS1117-3.3稳压模块的输入，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。AMS1117-3.3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，最终经过滤波模块滤波后作为其他模块的供电输入，分别与BC20芯片的VBAT引脚和GND引脚相连。上述各个模块的GND端都需要彼此连接起来。该模块的设计原理框图如附图2所示。
[0039] 二、串口通信电路模块：
[0040] 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。该模块的设计原理框图如附图3所示。
[0041] 三、电源状态信号监测电路模块：
[0042] 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。该模块的设计原理框图如附图4所示。
[0043] 四、电池充电电路模块：
[0044] 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Micro USB充电接口相连，BAT引脚与3.7V锂电池相连，PROG引脚与充电电流控制电阻相连来设置最大充电电流，CHRG引脚与充电状态指示灯电路相连，以指示正在充电，STDBY引脚与充电完成指示灯电路相连，以指示充电完成。输入电压被移掉后，自动进入超低功耗待机，待机电流降至1uA以下。该模块的设计原理框图如附图5所示。
[0045] 五、GPS定位模块：
[0046] 该穿戴设备的定位功能主要由此GPS定位模块来提供，由于要将GPS模块集成在设备电路板中，且符合低功耗，因此需要使用板载无源GPS模块，最终选用W3011A芯片，满足频率为1575.42±1.023MHz，驻波比小于2(Typ.)，天线增益大于0dBi。GPS电路中预留Π型匹配电路，用于天线阻抗的调节，走线阻抗匹配为50Ω，走线尽可能短。BC20芯片上的GNSS_ANT引脚与GPS芯片的FEED引脚相连，该引脚是天线的馈点，将定位信号传送到BC20芯片中。BC20芯片上的GND引脚与GPS芯片的GND引脚相连。由此GPS定位模块可获取该设备的坐标信息和时间信息。该模块的设计原理框图如附图6所示。
[0047] 六、RF天线模块：
[0048] 获取到该设备的坐标信息和时间信息后，需要把这些信息发送到电信云平台，为了能够更好地连接到电信云平台，需要设计RF天线模块。由于要将RF天线集成在设备电路板中，且RF天线参数需要满足频率为LTE B5，最大输入功率为50，还要考虑尽量减小体积和功耗，因此选择了板载无源RF天线W3073芯片，该芯片只有一个馈点，电路中预留Π型匹配电路，用于调节天线的阻抗，PCB走线阻抗匹配为50Ω，要求走线尽可能短。RF_ANT引脚与RF天线的FEED引脚通过50Ω阻抗匹配线路相连。由此RF天线模块可使设备更好的工作。该模块的设计原理框图如附图7所示。
[0049] 七、USIM卡电路模块：
[0050] 这里选择的是贴片类型的电信物联网SIM卡，首先是要保证体积小，其次是电信的基站覆盖比较广泛，信号质量较好，可使设备的应用面更广。USIM卡的VCC引脚与BC20芯片的SIM_VDD引脚相连；USIM卡的RST引脚与BC20芯片的SIM_RST引脚相连，USIM卡的I/O引脚与BC20芯片的SIM_DATA引脚相连，USIM卡的CLK引脚与BC20芯片的SIM_CLK引脚相连，USIM卡的GND引脚与BC20芯片的SIM_GND引脚相连。以上所有引脚均需要与静电保护模块NUP5150MUTBG相连,对USIM和BC20进行静电保护。NUP5150MUTBG是5路ESD静电保护电路模块，在电路设计中，保证外部USIM卡座信号线布线长度不超过200mm，信号线布线远离RF走线和VBAT电源线，在模块和外部USIM卡之间需要串联22欧姆的电阻用以抑制杂散EMI、增强ESD防护，在SIM_DATA、SIM_VDD、SIM_CLK和SIM_RST线上并联33pF电容用于滤除射频干扰。该模块的设计原理框图如附图8所示。
