基于NB-IoT的實時位置監控方案

為解決顧客購買貴重商品而被偽造物流信息的問題，作者提出了一種基于 NB-IoT 的實時位置監控方案，采用 NB-IoT 以及定位傳感器實時的監控位置信息并上傳云服務器，用戶通過手機 APP 實時查看物品位置信息。

一、系統架構

本系統以智能終端為核心，通過位置傳感器進行數據采集，將位置信息傳送給 MCU 處理，通過串口傳輸數據給NB-IoT 模塊，采用 EDP 協議將數據傳送給云服務平臺，用戶通過手機 app 根據TCP/IP 協議向云服務器查詢位置信息。

圖 1 系統總體架構

本設計采用智能終端、NB-IoT、云服務器和手機 app 四層網絡架構將定位信息傳送到用戶的 app 中。系統總體架構如圖1 所示。

第一層為感知層，由智能終端上的 GNSS 定位模塊采集位置信息，并通過串口將信息傳送給 MCU。第二層是通信層， MCU 通過串口通信將位置數據傳送給 NB-IoT 模塊，NB 基站再通過 EDP 協議將定位數據傳送到云平臺。第三層是應用服務層，位置信息部署在云端供用戶查詢。第四層是用戶層，用戶可以使用手機 app 實時監控位置信息。

該設計方案有以下優點：

（1）利用 NB-IoT 技術將位置信息傳送給云端，實現位置信息的實時發布。

（2）支持頻段多，部署成本低。該網絡是由電信運營商經營，不用外部部署集中器或網關，很大程度上降低系統部署和設備升級成本。

（3）用戶可以根據手機 app 實時的監控物流位置信息。

二、系統硬件設計

每個貴重貨物都由一個控制單元負責采集位置數據，并通過 NB 模塊將數據更新至服務器，供用戶來查看。智能終端主要由 MCU、NB-IoT 模塊、GNSS 定位模塊、天線和電源模塊構成，如圖 2 所示。

圖 2 系統硬件原理圖

2.1 主控芯片

本設計采用的主控芯片是 STM32L151R8T6，該芯片采用 64 位的 Cortex-M3 內核，具有高性能、低成本低功耗，抗干擾性能強，擁有豐富的輸入輸出端口，來滿足系統的需求，適合對 NB-IoT 模塊進行控制。本 MCU 主要負責定位信息的預處理及分析，通過 AT 指令控制 NB-IoT 模塊進行數據傳輸。

2.2 NB-IoT 技術

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT） 由第三代合作伙伴計劃（3GPP）在 2015 年提出，支持低功耗設備在廣域網的連接，因此也被稱為低功耗廣域網。相較 于 2G/3G/4G 移動網絡，NB-IoT 具有：廣覆蓋、海量連接、更低功耗、更低硬件成本等優勢。NB-IoT 的基本結構是蜂窩網絡，與以往無線通信網絡相比，具有占用帶寬小的優點， 只有 180KHz 左右。依托運營商豐富的網絡運維經驗，使得網絡傳輸可靠性更高，建設的成本可以大大降低，減少不必要的人力消耗和資源浪費。主要適用于物流監測、智能路 燈、智能電表、可穿戴設備等場景。

本設計選用聯想懂的 C1100 NB-IoT 模塊，這款模組面向全球聯網和 M2M 市場量身打造，具備多模全網通、嵌入一體化、e-SIM 全球服務等特點，可實現全球高精度定位數據的傳輸交互。NB-IoT 終端為數據傳輸提供了無線傳輸協議封裝和數據處理功能，定位采集傳感數據通過 MCU 處理并上傳平臺，具有網管監控能力和邊緣計算的能力。在高精度全球定位實現方案中，NB-IoT 終端可以實現以下功能 ：

（1）實現高精度全球定位數據的傳輸，將實時位置和運行軌跡數據上傳至平臺 ;

（2）具備多模全網通，可以實現物流的全球高精度定位 ;

（3）可按照用戶的需求進行二次開發，并且提供與第三方系統的數據交互。

2.3 定位模塊

聯想懂的 C1100 模塊中已經集成了 GNSS 定位模塊，可以有效的降低功耗，保證續航能力，而且能夠支持全球定位， 符合本設計對貴重貨物位置信息的全球監控。GNSS 系統包含的有 GPS，BDS，CLONASS，Galileo 等衛星系統，每個衛星系統有很多相似之處，都是由空間衛星、地面控制和用戶部分 構成?？臻g衛星的主要功能是不斷的往地球發送導航電文和 導航定位的測距信號，讓地球上的任何一點都能得到足夠的 衛星信號。地面控制的主要功能是跟蹤 GNSS 衛星、確定衛星運行軌道及衛星鐘改正數預報及編寫導航電文等。導航電文主要包含了衛星軌道和衛星鐘等參數，用戶能通過這 些參數計算出衛星的瞬時空間坐標。用戶采用 GNSS 接收機 接收到導航衛星 i 的測距信號，精確測量出信號的傳播時間Δti，再乘以光速 c，即可得到接收機到衛星 i 的偽距 ρ 。

