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(wèn)題一直以來(lái)都是廣大人民群眾關(guān)心的焦點(diǎn)，一旦兒童走丟，可能陷入被傷害、被拐走的危險(xiǎn)環(huán)境中，找回來(lái)的幾率微乎其微。中國(guó)每年有超過(guò)20萬(wàn)的兒童丟失[1]，失孤形勢(shì)已經(jīng)嚴(yán)重威脅著家庭和社會(huì)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(lán)牙、WiFi、GPRS等方式進(jìn)行通信，通過(guò)GPS技術(shù)進(jìn)行定位，存在一些弊端：如遇到地下車(chē)庫(kù)、偏遠(yuǎn)山區(qū)等信號(hào)較弱的地方，有效傳輸距離有限，裝置無(wú)法起作用；而且GPS存在盲區(qū)，在基站信號(hào)比較弱的地方，定位有偏差；此外還有功耗大，待機(jī)時(shí)間短，需要經(jīng)常充電或更換電池等問(wèn)題。

1 兒童防丟器總體設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種基于NB-IoT的兒童防丟系統(tǒng)，采用NB-IoT進(jìn)行通信，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位，能夠準(zhǔn)確定位丟失兒童，實(shí)現(xiàn)快速定位、一鍵報(bào)警，并將地理位置信息通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送至家長(zhǎng)的移動(dòng)客戶端，從而幫助家長(zhǎng)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(dòng)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(chǔ)、發(fā)送報(bào)警信息。用戶的移動(dòng)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(biāo)識(shí)信息傳至云服務(wù)器，隨時(shí)查看定位信息，接收?qǐng)?bào)警信息。云服務(wù)器用于存儲(chǔ)用戶信息并進(jìn)行用戶身份鑒權(quán)，存儲(chǔ)兒童定位信息，實(shí)時(shí)更新并存儲(chǔ)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(guò)NB-IoT傳輸至附近的NB-IoT基站，信息存儲(chǔ)至服務(wù)器端，當(dāng)兒童位置發(fā)生變化時(shí)，服務(wù)器中存儲(chǔ)的位置信息也不斷進(jìn)行更新。用戶打開(kāi)移動(dòng)客戶端，點(diǎn)擊查看兒童當(dāng)前位置信息，后臺(tái)發(fā)送指令信息至附近移動(dòng)通信基站，進(jìn)行用戶身份鑒權(quán)，驗(yàn)證身份。驗(yàn)證成功后移動(dòng)通信基站將存儲(chǔ)在服務(wù)器中的兒童位置信息傳輸至用戶的移動(dòng)客戶端中，家長(zhǎng)可以查看兒童當(dāng)前的詳細(xì)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(bào)警模塊、電源模塊，控制器與其他各個(gè)模塊相連，其中NB-IoT模塊通過(guò)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(huì)超過(guò)250億設(shè)備接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中[2]，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將會(huì)達(dá)到160億臺(tái)，而其中90%以上設(shè)備將會(huì)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(zhǎng)續(xù)航等優(yōu)勢(shì)，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(guó)內(nèi)外行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。2016年6月，3GPP完成NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)其發(fā)展[5]。NB-IoT的技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

2.1.1 廣覆蓋

NB-IoT通過(guò)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(jì)的方式，上行實(shí)現(xiàn)上傳控制指令，下行實(shí)現(xiàn)下達(dá)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(qiáng)，覆蓋面積擴(kuò)大100倍[8]，可以滿足農(nóng)村、偏遠(yuǎn)區(qū)域的覆蓋要求。為滿足地下室、地下車(chē)庫(kù)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(jī)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(duì)低頻率、低頻次業(yè)務(wù)，3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的省電模式(PSM)及eDRX技術(shù)使得NB-IoT具有低功耗特點(diǎn)[10]，通過(guò)簡(jiǎn)化無(wú)線協(xié)議，縮短發(fā)射/接收時(shí)間等措施，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)，設(shè)備續(xù)航時(shí)間從過(guò)去的幾個(gè)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(dú)立部署、保護(hù)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(yùn)營(yíng)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(dòng)運(yùn)營(yíng)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(shì)，隨著商業(yè)進(jìn)程的推進(jìn)，芯片價(jià)格會(huì)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(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代發(fā)展，未來(lái)將有億級(jí)的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)中，NB-IoT支持多連接，一個(gè)扇區(qū)可同時(shí)支持10萬(wàn)個(gè)設(shè)備接入，相比現(xiàn)有的無(wú)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(shí)隙同步協(xié)議對(duì)QoS來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(jí)QoS、運(yùn)營(yíng)商支持、推廣快等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(jì)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(diǎn)、支持重傳機(jī)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?qǐng)?bào)警模塊的報(bào)警信息，將位置信息及報(bào)警信息傳輸至服務(wù)器等功能?？刂破鞑捎?2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(gè)ADC、9個(gè)通信接口，支持功能擴(kuò)展[16]。外圍設(shè)備豐富，抗干擾能力強(qiáng)，在極低功耗的同時(shí)提供較高運(yùn)算能力，適用于工業(yè)控制場(chǎng)景的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(guó)的經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，它是由我國(guó)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(hào)，三頻信號(hào)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(cè)信號(hào)傳輸范圍的特殊地區(qū)，尤其在沒(méi)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互，控制器控制啟動(dòng)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(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將得到的具體定位信息通過(guò)NB-IoT發(fā)送至NB-IoT基站，存儲(chǔ)在服務(wù)器端。

3 兒童防丟系統(tǒng)的應(yīng)用

控制器通過(guò)NB-IoT進(jìn)行通信，將獲取到的位置信息通過(guò)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(shí)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(qǐng)示，接收請(qǐng)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(guò)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送兒童當(dāng)前位置信息至家長(zhǎng)的移動(dòng)客戶端中，家長(zhǎng)可以隨時(shí)通過(guò)移動(dòng)客戶端查看兒童當(dāng)前的位置信息。

報(bào)警模塊為一鍵報(bào)警按鈕裝置，當(dāng)兒童與家長(zhǎng)分散需要尋求幫助時(shí)，按下一鍵報(bào)警按鈕，發(fā)送信號(hào)至控制器，控制器接收來(lái)自報(bào)警模塊的報(bào)警信息，控制器向北斗定位模塊發(fā)送指令，通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取當(dāng)前位置信息，將報(bào)警信息和位置信息通過(guò)NB-IoT傳輸至附近的NB-IoT基站，基站對(duì)信息進(jìn)行頻制轉(zhuǎn)換，將信息存儲(chǔ)在云服務(wù)器中，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)將報(bào)警信息發(fā)送至家長(zhǎng)的移動(dòng)客戶端，從而可以幫助家長(zhǎng)迅速獲取兒童的位置信息，及時(shí)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(yǔ)

對(duì)比傳統(tǒng)的兒童防丟裝置，該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是：

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

2)將定位信息實(shí)時(shí)反饋到移動(dòng)客戶端，便于家長(zhǎng)查看與管理；

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

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

5)每個(gè)基站能夠支持10萬(wàn)個(gè)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(diǎn)關(guān)注的人群。

目前NB-IoT正在部署中，多家運(yùn)營(yíng)商正在進(jìn)行試點(diǎn)工作，全球主流設(shè)備商、運(yùn)行商、廠商都在強(qiáng)勢(shì)推進(jìn)NB-IoT大規(guī)模商用，相信在不久的將來(lái)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(xiàn)。

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