基于NB-IoT的戶外個(gè)人物品定位設(shè)計(jì)

王慧

摘要：NB-IoT技術(shù)是目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景最為廣闊的一項(xiàng)技術(shù)，本文采用移遠(yuǎn)通信的NB-IoT模組BC20，設(shè)計(jì)了一款戶外個(gè)人物品定位裝置。在戶外時(shí)，本裝置可根據(jù)設(shè)置時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，每次發(fā)送定位信息可包括時(shí)間和經(jīng)緯度。當(dāng)物品處于丟失模式，而且電池容量低的時(shí)候，系統(tǒng)處于低功耗模式，定位信息的上報(bào)頻次降低，維持系統(tǒng)剩余電量，能夠保證人工近距離搜索的成功率。實(shí)物測試版的外形尺寸為58mm*90mm，總重量低于130g。實(shí)際使用時(shí)還可以根據(jù)需要去除不需要部分，雙面器件布局，尺寸會(huì)縮減到40mm*50mm，接近火柴盒的大小，便于用戶攜帶。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;個(gè)人物品定位;實(shí)時(shí)定位;定位追蹤

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）28-0092-03

Abstract： NB-IoT technology is one of the most promising technologies in the Internet of Things. This paper uses an NB-IoT module BC20 from Shanghai YiYuan Co.， Ltd. to design an outdoor personal object locating device. When outdoors， the device can perform real-time positioning according to the set time， and the positioning information can be included in time and latitude and longitude. When the item is in the lost mode and the battery capacity is low， the system is in the low power mode， the reporting frequency of the positioning information is reduced， and the remaining power of the system is maintained， which can ensure the success rate of the manual close distance search. The physical test version has a frame size of 58mm*90mm and a total weight of less than 130g. In actual use， it is also possible to remove unnecessary parts as needed， and the layout of the double-sided device is reduced to 40mm*50mm， which is close to the size of the matchbox and is convenient for the user to carry.

Key words： Internet of Things; NB-IoT; personal item targeting; real-time positioning; position tracking

1 NB-IoT簡介

1.1 產(chǎn)生背景

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)目前發(fā)展需求旺盛，從個(gè)人穿戴設(shè)備到智能家居市場，從智慧城市到物流管理等，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)將引發(fā)整個(gè)社會(huì)的革命性變化。NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是物聯(lián)網(wǎng)最具發(fā)展前景的一個(gè)新興技術(shù)，也稱低功耗廣域網(wǎng)，支持廣域網(wǎng)下低功耗設(shè)備蜂窩數(shù)據(jù)連接[1]。主要由3GPP組織進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究。1998年12月創(chuàng)建的3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）一開始是歐美以及中國日本韓國的標(biāo)準(zhǔn)化組織為了合作進(jìn)行3G標(biāo)準(zhǔn)化而創(chuàng)建的項(xiàng)目，現(xiàn)在研究領(lǐng)域已經(jīng)延伸到5G。2015年8月，該組織的GERAN工作組輸出了研究報(bào)告TR45.820[2]，該報(bào)告內(nèi)容是與窄帶物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的。而在TR45.820中最有影響的技術(shù)就是NB-LTE和NB-CIoT兩個(gè)技術(shù)。2015年9月這兩個(gè)技術(shù)相結(jié)合形成的NB-IoT WI正式立項(xiàng)，并且于2016年7月完成了NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

1.2 NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 覆蓋深度大、范圍廣

相較于GSM，NB-IoT技術(shù)提高了20dB甚至更多的覆蓋增益，覆蓋面積增長近100倍，不僅可以滿足像農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對(duì)于廠區(qū)、地下車庫、井蓋、地下管道這類深度覆蓋應(yīng)用同樣適用[3-4]。

1.2.2 終端連接數(shù)量大

在同一基站的情況下，NB-IoT的單個(gè)扇區(qū)終端設(shè)備接入數(shù)量約為5萬個(gè)，而目前4G終端接入數(shù)量為1200個(gè)?，F(xiàn)今全世界大概有500萬個(gè)物理站點(diǎn)，總共可以接入NB-IoT終端設(shè)備數(shù)量近4500億，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。

1.2.3 功耗低

如果NB-IoT終端每天進(jìn)行一次報(bào)文發(fā)送，每次發(fā)送200Byte，普通電池的待機(jī)時(shí)間可長達(dá)10年。NB-IoT擁有自己專門的節(jié)能模式（PSM）[5]，處于這種節(jié)能模式下的終端設(shè)備依然在核心網(wǎng)注冊，但是一直處于一種深度睡眠的狀態(tài)，經(jīng)過測試，絕大多數(shù)時(shí)間的終端功耗僅僅有15微瓦。