Ρi =Δtic ⑴

定位原理如圖 3 所示，GNSS 接收機在位置 A，同步測量 GNSS 接收機到多顆衛星的偽距 Ρi（i=1，2…n），根據衛星星歷可以計算出衛星的瞬時空間坐標 （ti xi，yi，zi），測距方程為：

式 （2） 中：（x，y，z） 是智能終端 A 點空間坐標，δtu 是衛星時間系統與接收機時間系統的差異值。

圖 3 GNSS 定位示意圖

式 （2）中 （x，y，z）和 δtu 為未知數，接收 4 顆以上衛星的信號，就能夠建立 4 個以上方程，利用最小二乘解出 4 個未知數，因此可以得到 A 點空間坐標。

三、系統軟件設計

3.1 EDP 協議

EDP 協議是移動 OneNet 平臺根據物聯網的基本特點專門定制的基于 TCP 的協議。EDP 協議主要包含以下部分： 請求連接、設備認證、心跳命令、數據傳輸、控制命令、斷開連接等部分。

首先，NB 模塊向系統發送連接請求，收到服務器發送的響應信號之后，再發送驗證信息。成功建立 NB 模塊與服務器的連接以后，模塊可以在兩分鐘內向服務器傳輸位置信息或者接收服務器的控制命令。若模塊兩分鐘之內沒有和服務器進行數據交換，就要發送心跳命令，保持連接，維持設備始終在線。

本系統選用 EDP 作為傳輸協議，不僅能實現定位數據的實時更新、接收和發送等功能，也可以有效的降低開發難度和開發周期。與 HTTP 相比，不僅設備控制效率高，而且設備運行負荷低。HTTP 中包含冗余信息，加重了網絡負擔， 當系統與服務器進行數據交換時，會出現更長的延遲，影響用戶體驗。EDP 協議傳輸同樣的數據時，有更短的延遲和更少的網絡負擔，能夠在掉線的情況下自動重連，使設備在網絡環境差的地方也能夠正常工作，能夠滿足全球定位的要求。

3.2 OneNet 云平臺

隨著物聯網的興起，國內外許多運行商都相繼推出了云平臺來服務于物聯網領域，本設計提出了智能定位硬件接入中國移動開放平臺 -OneNet 設備云的研究方案。OneNet 云平臺是中國移動根據物聯網相關技術來搭建的開放平臺和生態環境，兼容很多網絡協議，特別是本系統采用的 EDP 協議，能更好的兼容此云平臺。該平臺還提供豐富的應用模板和 API 兼容各個行業應用和智能硬件的開發，可以減少用戶開發成本。

OneNet 搭建了一個云儲服務新中心，專門用來解決數據接入后的數據存儲問題，這個存儲中心具有高并發、大存 儲、擴展性強的優點。

基于 OneNet 的遠程控制可以是智能移動終端（手機、pad 等），也可以是個人 pc 機，只要可以與設備云平臺建立網絡聯接，皆可作為控制終端。本設計方案需要將云端數據傳入到手機 app，而且也需要在網頁查看定位信息，所以采用 OneNet 是最佳選擇。

3.3手機 app

用戶可以通過手機客戶端隨時查看商品的位置信息。手機客戶端通過云服務器訪問智能定位終端來獲得商品位置信息。用戶的手機號已經在后臺和定位終端進行了綁定，用戶只需要打開手機 APP，輸入手機號和驗證碼，點擊登陸按鈕， 即可看到自己商品的位置信息和路線，本設計分別在安卓和蘋果手機上進行測試，如圖 4 所示，可以看到物品的準確定位和路線信息，能夠滿足物品實時定位。

圖 4 手機 APP 界面

四、結論

利用物聯網技術整合傳統物流，采用 NB-IoT 模組和GNSS 傳感器實時采集物品的位置信息，通過中國移動窄帶物聯網技術將物品位置信息實時發布到云端服務器，用戶通過手機 APP 掌握自己購買商品的位置信息，從而能有效的防止物流信息被偽造，減少上當受騙的風險。本系統也可用于老人和小孩的防丟失，能夠幫助用戶實時監控位置信息， 幫助用戶快速找到老人和小孩。本設計還可以應用在其他需要監控實時位置的場景，具有較高的經濟和社會效益。