基于NB-IoT的儿童防丢系统的设计

张 中,朱甜甜,马兴录

(青岛科技大学信息科学技术学院,山东 青岛 266061)

0 引 言

儿童出行安全问题一直以来都是广大人民群众关心的焦点，一旦儿童走丢，可能陷入被伤害、被拐走的危险环境中，找回来的几率微乎其微。中国每年有超过20万的儿童丢失[1]，失孤形势已经严重威胁着家庭和社会的和谐幸福。市面上已出现的一些儿童防丢装置，多是采用蓝牙、WiFi、GPRS等方式进行通信，通过GPS技术进行定位，存在一些弊端：如遇到地下车库、偏远山区等信号较弱的地方，有效传输距离有限，装置无法起作用；而且GPS存在盲区，在基站信号比较弱的地方，定位有偏差；此外还有功耗大，待机时间短，需要经常充电或更换电池等问题。

1 儿童防丢器总体设计

针对现有技术的不足，设计一种基于NB-IoT的儿童防丢系统，采用NB-IoT进行通信，利用北斗卫星导航系统进行定位，能够准确定位丢失儿童，实现快速定位、一键报警，并将地理位置信息通过后台监控系统发送至家长的移动客户端，从而帮助家长快速定位并找回儿童，降低儿童丢失的几率。

基于NB-IoT的儿童防丢系统，包括儿童防丢装置控制电路、用户的移动客户端、云服务器。儿童防丢装置控制电路用于获取儿童位置信息，传输位置信息至基站并存储、发送报警信息。用户的移动客户端用于用户上传指令数据，将用户信息及儿童防丢装置标识信息传至云服务器，随时查看定位信息，接收报警信息。云服务器用于存储用户信息并进行用户身份鉴权，存储儿童定位信息，实时更新并存储位置信息。

儿童防丢装置控制电路获取儿童当前的位置信息，通过NB-IoT传输至附近的NB-IoT基站，信息存储至服务器端，当儿童位置发生变化时，服务器中存储的位置信息也不断进行更新。用户打开移动客户端，点击查看儿童当前位置信息，后台发送指令信息至附近移动通信基站，进行用户身份鉴权，验证身份。验证成功后移动通信基站将存储在服务器中的儿童位置信息传输至用户的移动客户端中，家长可以查看儿童当前的详细位置。系统结构如图1所示。

图1 基于NB-IoT的儿童防丢系统结构图

儿童防丢装置控制电路包括控制器、NB-IoT模块、北斗定位模块、报警模块、电源模块，控制器与其他各个模块相连，其中NB-IoT模块通过RS232连接至控制器。控制电路结构如图2所示。

图2 儿童防丢装置控制电路结构图

2 关键技术分析

2.1 NB-IoT

据研究表明，到2020年将会超过250亿设备接入无线网络中[2]，物联网设备将会达到160亿台，而其中90%以上设备将会是低功耗、低成本、低流量、低复杂度的物联网设备[3]。NB-IoT，即窄带物联网，因其具有广覆盖、低功耗、低成本、多接入、大容量、长续航等优势，成为低功耗广域网络(LPWA)技术中的领先者，取得了国内外行业的重点关注。2016年6月，3GPP完成NB-IoT标准的制定。NB-IoT因其具备良好的通信网络支撑，拥有广阔的发展前景[4]，目前全球多家企业及组织正大力推动其发展[5]。NB-IoT的技术特点主要有以下几点：

2.1.1 广覆盖

NB-IoT通过上行Inter-site CoMP技术和重复发送提高覆盖能力。采用窄带设计的方式，上行实现上传控制指令，下行实现下达控制指令，上行可选3.75 kHz或15 kHz带宽，下行带宽180 kHz，子载波数量12，子载波带宽15 kHz[6]。上行链路提高20 dB[7]，通信能力大大增强，覆盖面积扩大100倍[8]，可以满足农村、偏远区域的覆盖要求。为满足地下室、地下车库等深度覆盖要求，在基站与NB-IoT终端间采用较少数量的子载波与重复传送机制，最高支持128次重复发送，从而提高接收端成功率，满足了深度覆盖[9]。

