張 中,朱甜甜,馬興錄

(青島科技大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266061)

0 引 言

兒童出行安全問題一直以來都是廣大人民群眾關(guān)心的焦點，一旦兒童走丟，可能陷入被傷害、被拐走的危險環(huán)境中，找回來的幾率微乎其微。中國每年有超過20萬的兒童丟失[1]，失孤形勢已經(jīng)嚴重威脅著家庭和社會的和諧幸福。市面上已出現(xiàn)的一些兒童防丟裝置，多是采用藍牙、WiFi、GPRS等方式進行通信，通過GPS技術(shù)進行定位，存在一些弊端：如遇到地下車庫、偏遠山區(qū)等信號較弱的地方，有效傳輸距離有限，裝置無法起作用；而且GPS存在盲區(qū)，在基站信號比較弱的地方，定位有偏差；此外還有功耗大，待機時間短，需要經(jīng)常充電或更換電池等問題。

1 兒童防丟器總體設(shè)計

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一種基于NB-IoT的兒童防丟系統(tǒng)，采用NB-IoT進行通信，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進行定位，能夠準確定位丟失兒童，實現(xiàn)快速定位、一鍵報警，并將地理位置信息通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送至家長的移動客戶端，從而幫助家長快速定位并找回兒童，降低兒童丟失的幾率。

基于NB-IoT的兒童防丟系統(tǒng)，包括兒童防丟裝置控制電路、用戶的移動客戶端、云服務(wù)器。兒童防丟裝置控制電路用于獲取兒童位置信息，傳輸位置信息至基站并存儲、發(fā)送報警信息。用戶的移動客戶端用于用戶上傳指令數(shù)據(jù)，將用戶信息及兒童防丟裝置標識信息傳至云服務(wù)器，隨時查看定位信息，接收報警信息。云服務(wù)器用于存儲用戶信息并進行用戶身份鑒權(quán)，存儲兒童定位信息，實時更新并存儲位置信息。

兒童防丟裝置控制電路獲取兒童當(dāng)前的位置信息，通過NB-IoT傳輸至附近的NB-IoT基站，信息存儲至服務(wù)器端，當(dāng)兒童位置發(fā)生變化時，服務(wù)器中存儲的位置信息也不斷進行更新。用戶打開移動客戶端，點擊查看兒童當(dāng)前位置信息，后臺發(fā)送指令信息至附近移動通信基站，進行用戶身份鑒權(quán)，驗證身份。驗證成功后移動通信基站將存儲在服務(wù)器中的兒童位置信息傳輸至用戶的移動客戶端中，家長可以查看兒童當(dāng)前的詳細位置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于NB-IoT的兒童防丟系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

兒童防丟裝置控制電路包括控制器、NB-IoT模塊、北斗定位模塊、報警模塊、電源模塊，控制器與其他各個模塊相連，其中NB-IoT模塊通過RS232連接至控制器。控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 兒童防丟裝置控制電路結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 NB-IoT

據(jù)研究表明，到2020年將會超過250億設(shè)備接入無線網(wǎng)絡(luò)中[2]，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將會達到160億臺，而其中90%以上設(shè)備將會是低功耗、低成本、低流量、低復(fù)雜度的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[3]。NB-IoT，即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，因其具有廣覆蓋、低功耗、低成本、多接入、大容量、長續(xù)航等優(yōu)勢，成為低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWA)技術(shù)中的領(lǐng)先者，取得了國內(nèi)外行業(yè)的重點關(guān)注。2016年6月，3GPP完成NB-IoT標準的制定。NB-IoT因其具備良好的通信網(wǎng)絡(luò)支撐，擁有廣闊的發(fā)展前景[4]，目前全球多家企業(yè)及組織正大力推動其發(fā)展[5]。NB-IoT的技術(shù)特點主要有以下幾點：

2.1.1 廣覆蓋

NB-IoT通過上行Inter-site CoMP技術(shù)和重復(fù)發(fā)送提高覆蓋能力。采用窄帶設(shè)計的方式，上行實現(xiàn)上傳控制指令，下行實現(xiàn)下達控制指令，上行可選3.75 kHz或15 kHz帶寬，下行帶寬180 kHz，子載波數(shù)量12，子載波帶寬15 kHz[6]。上行鏈路提高20 dB[7]，通信能力大大增強，覆蓋面積擴大100倍[8]，可以滿足農(nóng)村、偏遠區(qū)域的覆蓋要求。為滿足地下室、地下車庫等深度覆蓋要求，在基站與NB-IoT終端間采用較少數(shù)量的子載波與重復(fù)傳送機制，最高支持128次重復(fù)發(fā)送，從而提高接收端成功率，滿足了深度覆蓋[9]。

2.1.2 低功耗

NB-IoT的出現(xiàn)主要是針對低頻率、低頻次業(yè)務(wù)，3GPP標準中的省電模式(PSM)及eDRX技術(shù)使得NB-IoT具有低功耗特點[10]，通過簡化無線協(xié)議，縮短發(fā)射/接收時間等措施，實現(xiàn)超長待機，設(shè)備續(xù)航時間從過去的幾個月大幅度提高到5～10年。典型應(yīng)用情況下，一節(jié)AA電池可工作15年[11]。

2.1.3 低成本

NB-IoT支持獨立部署、保護帶部署、帶內(nèi)部署3種部署方式[12]，充分利用了頻譜資源，運營商可根據(jù)現(xiàn)有的基站及已經(jīng)覆蓋的頻段部署NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，基于移動運營商的NB-IOT網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)直接入網(wǎng)。低帶寬、低功耗、基帶復(fù)雜度低，使得NB-IoT芯片及模塊具有低成本的優(yōu)勢，隨著商業(yè)進程的推進，芯片價格會低至1美元，模塊成本可控制在5美元以下[13]。

