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基于NB-IoT的全球定位设计

2020-02-27 22:26物联网 人已围观

简介为解决顾客购买贵重商品而被伪造物流信息的问题,作者提出了一种基于 NB-IoT 的实时位置监控方案,采用 NB-IoT 以及定位传感器实时的监控位置信息并上传云服务器,用户通过手机 A...

  为解决顾客购买贵重商品而被伪造物流信息的问题,作者提出了一种基于 NB-IoT 的实时位置监控方案,采用 NB-IoT 以及定位传感器实时的监控位置信息并上传云服务器,用户通过手机 APP 实时查看物品位置信息。
  

  一、系统架构

  
  本系统以智能终端为核心,通过位置传感器进行数据采集,将位置信息传送给 MCU 处理,通过串口传输数据给NB-IoT 模块,采用 EDP 协议将数据传送给云服务平台,用户通过手机 app 根据TCP/IP 协议向云服务器查询位置信息。
  图 1 系统总体架构
  图 1 系统总体架构
  
  本设计采用智能终端、NB-IoT、云服务器和手机 app 四层网络架构将定位信息传送到用户的 app 中。系统总体架构如图1 所示。
  
  第一层为感知层,由智能终端上的 GNSS 定位模块采集位置信息,并通过串口将信息传送给 MCU。第二层是通信层, MCU 通过串口通信将位置数据传送给 NB-IoT 模块,NB 基站再通过 EDP 协议将定位数据传送到云平台。第三层是应用服务层,位置信息部署在云端供用户查询。第四层是用户层,用户可以使用手机 app 实时监控位置信息。
  
  该设计方案有以下优点:
  
  (1)利用 NB-IoT 技术将位置信息传送给云端,实现位置信息的实时发布。
  (2)支持频段多,部署成本低。该网络是由电信运营商经营,不用外部部署集中器或网关,很大程度上降低系统部署和设备升级成本。
  (3)用户可以根据手机 app 实时的监控物流位置信息。
  

  二、系统硬件设计

  
  每个贵重货物都由一个控制单元负责采集位置数据,并通过 NB 模块将数据更新至服务器,供用户来查看。智能终端主要由 MCU、NB-IoT 模块、GNSS 定位模块、天线和电源模块构成,如图 2 所示。
  图 2 系统硬件原理图
  图 2 系统硬件原理图
  
  2.1 主控芯片
  
  本设计采用的主控芯片是 STM32L151R8T6,该芯片采用 64 位的 Cortex-M3 内核,具有高性能、低成本低功耗,抗干扰性能强,拥有丰富的输入输出端口,来满足系统的需求,适合对 NB-IoT 模块进行控制。本 MCU 主要负责定位信息的预处理及分析,通过 AT 指令控制 NB-IoT 模块进行数据传输。
  
  2.2 NB-IoT 技术
  
  窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT) 由第三代合作伙伴计划(3GPP)在  2015 年提出,支持低功耗设备在广域网的连接,因此也被称为低功耗广域网。相较     于  2G/3G/4G  移动网络,NB-IoT  具有:广覆盖、海量连接、更低功耗、更低硬件成本等优势。NB-IoT  的基本结构是蜂窝网络,与以往无线通信网络相比,具有占用带宽小的优点,     只有  180KHz  左右。依托运营商丰富的网络运维经验,使得网络传输可靠性更高,建设的成本可以大大降低,减少不必要的人力消耗和资源浪费。主要适用于物流监测、智能路 灯、智能电表、可穿戴设备等场景。
  
  本设计选用联想懂的 C1100 NB-IoT 模块,这款模组面向全球联网和 M2M 市场量身打造,具备多模全网通、嵌入一体化、e-SIM 全球服务等特点,可实现全球高精度定位数据的传输交互。NB-IoT 终端为数据传输提供了无线传输协议封装和数据处理功能,定位采集传感数据通过 MCU 处理并上传平台,具有网管监控能力和边缘计算的能力。在高精度全球定位实现方案中,NB-IoT 终端可以实现以下功能 :
  
  (1)实现高精度全球定位数据的传输,将实时位置和运行轨迹数据上传至平台 ;
  (2)具备多模全网通,可以实现物流的全球高精度定位 ;
  (3)可按照用户的需求进行二次开发,并且提供与第三方系统的数据交互。
  
