宋文波

【關(guān)鍵詞】NB-IOT;物聯(lián)網(wǎng);定位系統(tǒng);水力發(fā)電

定位系統(tǒng)在工程野外作業(yè)中必不可少[1]，但是一般情況下定位裝置均采用電池供電，并且由于野外供電限制，往往不能夠得到及時(shí)充電，所以長(zhǎng)續(xù)航、低功耗的定位報(bào)警系統(tǒng)就成為迫切的需求。由于野外自然資源較為豐富，太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等資源至少能夠滿足一樣[2]，所以本系統(tǒng)在傳統(tǒng)衛(wèi)星定位（北斗，GPS）的基礎(chǔ)上加入多樣的發(fā)電裝置（手搖，風(fēng)力，水力）可以避免定位裝置因無(wú)能耗而無(wú)法定位的問(wèn)題，同時(shí)將普通的通信方式替換為低功耗的NB-IOT通信，用戶可以輕松地將位置信息傳輸?shù)胶蠖说脑破脚_(tái)中[3]，有效保證了野外作業(yè)人員的安全。

一、總體設(shè)計(jì)

渦輪發(fā)電緊急定位報(bào)警系統(tǒng)由NB-IOT通信模塊、發(fā)電裝置以及電源控制模塊三部分組成，其中NB-IOT采用BC20模塊來(lái)完成系統(tǒng)地控制和定位。整個(gè)多源發(fā)電緊急定位報(bào)警系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分，其中硬件主要是NB-IOT模塊、GPS模塊、發(fā)電裝置以及電源控制模塊;軟件部分主要是系統(tǒng)的下位機(jī)代碼設(shè)計(jì)以及云平臺(tái)可視化軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)定位信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸，管理員能夠在后臺(tái)云平臺(tái)中查看到作業(yè)人員的位置信息和運(yùn)行軌跡，如果發(fā)生緊急情況，可以進(jìn)行一鍵報(bào)警。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）NB-IOT硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用低功耗BC20模塊作為核心控制器，BC20模塊可基于B5、B8、B3等多個(gè)頻段。基于先進(jìn)的GSNN技術(shù)，BC20可支持北斗和GPS雙衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)解調(diào)算法[4]，使其定位更加精準(zhǔn)、抗多路徑干擾能力更強(qiáng)，比傳統(tǒng)單一GPS定位模塊更強(qiáng)。另外BC20模塊內(nèi)置LAN和低功耗算法：在保證更高的靈敏度的情況下，保證低功耗模式下能耗更低。系統(tǒng)核心板電路較為簡(jiǎn)潔，模塊體積較小，支持豐富的外部接口和多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧，應(yīng)用便利。

（二）GPS硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要采集的信息主要是經(jīng)緯度、海拔等，NB-IOT覆蓋能力比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增益20dB，使信號(hào)能夠穿透墻面或地板，覆蓋更深的室內(nèi)場(chǎng)景，使電池運(yùn)行時(shí)間至少達(dá)到10年，理想情況下，每個(gè)扇區(qū)可連接約5萬(wàn)臺(tái)設(shè)備。假設(shè)居住密度是每平方公里1500戶，每戶家庭有40個(gè)設(shè)備，這種環(huán)境下的設(shè)備連接是可以實(shí)現(xiàn)低成本等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于系統(tǒng)選用的是BC20模塊，可以直接接入GPS+北斗定位的模塊[5]，使用起來(lái)十分便捷。

（三）多源發(fā)電模塊

多源發(fā)電模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，為了保證系統(tǒng)的可兼容性，在原有太陽(yáng)能發(fā)電的基礎(chǔ)上增加了水力、風(fēng)力以及手搖發(fā)電?；诮y(tǒng)一設(shè)計(jì)理念，水力、風(fēng)力以及手搖發(fā)電均采用同一個(gè)發(fā)電機(jī)，水力發(fā)電是指用水流沖擊渦輪，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);風(fēng)力和手搖發(fā)電是在渦輪外部增加了卡扣，可以直接卡住旋轉(zhuǎn)葉片，風(fēng)力或者人力轉(zhuǎn)動(dòng)葉片帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電能。

（四）電源模塊模組設(shè)計(jì)

電源模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能最為重要的部分，它連接著發(fā)電機(jī)和NB-IOT模塊，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)化成5V標(biāo)準(zhǔn)電能給鋰電池進(jìn)行充電，進(jìn)而為整個(gè)定位系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提供了充足、穩(wěn)定的電源。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）GPS定位系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

GPS信息采集是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能最為重要的部分，其中我們采用的GPS為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。NB-IOT模塊讀取相關(guān)距離產(chǎn)生的定位信息數(shù)據(jù)后，首先要通過(guò)BC20模塊內(nèi)部自帶的DSN將定位數(shù)據(jù)讀取暫存，再通過(guò)總線將數(shù)據(jù)傳給開發(fā)機(jī)。

（二）云平臺(tái)可視化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)云平臺(tái)主要是實(shí)現(xiàn)位置信息顯示和運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示，云平臺(tái)在獲取到系統(tǒng)所發(fā)的位置信息后，能夠自動(dòng)調(diào)用第三方地圖平臺(tái)，將設(shè)備位置在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，如果設(shè)備上傳報(bào)警信息，云平臺(tái)上會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警。

四、總結(jié)

基于NB-IOT的多源發(fā)電緊急定位報(bào)警系統(tǒng)采用了多種自發(fā)電技術(shù)，在保證定位精準(zhǔn)的同時(shí)縮短了定位時(shí)間，極大地提高偏僻地區(qū)的定位效率。用戶監(jiān)測(cè)功能能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警提醒等多種功能，界面美觀實(shí)用，經(jīng)過(guò)測(cè)試能夠滿足野外作業(yè)定位的實(shí)際需求。