2.1.2 低功耗

NB-IoT的出现主要是针对低频率、低频次业务，3GPP标准中的省电模式(PSM)及eDRX技术使得NB-IoT具有低功耗特点[10]，通过简化无线协议，缩短发射/接收时间等措施，实现超长待机，设备续航时间从过去的几个月大幅度提高到5～10年。典型应用情况下，一节AA电池可工作15年[11]。

2.1.3 低成本

NB-IoT支持独立部署、保护带部署、带内部署3种部署方式[12]，充分利用了频谱资源，运营商可根据现有的基站及已经覆盖的频段部署NB-IoT网络，基于移动运营商的NB-IOT网络，能够实现直接入网。低带宽、低功耗、基带复杂度低，使得NB-IoT芯片及模块具有低成本的优势，随着商业进程的推进，芯片价格会低至1美元，模块成本可控制在5美元以下[13]。

2.1.4 多连接

随着万物互联的时代发展，未来将有亿级的设备连接到互联网中，NB-IoT支持多连接，一个扇区可同时支持10万个设备接入，相比现有的无线技术提高50～100倍，能够满足互联互通的需求[14]。NB-IoT相比Sigfox，LoRa而言，Sigfox，LoRa是非授权频段，而NB-IoT是授权频段，其时隙同步协议对QoS来说是最优的，特别适合需要低延迟和高数据速率的应用程序[15]；相比GSM来说，NB-IoT比GSM功耗更低、成本更低、覆盖更广。

物联网通信技术层出不穷，NB-IoT覆盖广、连接多、电信级QoS、运营商支持、推广快等诸多优点，使得其成为当前最受瞩目的通信技术。在基于NB-IoT的儿童防丢系统的设计中，NB-IoT模块选用的是基于NB-IoT技术的通讯模组，具有低功耗、低成本、具备广域传输、海量介入、支持大量节点、支持重传机制、低复杂度、快速、可靠、安全等特征，能够适用各种复杂环境，具有更优越的性能和电池续航。

2.2 控制器

控制器主要完成的是采集北斗定位模块返回的位置信息，接收报警模块的报警信息，将位置信息及报警信息传输至服务器等功能。控制器采用32位Cortex-M3内核的STM32F103高性能、低成本、低功耗芯片，拥有最高72 MHz主频、256 kB的SRAM，具有2个ADC、9个通信接口，支持功能扩展[16]。外围设备丰富，抗干扰能力强，在极低功耗的同时提供较高运算能力，适用于工业控制场景的应用，能够实现对其他模块的控制要求[17]。

2.3 北斗定位模块

北斗卫星导航定位系统在我国的经济、军事等领域发挥着重要的作用，它是由我国自主研制的全球卫星导航定位系统[18]。北斗定位模块使用的是三频信号，三频信号可以更好地消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，大大提高模糊度的固定效率，特别适合于超出遥测信号传输范围的特殊地区，尤其在没有地面基站或者发生重大突发性事件的情况下使用[19]。北斗定位模块采用OBT9330作为主芯片，该芯片具有-143 dBm的跟踪灵敏度和-157 dBm的捕捉灵敏度，水平误差、高度误差及速度误差能够保持在很小的范围内，具有较高的可靠性[20]。

北斗模块与北斗卫星进行数据交互，控制器控制启动北斗芯片，接收北斗芯片发出的北斗卫星定位参数信息，进行数据解析，将得到的具体定位信息通过NB-IoT发送至NB-IoT基站，存储在服务器端。

3 儿童防丢系统的应用

控制器通过NB-IoT进行通信，将获取到的位置信息通过NB-IoT网络传输至附近的NB-IoT基站；北斗定位模块与控制器相连，用于实现系统定位，控制器向北斗定位模块发送获取位置请示，接收请求后，北斗卫星导航系统获取当前位置信息，并将位置信息传输至控制器；通过后台监控系统实时发送儿童当前位置信息至家长的移动客户端中，家长可以随时通过移动客户端查看儿童当前的位置信息。

报警模块为一键报警按钮装置，当儿童与家长分散需要寻求帮助时，按下一键报警按钮，发送信号至控制器，控制器接收来自报警模块的报警信息，控制器向北斗定位模块发送指令，通过北斗卫星导航系统获取当前位置信息，将报警信息和位置信息通过NB-IoT传输至附近的NB-IoT基站，基站对信息进行频制转换，将信息存储在云服务器中，后台监控系统将报警信息发送至家长的移动客户端，从而可以帮助家长迅速获取儿童的位置信息，及时发现并找回儿童。通信示意图如图3所示。

