基于NB-IoT的近海漁網示位標系統

關 立，徐軼群

(集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

漁網示位標安裝于漁網、定制網具或養殖網箱上，利用AIS技術向漁民指示網具的位置，為漁業捕撈和養殖提供一定的便利[1]。然而，目前市面上的基于AIS技術的漁網示位標缺乏統一標準，漁民或廠商隨意配置其水上移動業務標識(MMSI)及其他參數[2]，導致在電子海圖中難以區分漁網和船舶，影響船舶交通安全。研究解決漁網AIS示位標問題不僅可以保障船舶交通安全，而且可提高海上搜救、海事監管工作的效率。鄭峰[3]設計了基于AIS技術的漁具定位避碰裝置；劉鐵君等[4]提出漁網AIS示位標采用主從模式，單張漁網只掛載一個主設備接入AIS系統，從設備使用AIS技術與主機通信方面來減少船臺顯示，而這種方式雖然降低了發送設備數量，但發送數據總量并無顯著減少，無法解決AIS信道時隙占用的問題；黃倫文等[5]采用406 MHz衛星通信的方式設計了一種基于北斗應急無線電示位標，但該方案成本較高且數據更新效率較低；王連勝等[6]設計了一種基于GPRS通信方式的一鍵式緊急無線電示位標，可應用在漁網定位領域，該方案采用的是自有協議及自建數據平臺。

NB-IoT(Narrow Band-internet of things)作為新興物聯網技術，可以提供廣覆蓋、低功耗、低成本、多連接的網絡服務，相比LTE和GPRS基站有20 dB的增益提升[7]，在內河流域及近海都有不錯的網絡覆蓋。通過PSM(power saving mode)模式與eDRX(extend discontinuous reception)技術的搭配，設備得以在低功耗狀態下長期工作。

目前數據服務器和云平臺的搭建主要有兩種形式：1)獨立搭建數據服務器，構造私有云平臺，該形式在數據協議上靈活可控，數據保密性更高，但開發周期長，難度大，針對設備數量龐大的系統并發處理復雜，不利于應用的快速上線；2)采用運營商服務器及標準的物聯網開發平臺，如阿里云、百度云、OneNET等，該形式系統部署快速，用戶不必考慮復雜接入過程，對不同平臺兼容性更強，但用戶數據傳輸必須通過物聯網平臺，存在商業風險，且數據接入商業用途后運營商可能收取使用費。

本文設計的漁網NB示位標選擇NB-IoT技術作為通信手段，選擇中移物聯的OneNET云平臺作為云服務平臺開發端。設備通過窄帶網絡將漁網示位標的坐標及電量等相關信息上傳到OneNET云平臺，供相關用戶查看，目標用戶可以通過OneNET云平臺對設備數據上報周期，工作狀態等相關參數進行遠程配置。由于示位標工作頻段不在AIS信道上，對現有AIS系統不會造成干擾，對船舶交通、海上搜救、海事監管等方面有著積極作用。此外，本設備使用的功耗控制策略與動態休眠算法，比傳統的固定數據上報周期模式在續航上有更大優勢。

1 系統架構

基于NB-IoT與云服務平臺的漁網示位標系統主要包括：北斗/GPS導航衛星、漁網NB示位標、NB基站、OneNET云平臺及應用服務器、終端用戶5個部分組成，如圖1所示。

其中，漁網NB示位標通過北斗/GPS雙模天線接收北斗/GPS衛星信號，解析獲得NMEA0183協議GPRMC報文，提取并保存其中的時間、經緯度等所需數據。通過12位ADC獲取電池平均電壓，基于電池電量曲線表得出設備當前電量。在設備入網后，以物聯網專用的LWM2M協議格式注冊到OneNET云平臺。OneNET云平臺響應各個漁網NB示位標的注冊，并下發發現資源命令及轉發應用服務器請求訂閱命令。漁網NB示位標注冊在網后，通過OneNET云平臺將相關數據信息上報給應用服務器。應用服務器以OneNET云平臺作為橋梁，獲取漁網NB示位標上報信息，并下發控制命令，形成面向用戶的漁網公共服務管理系統，實現數據可視化與指令控制。用戶通過web頁面登錄應用服務器，即可查看設備的地理位置等信息，擁有權限的目標用戶可以向指定的漁網NB示位標下發控制指令，如調整上報時隙，改變工作狀態等，實現遠程控制。