1.2.4 成本低

NB-IoT可兼容運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，無須重新建網(wǎng)，相關(guān)通信設(shè)備基本上都可復(fù)用。

2 系統(tǒng)NB-IoT通訊模塊選用

NB-IoT采用移遠(yuǎn)通信的NB-IoT模組BC20，用于連接網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送或者接收信息。該模組內(nèi)置GNSS芯片，集通信、定位功能于一體，可支持北斗、GPS、QZSS等多星座衛(wèi)星系統(tǒng)解調(diào)算法，定位更加精準(zhǔn)，抗多路徑干擾能力更強(qiáng);采用AGPS技術(shù)，即使追蹤目標(biāo)處在惡劣信號(hào)環(huán)境中，仍能保證更快、更準(zhǔn)的定位;BC20模組內(nèi)置LNA，使其接收靈敏度提升至-147dBm。

BC20是基于聯(lián)發(fā)科芯片平臺(tái)研發(fā)，支持B1/B3/B5/B8頻段，提供了豐富的外部接口和協(xié)議棧（UDP/TCP/CoAP/LWM2M/MQTT等），同時(shí)支持中國移動(dòng)OneNET、中國電信IoT平臺(tái)、華為OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

BC20還支持低電壓供電（2.1V-3.63V），超低功耗。同時(shí)具有超小體積、其尺寸僅為18.7mm×16.0mm×2.1mm，較傳統(tǒng)NB-IoT+GNSS方案體積減少40%，能最大限度地滿足終端設(shè)備對(duì)小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，不用再單獨(dú)連接GPS定位芯片，減小控制板的面積，更適合NB-IoT定位應(yīng)用場景，如自行車和摩托車防盜、寵物追蹤、金融財(cái)產(chǎn)追蹤及行車記錄儀等。BC20的外形圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要包括實(shí)時(shí)定位和無線通訊兩部分。

3.1 實(shí)時(shí)定位

在戶外時(shí)，系統(tǒng)每隔一定時(shí)間就發(fā)送一次定位信息。

定位的功能集成在了NB-IoT芯片BC20中，只需要利用串口對(duì)BC20發(fā)送AT指令。不需要額外添加GPS芯片。

獲取定位的AT指令為：AT+QGNSSRD="NMEA/RMC"。假設(shè)返回的結(jié)果是$GNRMC，063601.00，A，3276.44250，N，11120.23017，E，0.52。其中063601是UTC時(shí)間，A表示獲取定位信息成功，3276.44250為北緯32度76.44250分，11120.23017為東經(jīng)111度20.23017分。

因?yàn)槭覂?nèi)的環(huán)境下的GPS信號(hào)微弱，所以定位信息一般在室外使用，而且可以手動(dòng)設(shè)置，調(diào)整定位信息的上傳頻率和上傳時(shí)間點(diǎn)。

3.2 無線通訊

無線通訊使用的是NB-IoT模塊。NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。

模塊的休眠機(jī)制，可以由單片機(jī)來控制，也可以由模塊本身參數(shù)來設(shè)置。當(dāng)物品處于丟失模式，而且電池容量低于20%（440mAh）的時(shí)候，我們讓系統(tǒng)處于低功耗模式，這時(shí)，信息的上報(bào)頻次由原來的每秒一次降低至30分鐘一次。當(dāng)用戶與系統(tǒng)的距離足夠近了，可以設(shè)置系統(tǒng)脫離低功耗模式，進(jìn)入正常工作。系統(tǒng)剩余電量可以維持?jǐn)?shù)個(gè)小時(shí)，能夠保證人工近距離搜索的成功率。

5 外形設(shè)計(jì)

圖4為系統(tǒng)裸板（未連接天線和傳感器、顯示屏等外設(shè)）的正面照片，測試版的外形尺寸為58mm*90mm，裸板重量55g，加上2200mah的鋰聚合物充電電池和傳感器之后，總重量低于130g。同時(shí)線路板上還預(yù)留了攝像頭，下載器，額外兩個(gè)串口、開關(guān)等外設(shè)的接口，方便調(diào)試。實(shí)際使用時(shí)可以根據(jù)需要去除不需要部分，并且0805封裝的貼片阻容器件可以更換成0603，雙面器件布局，尺寸會(huì)縮減到40mm*50mm，接近火柴盒的大小，便于用戶攜帶。

6 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)市場發(fā)展迅速，前景廣闊，NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)覆蓋面廣，功耗低，成本低，具有很大優(yōu)勢。本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)定位裝置能及時(shí)發(fā)送物品位置信息，耗電量少，在低電量場景下也能持續(xù)發(fā)送信息，同時(shí)尺寸小，便于攜帶，適用場合多。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】