图3 基于NB-IoT的儿童防丢系统通信示意图

4 结束语

对比传统的儿童防丢装置，该设计的优势是：

1)采用NB-IoT模块替代传统的蓝牙、WiFi、GPRS等，传输距离远，穿透力强，覆盖域广；

2)将定位信息实时反馈到移动客户端，便于家长查看与管理；

3)数据传输安全，不会带来儿童位置信息的泄露造成的潜在危险；

4)功耗非常低，设备续航时间相比过去的几天、几个月大幅度提高到5～10年；

5)每个基站能够支持10万个连接，具备海量终端连接的能力，能够实现可观数量的儿童防丢设备的接入；

6)基于NB-IoT的儿童防丢系统，也可用于老人、残疾人等需要重点关注的人群。

目前NB-IoT正在部署中，多家运营商正在进行试点工作，全球主流设备商、运行商、厂商都在强势推进NB-IoT大规模商用，相信在不久的将来能大面积投入使用，而基于NB-IoT的儿童防丢系统也必然能为儿童出行安全做出贡献。

[1] 程博伟. Android平台上位置追踪软件的设计和实现[D]. 广州:华南理工大学, 2015.

[2] Ericsson. Cellular Networks for Massive IoT- Enabling Low Power Wide Area Applications[EB/OL]. https://www.ericsson.com/en/publications/white-papers/cellular-networks-for-massive-iot--enabling-low-power-wide-area-applications, 2016-06-06.

[3] 王晓周,蔺琳,肖子玉,等. NB-IoT技术标准化及发展趋势研究[J]. 现代电信科技, 2016(6):5-12.

[4] 邹玉龙,丁晓进,王全全. NB-IoT关键技术及应用前景[J]. 中兴通讯技术, 2017,23(1):43-46.

[5] 张万春,陆婷,高音. NB-IoT系统现状与发展[J]. 中兴通讯技术, 2017,23(1):10-14.

[6] 3GPP. 3GPP TS 36.211, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation, V13.3.0[S].

[7] 彭雄根,李新,陈旭奇. NB-IoT技术的发展及网络部署策略研究[J]. 邮电设计技术, 2017(3):58-61.

[8] 黄文超. NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J]. 电子测试, 2017(6):58,29.

[9] 甘秉鸿. NB-IoT测试:一项全新的工程[J]. 通信产业报, 2017(15).

[10] 李玮. NB-IoT技术及建设策略分析研究[J]. 中国新通信, 2017(7):71.

[11] 严益强. NB-IoT技术简介及其在智慧城市中应用研究[J]. 广东通信技术, 2016,36(11):6-8.

[12] 3GPP. 3GPP TS 36.300, Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN), V13.5.0[S].

[13] 袁圣勇,张晓钧. NB-IoT在铁路行业的应用研究[J]. 铁道通信信号, 2016,52(12):63-65.

[14] 张旭,邓菲菲,何天爱. NB-IoT的技术背景及面临的挑战[J]. 电脑知识与技术, 2017,13(6):89-90.

[15] Sinha R S, Wei Y, Hwang S H. A survey on LPWA technology: LoRa and NB-IoT[J]. ICT Express, 2017,3(1):14-21.

[16] 李苗苗,董琪. 基于STM32的无线脉搏信号监测系统设计[J]. 计算机与现代化, 2012(2):198-201.

[17] 范书瑞,李琦,赵燕飞. Cortex-M3嵌入式处理器原理与应用[M]. 北京:电子工业出版社, 2011.

[18] 龚凌翔. 北斗/RFID组合定位系统设计与研究[D]. 南京:南京大学, 2014.

[19] 张国旺,袁炳南,房瑾,等. 北斗定位系统在飞行试验中的应用研究[J]. 计算机测量与控制, 2015,23(5):1734-1735.

[20] 龚凌翔,叶芝慧,冯奇,等. 基于STM32的北斗/RFID组合定位系统设计[J]. 电子测量技术, 2014,37(4):76-82.