2 漁網NB示位標設計

2.1 漁網NB示位標硬件設計

漁網NB示位標硬件主要由單片機與串口電路、北斗/GPS雙模定位與NB通信模組電路、充放電及電源管理電路三個部分構成。

2.1.1 單片機與串口電路

單片機及外圍控制口、串口電路原理圖如圖2所示。選用ST公司STM32L031系列單片機作為主控制器，該單片機在待機模式下功耗僅為0.25 uA，并具備低功耗串口通信功能[8](LPUART)，負責控制NB模組數據收發以及定位數據接收。串口2連接CH340芯片，實現串口轉USB調試、數據打印等功能。通過內部12位ADC管腳BAT_ADC以及電路導通控制管腳BAT_CHECK實現對供電電壓的實時監測。BC20_PWR、BC20_RST、BC20_EINT、BC20_GNSS_POWER管腳分別用于控制NB通信模組的供電、重啟、喚醒功能以及為GNSS(global navigation satellite system)有源天線供電。

2.1.2 北斗/GPS雙模定位與NB通信模組電路

北斗/GPS雙模定位與NB通信模組電路原理圖如圖3所示。NB通信模組選用上海移遠公司開發的BC20模組，該模組接收機集成了北斗、GPS定位功能，可以實現多系統聯合定位[9]，其衛星信號捕獲狀態下耗流為54.7 mA，跟蹤狀態下耗流30.2 mA，而當設備進入PSM工作模式時，耗流僅為3.7 uA。在與基站通信時，BC20模組在B5及B8頻段上發射功率可達23 dBm，接收靈敏度為-129 dBm。模組在發射時段瞬時電流可達260 mA，設計時在其供電管腳VBAT附近并聯了大容量去耦鉭電容。BC20模組串口采用1.8 V電平，經過電平轉換電路后與主控制器串口連接。在模組處于PSM模式下，其1.8 V供電輸出管腳VCC_BC20_EXT無輸出，串口無法正常通信，使用時通過引腳BC20_PSM_EINT喚醒后再進行串口通信，重新配置其工作狀態。SIM卡選用貼片式5 mm×6 mm esim封裝，減小設備體積，提高抗震能力。

2.1.3 充放電及電源管理電路

充放電及電源管理電路原理圖如圖4所示。漁網NB示位標使用3.7 V鋰電池供電，充電接口采用市面上通用的USB TYPE-C接口，充電管理芯片選用TP4065，并選用ME6211C33M5G芯片作為LDO(low dropout regulator)，將鋰電池電壓轉換為主控器及NB通信模組工作電壓。需要采集鋰電池電壓時，BAT_CHECK管腳拉高，導通Q3與Q4，通過主控ADC管腳采集R14、R15分壓數據，采集完成后，關斷數字三極管及場效應管，降低設備功耗。設備通過PWR_STATE管腳監測按鍵SW1狀態，并通過控制PWR_CTRL管腳改變LDO使能管腳電平，實現按鍵關機功能。當設備安裝于養殖網箱等長期海上作業體上時，可裝配太陽能板實現長續航。

2.2 漁網NB示位標軟件實現

漁網NB示位標軟件主要基于STM32L031低功耗單片機與集成GNSS定位功能和NB窄帶物聯網通信功能的BC20模組，采用C語言開發，編譯環境為Keil V5.26，軟件主流程圖如圖5所示。

