宋文波

【關鍵詞】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充電，所以長續(xù)航、低功耗的定位報警系統(tǒng)就成為迫切的需求。由于野外自然資源較為豐富，太陽能、風能、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）的基礎上加入多樣的發(fā)電裝置（手搖，風力，水力）可以避免定位裝置因無能耗而無法定位的問題，同時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_中[3]，有效保證了野外作業(yè)人員的安全。

一、總體設計

渦輪發(fā)電緊急定位報警系統(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模塊來完成系統(tǒng)地控制和定位。整個多源發(fā)電緊急定位報警系統(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)的下位機代碼設計以及云平臺可視化軟件設計。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)定位信息的實時準確傳輸，管理員能夠在后臺云平臺中查看到作業(yè)人員的位置信息和運行軌跡，如果發(fā)生緊急情況，可以進行一鍵報警。

二、系統(tǒng)硬件設計

（一）NB-IOT硬件設計

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等多個頻段。基于先進的GSNN技術，BC20可支持北斗和GPS雙衛(wèi)星導航系統(tǒng)解調算法[4]，使其定位更加精準、抗多路徑干擾能力更強，比傳統(tǒng)單一GPS定位模塊更強。另外BC20模塊內置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)核心板電路較為簡潔，模塊體積較小，支持豐富的外部接口和多種網(wǎng)絡服務協(xié)議棧，應用便利。

（二）GPS硬件設計

系統(tǒng)要采集的信息主要是經緯度、海拔等，NB-IOT覆蓋能力比現(xiàn)有網(wǎng)絡增益20dB，使信號能夠穿透墻面或地板，覆蓋更深的室內場景，使電池運行時間至少達到10年，理想情況下，每個扇區(qū)可連接約5萬臺設備。假設居住密度是每平方公里1500戶，每戶家庭有40個設備，這種環(huán)境下的設備連接是可以實現(xiàn)低成本等技術優(yōu)勢。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，在原有太陽能發(fā)電的基礎上增加了水力、風力以及手搖發(fā)電。基于統(tǒng)一設計理念，水力、風力以及手搖發(fā)電均采用同一個發(fā)電機，水力發(fā)電是指用水流沖擊渦輪，帶動發(fā)電機轉動;風力和手搖發(fā)電是在渦輪外部增加了卡扣，可以直接卡住旋轉葉片，風力或者人力轉動葉片帶動渦輪旋轉，從而產生電能。

（四）電源模塊模組設計

電源模塊是實現(xiàn)系統(tǒng)功能最為重要的部分，它連接著發(fā)電機和NB-IOT模塊，將發(fā)電機產生的不穩(wěn)定的電能轉化成5V標準電能給鋰電池進行充電，進而為整個定位系統(tǒng)的正常運轉，提供了充足、穩(wěn)定的電源。

三、系統(tǒng)軟件設計

（一）GPS定位系統(tǒng)程序設計

GPS信息采集是實現(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)星導航系統(tǒng)。NB-IOT模塊讀取相關距離產生的定位信息數(shù)據(jù)后，首先要通過BC20模塊內部自帶的DSN將定位數(shù)據(jù)讀取暫存，再通過總線將數(shù)據(jù)傳給開發(fā)機。

（二）云平臺可視化設計

系統(tǒng)云平臺主要是實現(xiàn)位置信息顯示和運動軌跡的顯示，云平臺在獲取到系統(tǒng)所發(fā)的位置信息后，能夠自動調用第三方地圖平臺，將設備位置在地圖上進行標注，如果設備上傳報警信息，云平臺上會自動產生報警。

四、總結

基于NB-IOT的多源發(fā)電緊急定位報警系統(tǒng)采用了多種自發(fā)電技術，在保證定位精準的同時縮短了定位時間，極大地提高偏僻地區(qū)的定位效率。用戶監(jiān)測功能能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、報警提醒等多種功能，界面美觀實用，經過測試能夠滿足野外作業(yè)定位的實際需求。