2.1.4 多連接

隨著萬物互聯(lián)的時代發(fā)展，未來將有億級的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)中，NB-IoT支持多連接，一個扇區(qū)可同時支持10萬個設(shè)備接入，相比現(xiàn)有的無線技術(shù)提高50～100倍，能夠滿足互聯(lián)互通的需求[14]。NB-IoT相比Sigfox，LoRa而言，Sigfox，LoRa是非授權(quán)頻段，而NB-IoT是授權(quán)頻段，其時隙同步協(xié)議對QoS來說是最優(yōu)的，特別適合需要低延遲和高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用程序[15]；相比GSM來說，NB-IoT比GSM功耗更低、成本更低、覆蓋更廣。

物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)層出不窮，NB-IoT覆蓋廣、連接多、電信級QoS、運營商支持、推廣快等諸多優(yōu)點，使得其成為當(dāng)前最受矚目的通信技術(shù)。在基于NB-IoT的兒童防丟系統(tǒng)的設(shè)計中，NB-IoT模塊選用的是基于NB-IoT技術(shù)的通訊模組，具有低功耗、低成本、具備廣域傳輸、海量介入、支持大量節(jié)點、支持重傳機制、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全等特征，能夠適用各種復(fù)雜環(huán)境，具有更優(yōu)越的性能和電池續(xù)航。

2.2 控制器

控制器主要完成的是采集北斗定位模塊返回的位置信息，接收報警模塊的報警信息，將位置信息及報警信息傳輸至服務(wù)器等功能。控制器采用32位Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103高性能、低成本、低功耗芯片，擁有最高72 MHz主頻、256 kB的SRAM，具有2個ADC、9個通信接口，支持功能擴展[16]。外圍設(shè)備豐富，抗干擾能力強，在極低功耗的同時提供較高運算能力，適用于工業(yè)控制場景的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對其他模塊的控制要求[17]。

2.3 北斗定位模塊

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在我國的經(jīng)濟、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，它是由我國自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[18]。北斗定位模塊使用的是三頻信號，三頻信號可以更好地消除高階電離層延遲影響，提高定位可靠性，大大提高模糊度的固定效率，特別適合于超出遙測信號傳輸范圍的特殊地區(qū)，尤其在沒有地面基站或者發(fā)生重大突發(fā)性事件的情況下使用[19]。北斗定位模塊采用OBT9330作為主芯片，該芯片具有-143 dBm的跟蹤靈敏度和-157 dBm的捕捉靈敏度，水平誤差、高度誤差及速度誤差能夠保持在很小的范圍內(nèi)，具有較高的可靠性[20]。

北斗模塊與北斗衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)交互，控制器控制啟動北斗芯片，接收北斗芯片發(fā)出的北斗衛(wèi)星定位參數(shù)信息，進行數(shù)據(jù)解析，將得到的具體定位信息通過NB-IoT發(fā)送至NB-IoT基站，存儲在服務(wù)器端。

3 兒童防丟系統(tǒng)的應(yīng)用

控制器通過NB-IoT進行通信，將獲取到的位置信息通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸至附近的NB-IoT基站；北斗定位模塊與控制器相連，用于實現(xiàn)系統(tǒng)定位，控制器向北斗定位模塊發(fā)送獲取位置請示，接收請求后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取當(dāng)前位置信息，并將位置信息傳輸至控制器；通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)實時發(fā)送兒童當(dāng)前位置信息至家長的移動客戶端中，家長可以隨時通過移動客戶端查看兒童當(dāng)前的位置信息。

報警模塊為一鍵報警按鈕裝置，當(dāng)兒童與家長分散需要尋求幫助時，按下一鍵報警按鈕，發(fā)送信號至控制器，控制器接收來自報警模塊的報警信息，控制器向北斗定位模塊發(fā)送指令，通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取當(dāng)前位置信息，將報警信息和位置信息通過NB-IoT傳輸至附近的NB-IoT基站，基站對信息進行頻制轉(zhuǎn)換，將信息存儲在云服務(wù)器中，后臺監(jiān)控系統(tǒng)將報警信息發(fā)送至家長的移動客戶端，從而可以幫助家長迅速獲取兒童的位置信息，及時發(fā)現(xiàn)并找回兒童。通信示意圖如圖3所示。

圖3 基于NB-IoT的兒童防丟系統(tǒng)通信示意圖

4 結(jié)束語

對比傳統(tǒng)的兒童防丟裝置，該設(shè)計的優(yōu)勢是：

1)采用NB-IoT模塊替代傳統(tǒng)的藍牙、WiFi、GPRS等，傳輸距離遠，穿透力強，覆蓋域廣；

2)將定位信息實時反饋到移動客戶端，便于家長查看與管理；

3)數(shù)據(jù)傳輸安全，不會帶來兒童位置信息的泄露造成的潛在危險；

4)功耗非常低，設(shè)備續(xù)航時間相比過去的幾天、幾個月大幅度提高到5～10年；

5)每個基站能夠支持10萬個連接，具備海量終端連接的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)可觀數(shù)量的兒童防丟設(shè)備的接入；

6)基于NB-IoT的兒童防丟系統(tǒng)，也可用于老人、殘疾人等需要重點關(guān)注的人群。

目前NB-IoT正在部署中，多家運營商正在進行試點工作，全球主流設(shè)備商、運行商、廠商都在強勢推進NB-IoT大規(guī)模商用，相信在不久的將來能大面積投入使用，而基于NB-IoT的兒童防丟系統(tǒng)也必然能為兒童出行安全做出貢獻。

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