2.2.1 工作流程實現

通過開機按鈕為設備上電后，主控制器進行初始化操作，并控制IO口保持供電電源，在接收到用戶關機命令時，可通過控制此IO口實現遠程關機。初始化BC20模組時，設備獲取NB信號RSSI與EPS網絡狀態，注冊到云平臺，并根據云平臺服務器的響應上報訂閱號與資源類型。設備根據配置的數據上報周期啟動AGPS和GNSS，獲取經緯度及時間信息，并對電池電壓進行采樣，通過內部存儲的電量電壓匹配數組獲取百分比形式的電量，再將相關數據逐一上傳至云平臺。同時，設備如果收到下行指令，則根據指令運行對應線程，如調整數據上報周期，改變工作狀態，或者強制關機等。未收到下行指令，設備將在上報數據成功后，進入動態休眠模式，并開啟外部與定時器中斷，等待下次中斷或上報時隙。程序中循環判斷語句均添加了重試次數及錯誤處理函數，并添加了看門狗，提高設備運行穩定性。

2.2.2 功耗控制策略

設備不同工作狀態下功耗狀態如圖6所示。分為5種運行狀態：PSM為休眠態；receive為接收態；location為定位捕獲態；transmit為通信態；IDLE為不連續接收態。由圖6可知，設備能耗主要集中在獲取定位、數據上傳、數據接收過程中。為使設備在滿足響應服務器下行命令時延情況下同時具備低功耗，軟件采用eDRX技術，通過擴展的不連續接收模式來降低設備功耗，在eDRX周期內，向服務器申請較短的尋呼時間窗PTW(paging time window),縮短無數據交互期。在設備定位數據獲取與上報周期內，設計動態休眠算法，建立設備上報時隙控制傳遞函數。

設備上報時隙控制傳遞函數框圖如圖7所示。其工作原理為：設備在啟動后首先采集設備初始經緯度數據，之后根據預設上報時隙在第n次規定時間采集經緯度數據后，根據初始經緯度數據計算得出目前位置與初始位置水平偏移量Dn和與上一位置水平偏移量Dn-1之差dDn，根據Dn與dDn的值改變定位數據采樣頻率，并相應調整數據上報周期Tr(Tr初始值取300 s)。當位置偏移量Dn不超過設備水平定位精度Dcep時，可認為設備地理位置不變，則延長數據上報周期Tr，增加量Ta取值為設備的eDRX周期。當位置偏移量Dn超過限定閾值時，若dDn<0，說明示位標運動軌跡在回歸起始點；若dDn=0,說明示位標在偏移初始坐標的某點處于靜止狀態；若dDn>0，說明示位標在快速遠離初始坐標點，此時應縮短數據上報周期Tr，提高設備數據實時性。

建立的動態數據上報周期Tr模型如下:

(1)

3 漁網NB示位標的制作與測試

3.1 定位精度測試及功耗測試

為測試漁網NB示位標基本功能的穩定性與可靠性，制作了設備樣機，并在測試平臺上對樣機定位精度和功耗進行測試。將設備靜置，對其定位數據進行統計，在570次定位中，水平定位誤差基本在10 m以內，數據可以準確反映設備的真實地理位置，定位靶向圖如圖8所示，水平誤差分布圖如圖9所示。

根據漁網NB示位標運行的軟件設計，其數據上報周期Tr可分為定位通信區間Ta與休眠區間Td，即：

Tr=Ta+Td。

(2)

則單時隙耗電量Er(m·Ah)與時間Tr的關系可寫為：

Er=Ia×Ta+Id×Td=Ia×Ta+Id×(Tr-Ta)。

(3)

其中：Ia為定位通信區間的平均電流；Id為設備休眠電流。

使用是德科技N6705電源分析儀配備N6781模塊對漁網示位標工作下的耗電量進行測量，獲得完整的定位通信區間電流消耗，如圖10所示。設備在休眠區間下的電流消耗Id僅為0.09 mA；定位開啟時電流為80 mA，從開啟定位到獲得有效定位耗時平均約16 s(開啟AGPS)；數據發送時全設備電流最高可達270 mA，每個數據包發送耗時約0.14 s；設備的定位通信區間Ta平均約為54 s，區間平均電流Ia為34.0 mA。以配備3000 m·Ah的鋰電池，上報時隙固定300 s為例，不使用功耗控制策略，設備可于海域內靜置連續工作484 h，約20 d；在使用功耗控制策略與動態休眠算法時，當設備的eDRX周期取值為81.92 s，且考慮設備位置偏移量基本小于設備水平定位精度的情況下，設備連續工作時間可長達2 701 h，約112 d。因此在設備長期處于靜止狀態下，采用動態數據上報周期模型續航最高可以提高約4.6倍。

