融合窄带物联网及NFC技术的智能宠物项圈设计

吴逸豪， 何铭浩， 彭晓宏， 陈宇涵, 吴惠敏

(1.北京工业大学 信息学部，北京 100124； 2.北京工业大学 文法学部，北京 100124；3.北京兆维数码科技有限公司，北京 100015)

0 引 言

如今世界上中大型城市的宠物管理问题上是一个困扰人们许久的问题。问题主要集中在宠物各类信息档案登记不完善、宠物外出时常走失或被盗。目前,普遍的登记使用传统的纸质登记本进行宠物信息注册、防疫登记等，这种方法较为原始且灵活性较差，可操作性不强，且易丢失。市面上的一种电子项圈可作为宠物行动轨迹跟踪工具使用，但其无法存储或直接显示宠物的相应身份信息。在我国一些城市推广的可植入电子芯片则普遍存在无法主动定位、射频识别(radio frequency identification,RFID)标签若无特定设备难以读取信息、植入过程给宠物带来痛苦等多方面问题。

为解决当前宠物管理上的上述难题，本文提出一种新型物联网(Internet of Things,IoT)智慧项圈方案，使用定位、射频、IoT等技术，以此改善目前的状况。

1 智能项圈整体设计

智能项圈包含如下主要功能：身份信息显示、宠物信息登记和查询、定位追踪、项圈防盗。主控模块采用STM32L151C6T6低功耗处理器，使用14500锂电池进行供电。智能项圈在正常使用中，电子墨水屏可显示自定义宠物信息，内部的EEPROM可用来存储身份以及防疫信息，并实时进行GPS轨迹跟踪，并通过移远窄带(narrow band,NB)-IoT模块将位置及轨迹信息上传至服务器。整体系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

2.1 电源模块

STM32L151C6T6属于低压低功耗芯片，电源电压在1.65～3.6 V之间。本系统中电源模块选择SPX1117M3—3.3三端稳压器，提供3.3 V电压输出[1]。每个稳压管输出端均设置大小两个电容滤波。为防止稳压器承载功率过大，防止器件互相干扰，系统中设置了三个稳压器。其中一个专门为CPU提供电源，另外两个为外围模块提供电源。

为满足宠物项圈系统电池的需求，充电电路部分选取TP4056作为充电模块芯片。该芯片可提供4.2 V的充电电压，外部电源电压输入为-0.3～8 V[2]。电源接口使用USB Type-C端口，该端口可支持的充电功率更大，且顺应时代潮流。当电池正在充电时，与电池相连的BAT管脚输出4.2 V充电电压，并提示核心模块系统处于充电状态。

2.2 GPS模块

GPS模块选用U-blox公司的NEO—6芯片，其拥有高定位精度，高集成度和低功耗的特点。整体模块以NEO—6模块以及外围电路构成。天线部分是由无源天线通过AT2659射频放大器接入NEO—6芯片。其电路如图2所示。

图2 GPS模块电路

GPS模块的作用是定位宠物的位置并通过IoT模块向服务器上传数据，实现轨迹跟踪的功能。此外，GPS模块也可配合服务器端的相关设置实现电子围栏的功能以限制宠物活动范围。在系统进入丢失模式后，上传位置信息的频率会上升，以便于主人或公安机关的精准定位。

2.3 IoT模块

本系统中IoT部分选用NB-IoT通信标准。NB-IoT具有低延时、低功耗的特点，并支持在4G或5G网络环境下应用，信息传输速度更快[3,4]。IoT模块使用BC95模块，具有性能高、功耗低的特点[5]，非常适合在本场景下应用。IoT模块主要由电源、天线、SIM卡、通信端口组成。其作用是将项圈所在宠物的位置信息等数据传递到云端服务器。此外，在宠物走失或被盗、项圈电量不足或项圈遭到强拆时，会向服务器发出报警信号。在手机、网页等客户端向项圈发出响铃指令时，IoT模块也会将此指令发送至单片机进行处理。IoT模块电路原理图如图3所示。

图3 IoT模块电路

2.4 NFC模块

本设备配备了近场通信(near field communication,NFC)技术，可使各种电子设备之间进行点对点通信[6]。其功耗低、成本低，使用智能手机即可快速便捷地读写信息。

NFC模块的作用是使用无接触的方法快速将宠物的身份等信息传递给终端设备。其模块选择意法半导体公司生产的M24LR64作为主控芯片。该芯片有线连接部分使用I2C通信，内建8kB的EEPROM。具有三种工作模式：仅I2C、仅NFC、I2C与NFC。仅I2C模式时，单片机通过I2C总线对内部的EEPROM进行数据访问；仅NFC标签模式时，外部设备通过射频通信对内部的EEPROM进行数据访问，无需外部供电；在I2C与NFC模式时，外部设备与单片机均可对内部的EEPROM进行访问[7,8]。

