基于NB-IoT的定位及远程管控系统设计

仝卫国，侯 哲，曾世超，李芝翔

(华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定 071003)

0 引言

1 总体设计

系统采用模块化的设计[5]实现以下功能：

(1)定位设备获取卫星定位信号并解析，将定位结果经物联网平台中转到上位机；

(2)现场工作人员需输入上位机产生的6位随机数字密码来开锁；

(3)振动量超标或密码输错超过规定次数会触发报警，也可由上位机发出指令来触发报警；

(4)设备能且仅能由远程指令解除不正确的报警状态；

(5)上位机可以显示设备的实时位置和状态；

(6)上位机可以选择要管控的设备并进行相应的控制。

定位及远程管控系统的总体设计如图1所示。硬件部分包含2个STM32控制芯片，主机主要实现控制定位和无线通信的功能，从机主要实现振动检测、密码输入、开锁和报警的功能；BC20集成了无线通信和定位功能，负责设备与上位机的信息交互以及实时定位信息的采集与解析；物联网平台是上位机和设备间的数据交换中转站，便于进行远程控制；软件部分可远程查看设备报警状态、位置信息，控制设备的声光报警器、密码锁开闭。

文献[2]中的数值计算结果是利用ANSYS的板单元SHELL63建模得到的，加载条件一样，即忽略自重，在简支直线箱梁跨中正对腹板的上翼缘板处作用对称集中荷载，总量为P=0.272 2 kN，为了验证本模型的正确性，对比二者结果如表1。

2 设备的硬件设计

设备的硬件设计采用的2个主控芯片均为STM32F103VET6，其内核是Cortex-M3，属于中低端的32位ARM微控制器。该芯片最高可达到72 MHz的工作频率，存储空间达512 kB，且具备丰富的I/O接口，能够满足本设备的功能需求[6～8]。本设备的硬件结构主要包括电源模块、按键模块、声光报警器模块、继电器模块、震动传感器模块、电磁锁模块及无线通信模块等。设备的硬件总体框图如图2所示。

2.1 振动传感器电路设计

为实现设备的防盗报警功能，使用高灵敏的SW-420常闭型振动传感器用于探测设备的振动信号。该振动传感器使用LM393比较器，具备信号干净、波形好、驱动能力强等优点。SW-420常闭型振动传感器的电路原理如图3所示。

由图3可知，将从机的STM32 I/O口与SW-420的DO口相连，即可将数字信号传入控制芯片。STM32通过数字信号来判断设备是否遭受暴力破坏，如果振动信号持续且振动强度大，则从机驱动继电器模块控制声光报警器开启报警。

2.2 双机通信设计

单片机和元器件间的通信方式很多，如CAN总线通信、SPI通信、串口通信等。为方便软件设计，本设计采取了双STM32的方案。主机和从机之间采取串口通信的方式来实现信息交互。双STM32通过USART1串口进行双向通信，RXD与TXD交叉相连，并通过串口调试助手实现了主从机的信息交换测试。主从机的串口通信连接示意如图4所示。

2.3 NB-IoT模块电路设计

BC20是一款高性能、低功耗、多频段、支持GNSS定位功能的NB-IoT(narrow band internet of things)无线通信模块，支持GPS、北斗等多个定位和导航系统[11]。BC20模块中内置LNA和低功耗算法：前者保证更高的灵敏度，后者保证低功耗模式下更低的耗流。BC20模块较传统NB-IoT+GNSS方案体积减少40%。

BC20的接口丰富，包括开关机接口、串口、SIM卡接口、GNSS射频接口、NB-IoT接口等。根据该系统的设计需求及BC20官方设计手册完成了NB-IoT模块的硬件电路设计，如图5所示。

3 设备的软件设计

系统的软件设计主要包括主机软件设计、从机软件设计和上位机软件设计。其中主机软件和从机软件的编译环境为Keil5，上位机软件的编译环境为Visual Studio 2017。

3.1 主机软件设计

主机需要实现的功能包括与从机双向通信、获取定位数据、与物联网平台双向通信。主机开启或复位后，设备开始初始化并尝试获取设备的位置信息。主机与物联网平台通信完成后，上位机能将控制指令通过物联网平台传到主机，并由主机通过串口1(波特率115200)向从机下达控制指令。主机软件设计流程如图6所示。

3.2 从机软件设计

从机需要实现的功能包括与主机双向通信、防盗报警、临时密码开锁。从机需要将状态参数通过串口1传输给主机，同时接收主机的报警及开锁指令。从机的密码键盘输入仅接受主机控制，上位机生成随机密码发送给主机后，从机存储主机传输的临时密码并启动键盘扫描子程序。从机的声光报警器开闭，仅接受上位机控制。从机主程序设计流程如图7所示。

3.3 上位机软件设计

上位机软件利用C++语言编写，包括图像界面、地图显示、通信等子程序。地图显示程序是在百度地图的基础上进行开发的，具有精准度高、更新快的优点。上位机功能选项包括生成临时密码、报警开启与停止、设备连接与断开、同步设备移动轨迹。上位机登录界面及功能界面如图8、图9所示。

4 系统测试

为了测试上述方案的可行性，制作了2套实体设备，如图10所示。设备采用全铝合金材质，并内置海绵，在运输过程中能够有效保护内部的重要物品。控制电路位于设备内部，声光报警器和天线位于设备右侧，设备上侧的矩阵键盘能够进行密码输入。该实体设备仅供测试，后续可针对特定的物品设计并制作相应的设备。

为验证系统的性能，在实验室及室外进行多次设备定位、移动、远程报警及临时密码开锁功能测试。首先启动设备电源，登录上位机查看设备登陆状态。然后通过点击上位机的功能选项来验证设备性能，具体测试各项功能的响应时间如表1所示，定位精度测试数据如表2所示。

表1 设备响应时间 s

表2 定位精度

由表1、表2的测试数据可以看出，本文设计的测试设备其定位精度高，室内外定位误差不超过5 m，且设备对上位机的控制响应及时，10 s内能够接收到控制信号并实现相应功能。

5 结束语

本文介绍了基于NB-IoT和STM32的定位及远程管控系统的软硬件设计。本文给出了设备的整体设计思想，对设备的软硬件设计方案进行了详细介绍，同时制作了实体设备进行测试。测试结果表明，该系统极大提高了物品在存放及运输过程中的安全性，定位精度高，具有远程监控功能。同时，采用的双STM32设计，方便后续进行功能升级或功能拓展。在本设计的基础上可以对保护装置进行改造，以适应标准材料、精密仪器、机密文件或者有毒有害物质等重要物品的运输需求。