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基于NB-IoT的户外个人物品定位设计

范文

王慧

摘要：NB-IoT技术是目前物联网发展前景最为广阔的一项技术，本文采用移远通信的NB-IoT模组BC20，设计了一款户外个人物品定位装置。在户外时，本装置可根据设置时间进行实时定位，每次发送定位信息可包括时间和经纬度。当物品处于丢失模式，而且电池容量低的时候，系统处于低功耗模式，定位信息的上报频次降低，维持系统剩余电量，能够保证人工近距离搜索的成功率。实物测试版的外形尺寸为58mm*90mm，总重量低于130g。实际使用时还可以根据需要去除不需要部分，双面器件布局，尺寸会缩减到40mm*50mm，接近火柴盒的大小，便于用户携带。

关键词：物联网;NB-IoT;个人物品定位;实时定位;定位追踪

中图分类号：TN929.5? ? ?文献标识码：A

文章编号：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简介

1.1 产生背景

物联网产业目前发展需求旺盛，从个人穿戴设备到智能家居市场，从智慧城市到物流管理等，物联网的出现将引发整个社会的革命性变化。NB-IoT（窄带物联网）是物联网最具发展前景的一个新興技术，也称低功耗广域网，支持广域网下低功耗设备蜂窝数据连接[1]。主要由3GPP组织进行标准化研究。1998年12月创建的3GPP（第三代合作伙伴计划）一开始是欧美以及中国日本韩国的标准化组织为了合作进行3G标准化而创建的项目，现在研究领域已经延伸到5G。2015年8月，该组织的GERAN工作组输出了研究报告TR45.820[2]，该报告内容是与窄带物联网相关的。而在TR45.820中最有影响的技术就是NB-LTE和NB-CIoT两个技术。2015年9月这两个技术相结合形成的NB-IoT WI正式立项，并且于2016年7月完成了NB-IoT物联网通信技术行业标准的制定。

1.2 NB-IoT的技术特点

1.2.1 覆盖深度大、范围广

相较于GSM，NB-IoT技术提高了20dB甚至更多的覆盖增益，覆盖面积增长近100倍，不仅可以满足像农村这样的广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖、地下管道这类深度覆盖应用同样适用[3-4]。

1.2.2 终端连接数量大

在同一基站的情况下，NB-IoT的单个扇区终端设备接入数量约为5万个，而目前4G终端接入数量为1200个。现今全世界大概有500万个物理站点，总共可以接入NB-IoT终端设备数量近4500亿，理论上能够实现物联网的设计的最终目标。

1.2.3 功耗低

如果NB-IoT终端每天进行一次报文发送，每次发送200Byte，普通电池的待机时间可长达10年。NB-IoT拥有自己专门的节能模式（PSM）[5]，处于这种节能模式下的终端设备依然在核心网注册，但是一直处于一种深度睡眠的状态，经过测试，绝大多数时间的终端功耗仅仅有15微瓦。

1.2.4 成本低

NB-IoT可兼容运营商网络，无须重新建网，相关通信设备基本上都可复用。

2 系统NB-IoT通讯模块选用

NB-IoT采用移远通信的NB-IoT模组BC20，用于连接网络，发送或者接收信息。该模组内置GNSS芯片，集通信、定位功能于一体，可支持北斗、GPS、QZSS等多星座卫星系统解调算法，定位更加精准，抗多路径干扰能力更强;采用AGPS技术，即使追踪目标处在恶劣信号环境中，仍能保证更快、更准的定位;BC20模组内置LNA，使其接收灵敏度提升至-147dBm。

BC20是基于联发科芯片平台研发，支持B1/B3/B5/B8频段，提供了丰富的外部接口和协议栈（UDP/TCP/CoAP/LWM2M/MQTT等），同时支持中国移动OneNET、中国电信IoT平台、华为OceanConnect物联网云平台。

BC20还支持低电压供电（2.1V-3.63V），超低功耗。同时具有超小体积、其尺寸仅为18.7mm×16.0mm×2.1mm，较传统NB-IoT+GNSS方案体积减少40%，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，不用再单独连接GPS定位芯片，减小控制板的面积，更适合NB-IoT定位应用场景，如自行车和摩托车防盗、宠物追踪、金融财产追踪及行车记录仪等。BC20的外形图如图1所示。

3 系统功能

系统功能主要包括实时定位和无线通讯两部分。

3.1 实时定位

在户外时，系统每隔一定时间就发送一次定位信息。

定位的功能集成在了NB-IoT芯片BC20中，只需要利用串口对BC20发送AT指令。不需要额外添加GPS芯片。

获取定位的AT指令为：AT+QGNSSRD="NMEA/RMC"。假设返回的结果是$GNRMC，063601.00，A，3276.44250，N，11120.23017，E，0.52。其中063601是UTC时间，A表示获取定位信息成功，3276.44250为北纬32度76.44250分，11120.23017为东经111度20.23017分。

因为室内的环境下的GPS信号微弱，所以定位信息一般在室外使用，而且可以手动设置，调整定位信息的上传频率和上传时间点。

3.2 无线通讯

无线通讯使用的是NB-IoT模块。NB-IoT的網络架构图如图2所示。

模块的休眠机制，可以由单片机来控制，也可以由模块本身参数来设置。当物品处于丢失模式，而且电池容量低于20%（440mAh）的时候，我们让系统处于低功耗模式，这时，信息的上报频次由原来的每秒一次降低至30分钟一次。当用户与系统的距离足够近了，可以设置系统脱离低功耗模式，进入正常工作。系统剩余电量可以维持数个小时，能够保证人工近距离搜索的成功率。

5 外形设计

图4为系统裸板（未连接天线和传感器、显示屏等外设）的正面照片，测试版的外形尺寸为58mm*90mm，裸板重量55g，加上2200mah的锂聚合物充电电池和传感器之后，总重量低于130g。同时线路板上还预留了摄像头，下载器，额外两个串口、开关等外设的接口，方便调试。实际使用时可以根据需要去除不需要部分，并且0805封装的贴片阻容器件可以更换成0603，双面器件布局，尺寸会缩减到40mm*50mm，接近火柴盒的大小，便于用户携带。

6 总结

物联网市场发展迅速，前景广阔，NB-IoT标准覆盖面广，功耗低，成本低，具有很大优势。本文设计的实时定位装置能及时发送物品位置信息，耗电量少，在低电量场景下也能持续发送信息，同时尺寸小，便于携带，适用场合多。

参考文献：

[1] 李鹏飞.窄带物联网技术要点研究[J].通讯世界，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] 邹玉龙，丁晓进，王全全.NB-IoT 关键技术及应用前景[J].中兴通讯技术，2017，23（1）：43-46

[4] 王英敏.NB-IoT发展现状研究[J].通讯世界，2017（22）：4-5.

[5] 戴国华，余骏华.NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J].移动通信，2016，40（7）：31-36.

【通联编辑：梁书】

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