基于NB-IoT的戶外個人物品定位設計

王慧

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

關鍵詞：物聯(lián)網;NB-IoT;個人物品定位;實時定位;定位追蹤

中圖分類號：TN929.5? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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 產生背景

物聯(lián)網產業(yè)目前發(fā)展需求旺盛，從個人穿戴設備到智能家居市場，從智慧城市到物流管理等，物聯(lián)網的出現(xiàn)將引發(fā)整個社會的革命性變化。NB-IoT（窄帶物聯(lián)網）是物聯(lián)網最具發(fā)展前景的一個新興技術，也稱低功耗廣域網，支持廣域網下低功耗設備蜂窩數(shù)據(jù)連接[1]。主要由3GPP組織進行標準化研究。1998年12月創(chuàng)建的3GPP（第三代合作伙伴計劃）一開始是歐美以及中國日本韓國的標準化組織為了合作進行3G標準化而創(chuàng)建的項目，現(xiàn)在研究領域已經延伸到5G。2015年8月，該組織的GERAN工作組輸出了研究報告TR45.820[2]，該報告內容是與窄帶物聯(lián)網相關的。而在TR45.820中最有影響的技術就是NB-LTE和NB-CIoT兩個技術。2015年9月這兩個技術相結合形成的NB-IoT WI正式立項，并且于2016年7月完成了NB-IoT物聯(lián)網通信技術行業(yè)標準的制定。

1.2 NB-IoT的技術特點

1.2.1 覆蓋深度大、范圍廣

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

1.2.2 終端連接數(shù)量大

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

1.2.3 功耗低

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

1.2.4 成本低

NB-IoT可兼容運營商網絡，無須重新建網，相關通信設備基本上都可復用。

2 系統(tǒng)NB-IoT通訊模塊選用

NB-IoT采用移遠通信的NB-IoT模組BC20，用于連接網絡，發(fā)送或者接收信息。該模組內置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)解調算法，定位更加精準，抗多路徑干擾能力更強;采用AGPS技術，即使追蹤目標處在惡劣信號環(huán)境中，仍能保證更快、更準的定位;BC20模組內置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），同時支持中國移動OneNET、中國電信IoT平臺、華為OceanConnect物聯(lián)網云平臺。

BC20還支持低電壓供電（2.1V-3.63V），超低功耗。同時具有超小體積、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備對小尺寸模塊產品的需求，不用再單獨連接GPS定位芯片，減小控制板的面積，更適合NB-IoT定位應用場景，如自行車和摩托車防盜、寵物追蹤、金融財產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)功能主要包括實時定位和無線通訊兩部分。

3.1 實時定位

在戶外時，系統(tǒng)每隔一定時間就發(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"。假設返回的結果是$GNRMC，063601.00，A，3276.44250，N，11120.23017，E，0.52。其中063601是UTC時間，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111度20.23017分。

因為室內的環(huán)境下的GPS信號微弱，所以定位信息一般在室外使用，而且可以手動設置，調整定位信息的上傳頻率和上傳時間點。

3.2 無線通訊

無線通訊使用的是NB-IoT模塊。NB-IoT的網絡架構圖如圖2所示。

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

5 外形設計

圖4為系統(tǒng)裸板（未連接天線和傳感器、顯示屏等外設）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。同時線路板上還預留了攝像頭，下載器，額外兩個串口、開關等外設的接口，方便調試。實際使用時可以根據(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，尺寸會縮減到40mm*50mm，接近火柴盒的大小，便于用戶攜帶。

6 總結

物聯(lián)網市場發(fā)展迅速，前景廣闊，NB-IoT標準覆蓋面廣，功耗低，成本低，具有很大優(yōu)勢。本文設計的實時定位裝置能及時發(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，同時尺寸小，便于攜帶，適用場合多。

參考文獻：

[1] 李鵬飛.窄帶物聯(lián)網技術要點研究[J].通訊世界，2017（5）：60-61.

[2] 3GPP TR 45.820 V1.4.0， Cellular System Support for Ultra Low Complexity and Low Throughput Internet of Things （Release 13）[Z].

[3] 鄒玉龍，丁曉進，王全全.NB-IoT 關鍵技術及應用前景[J].中興通訊技術，2017，23（1）：43-46

[4] 王英敏.NB-IoT發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].通訊世界，2017（22）：4-5.

[5] 戴國華，余駿華.NB-IoT的產生背景、標準發(fā)展以及特性和業(yè)務研究[J].移動通信，2016，40（7）：31-36.

【通聯(lián)編輯：梁書】