3.2 水域安裝測試

選擇廈門集美園博苑內海水域對漁網NB示位標進行工作狀態和功能測試，將設備與漁網固定，放置于水域中，設備實物圖與測試現場照片如圖11所示。測試人員通過手機端查看漁網所在位置，并對電量、經緯度數據進行監控，對快速尋標等控制功能也進行了測試。經測試，設備能夠準確反映漁網的實時位置，并將數據及時上傳回云端，對遠程控制命令的響應也十分迅速，能夠滿足設計功能的要求。

4 基于OneNET的漁網位置公共服務平臺設計

OneNET云平臺是中移物聯有限公司開發的一款免費的物聯網開放平臺[10]。該平臺面向應用層，提供豐富的API和數據分發能力，開發者可根據平臺提供的標準接入流程將設備接入平臺[11]。OneNET云平臺在應用管理上提供了BS架構的WEB網頁及手機端[12]可視化界面開發套件，可以適應不同需求的應用開發。本文使用該平臺提供的NB-IoT物聯網套件，通過LWM2M協議接入，使用該套件自帶的應用編輯器，實現基于OneNET的漁網位置公共服務平臺設計。

4.1 手機端個性化應用

漁民作為漁網NB示位標的主要使用群體，根據其職業特點與用戶習慣，在界面交互、功能設計、操作方式、顯示效果上進行了專門優化，讓用戶能充分了解并利用漁網數據輔助決策，提升捕魚和養殖效率。終端用戶手機端操作界面分成三個頁面，如圖12所示。

用戶在登錄平臺后立即顯示主界面，該界面包含可視化漁網定位地圖、設備剩余電量百分比顯示以及數據更新時間，用戶可以直觀查看漁網所在位置以及設備電量剩余，通過縮放地圖可以獲得更加精確的位置信息，通過數據更新時間估計設備地理位置的時效。

通過菜單欄可切換至數據曲線界面，通過電量變化曲線可以預估設備剩余使用時間，通過經緯度變化曲線可知漁網位移區間，判斷是否被水浪或漁船帶離原有位置，以便進行現場處理，及時止損，提高效率。

設備高級配置界面提供了快速尋標功能、調整上報時隙功能、臨時休眠功能、強制關機功能、數據流切換(多個示位標數據切換)功能。其中快速尋標功能在漁民收網或尋網時使用，通過應用服務器下發命令，可以在有限時間內將定位數據更新速率提高到3 s/次，使定位數據趨于實時。調整數據上報時隙功能可以手動調整漁網NB示位標上報數據的周期，范圍為3～100 min可調，便于漁民將示位標應用于不同使用場景。臨時休眠功能用于設備暫停上報定位數據時，以降低功耗。強制關機功能可以使設備直接斷電，只能通過設備電源鍵重新開機。數據流切換功能可以實現多個可控示位標的控制切換，在用戶擁有多個漁網NB示位標時可以通過切換數據流來監控不同ID設備。

4.2 漁網位置數據共享服務

通過漁網位置數據共享服務，用戶可以查看全網漁網NB示位標的具體分布情況，如圖13所示。通行船舶可通過平臺查看航線內是否存在漁網，以便及時避讓，監管部門可以通過平臺查看通航區內是否存在違規布網，或有漂網在水流作用下進入航道內，方便及時采取措施，保障船舶交通安全。

5 結語

論文基于NB-IoT與OneNET云平臺技術，設計開發了漁網NB示位標系統，并通過測試平臺和沿岸海域安裝測試實驗，對系統的可靠性和有效性進行了驗證。測試結果顯示，設計的漁網NB示位標系統可以滿足漁網定位監控功能，與傳統AIS網位儀相比，具有體積小，功耗低，抗干擾能力強等優點，對漁民尋網、漁網監控及位置共享都有積極作用。