  2.3 定位模块
  
  联想懂的 C1100 模块中已经集成了 GNSS 定位模块,可以有效的降低功耗,保证续航能力,而且能够支持全球定位,  符合本设计对贵重货物位置信息的全球监控。GNSS  系统包含的有 GPS,BDS,CLONASS,Galileo 等卫星系统,每个卫星系统有很多相似之处,都是由空间卫星、地面控制和用户部分   构成。空间卫星的主要功能是不断的往地球发送导航电文和   导航定位的测距信号,让地球上的任何一点都能得到足够的   卫星信号。地面控制的主要功能是跟踪 GNSS 卫星、确定卫星运行轨道及卫星钟改正数预报及编写导航电文等。导航电文主要包含了卫星轨道和卫星钟等参数,用户能通过这  些参数计算出卫星的瞬时空间坐标。用户采用 GNSS 接收机 接收到导航卫星 i 的测距信号,精确测量出信号的传播时间Δti,再乘以光速 c,即可得到接收机到卫星 i 的伪距 ρ 。
  
  Ρi =Δtic                                        
  
  定位原理如图 3 所示,GNSS 接收机在位置 A,同步测量 GNSS 接收机到多颗卫星的伪距 Ρi(i=1,2…n),根据卫星星历可以计算出卫星的瞬时空间坐标 (ti   xi,yi,zi),测距方程为:
  
  公式2
  
  式 (2) 中:(x,y,z) 是智能终端 A 点空间坐标,δtu 是卫星时间系统与接收机时间系统的差异值。
  图 3 GNSS 定位示意图
  图 3 GNSS 定位示意图
  
  式 (2)中 (x,y,z)和 δtu 为未知数,接收 4 颗以上卫星的信号,就能够建立 4 个以上方程,利用最小二乘解出 4 个未知数,因此可以得到 A 点空间坐标。
  

  三、系统软件设计

  
  3.1 EDP 协议
  
  EDP 协议是移动 OneNet 平台根据物联网的基本特点专门定制的基于 TCP 的协议。EDP 协议主要包含以下部分: 请求连接、设备认证、心跳命令、数据传输、控制命令、断开连接等部分。
  
  首先,NB 模块向系统发送连接请求,收到服务器发送的响应信号之后,再发送验证信息。成功建立 NB 模块与服务器的连接以后,模块可以在两分钟内向服务器传输位置信息或者接收服务器的控制命令。若模块两分钟之内没有和服务器进行数据交换,就要发送心跳命令,保持连接,维持设备始终在线。
  
  本系统选用 EDP 作为传输协议,不仅能实现定位数据的实时更新、接收和发送等功能,也可以有效的降低开发难度和开发周期。与 HTTP 相比,不仅设备控制效率高,而且设备运行负荷低。HTTP 中包含冗余信息,加重了网络负担, 当系统与服务器进行数据交换时,会出现更长的延迟,影响用户体验。EDP 协议传输同样的数据时,有更短的延迟和更少的网络负担,能够在掉线的情况下自动重连,使设备在网络环境差的地方也能够正常工作,能够满足全球定位的要求。
  
  3.2 OneNet 云平台
  
  随着物联网的兴起,国内外许多运行商都相继推出了云平台来服务于物联网领域,本设计提出了智能定位硬件接入中国移动开放平台 -OneNet 设备云的研究方案。OneNet 云平台是中国移动根据物联网相关技术来搭建的开放平台和生态环境,兼容很多网络协议,特别是本系统采用的 EDP 协议,能更好的兼容此云平台。该平台还提供丰富的应用模板和 API 兼容各个行业应用和智能硬件的开发,可以减少用户开发成本。
  
  OneNet 搭建了一个云储服务新中心,专门用来解决数据接入后的数据存储问题,这个存储中心具有高并发、大存  储、扩展性强的优点。
  
  基于 OneNet 的远程控制可以是智能移动终端(手机、pad 等),也可以是个人 pc 机,只要可以与设备云平台建立网络联接,皆可作为控制终端。本设计方案需要将云端数据传入到手机 app,而且也需要在网页查看定位信息,所以采用 OneNet 是最佳选择。
  
  3.3手机 app
  
  用户可以通过手机客户端随时查看商品的位置信息。手机客户端通过云服务器访问智能定位终端来获得商品位置信息。用户的手机号已经在后台和定位终端进行了绑定,用户只需要打开手机 APP,输入手机号和验证码,点击登陆按钮, 即可看到自己商品的位置信息和路线,本设计分别在安卓和苹果手机上进行测试,如图 4 所示,可以看到物品的准确定位和路线信息,能够满足物品实时定位。
  图 4 手机 APP 界面
  图 4 手机 APP 界面
  

  四、结论

  
  利用物联网技术整合传统物流,采用 NB-IoT 模组和GNSS 传感器实时采集物品的位置信息,通过中国移动窄带物联网技术将物品位置信息实时发布到云端服务器,用户通过手机 APP 掌握自己购买商品的位置信息,从而能有效的防止物流信息被伪造,减少上当受骗的风险。本系统也可用于老人和小孩的防丢失,能够帮助用户实时监控位置信息, 帮助用户快速找到老人和小孩。本设计还可以应用在其他需要监控实时位置的场景,具有较高的经济和社会效益。

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