2.5 数据储存模块

数据储存模块用于储存宠物的身份信息、防疫信息、主人的身份信息、系统日志等数据，用于NFC、IoT模块的快速数据访问以及送显等操作。在NFC模块、IoT模块、显示模块进行数据读取时，单片机会直接访问此存储器。数据均以纯文本格式储存，存储器选用24C64 EEPROM，其64 kB的容量对于纯文本形式的数据存储是非常充足的。

2.6 显示模块

显示屏幕使用一块2.13寸122×250分辨率的电子墨水屏幕，放置于项圈上方，可用于显示宠物身份信息、二维码、主人信息等。与LCD、OLED等屏幕相比，电子墨水屏具有几乎无功耗、即使断电也可显示等优秀性能[9]，且仅在屏幕刷新时耗电，其特性是传统屏幕无法替代的。电子墨水屏显示效果与普通纸张效果基本无差，可以替代传统的宠物金属铭牌或者不干胶贴纸，减少资源浪费[9]。

电子墨水屏使用SSD1608驱动模块进行驱动。SSD1608是一块CMOS有源矩阵双稳态显示驱动控制器，具有240个源输出、320个栅输出、一个VCOM，最大支持分辨率为240×320。显示驱动模块与核心模块之间连接使用24线的软排线。

在本系统中，芯片与单片机的通信方式选用4线SPI通信方式，因此芯片上需要连接的端口：时钟信号SCLK,读写控制R/W#,片选CS#,指令数据切换D/C#，将分别连接到单片机的IO口上。具体的SSD1608接线图如图4所示。

图4 显示模块电路

2.7 防盗模块

防盗模块由两根漆包线构成，每根线的其中一端串联一个电阻接电源，另一端连接在单片机的IO口上，漆包线嵌入在可调节项圈绑带的内部。其防盗的功能是防止在失窃时项圈被强行拆下，在外出模式被强行取下或者被剪下时，漆包线断开，单片机进入异常中断处理、丢失模式，向服务器端发出报警信号。此时蜂鸣器不会发出报警声音，以免惊动盗窃者，防止项圈遭到进一步破坏。整个防盗报警机制以静默方式运行。

为了兼顾项圈松紧调节与防盗功能，项圈带使用8孔尼龙扣进行锁紧。在公头和母头中均嵌入金属触点，在佩戴时金属触点将被接通，单片机因此获得高电平信号。项圈的3D模型图如图5所示。

图5 项圈3D模型

2.8 核心模块

宠物项圈核心控制芯片选用STM32L151C6T6芯片，该芯片使用采用64位的Cortex—M3内核，具有高性能、低成本低功耗，抗干扰性能强，拥有丰富的输入输出端口，来满足系统的需求[10,11]。核心模块电路图如图6所示。在STM32系列单片机中，在满足整体性能的前提下，可保证更长的续航时间。单片机内部具有7通道的DMA通道，以DMA方式传输数据可以不经过CPU，直接在存储器与外部设备之间传输数据，大大提高了数据传输速率，并降低了系统整体的功耗。芯片内部具有一个4 kB的EEPROM，用于存储系统日志等数据。

图6 核心模块电路

STM32L151C6T6芯片支持USB2.0传输，本系统中使用USB Type-C接口进行有线数据读写和充电。

核心模块中包含一个报警电路，由S8050三极管、有源蜂鸣器组成[12]。其作用是发出声音信号提示系统工作状态。例如，宠物主人无法找到宠物时，可通过手机遥控项圈发出报警声以便寻找。

3 软件部分设计

宠物项圈系统软件使用Keil平台进行开发。Keil平台包含代码编辑、编译、调试等功能，界面操作简单，在嵌入式系统领域应用广泛[13,14]，可以满足本系统的开发需要。软件程序包含以下几种模式：外出模式、居家模式、丢失模式。分为如下几个子程序：中心控制程序、NB-IoT数据处理程序、NFC数据处理程序、USB数据处理程序、GPS定位程序、防盗程序、显示驱动程序。

系统首次启动时，需要进行设备ID注册，通过USB连接到计算机上导入相应的身份信息，并分配设备号完成注册。注册过程中，墨水屏会实时显示系统状态以及进度。之后,便可通过IoT传输或者NFC修改屏显信息和身份信息。

在正常使用时，系统初始化后会首先在墨水屏上刷新显示信息，同时进行NB-IoT入网操作。若入网失败，30 s后重试一次。入网成功后，GPS进行搜星、定位操作，每间隔30s向服务器上报一次位置信息。此时整个系统进入低功耗模式。若入网失败，则进入离线工作模式，整个活动轨迹信息将被记录在存储模块中。

相较于外出模式，居家模式关闭了防盗功能，并不即时上传位置信息，若通过设置过的电子围栏判断离开家庭范围，则恢复到外出模式。

丢失模式可通过触发防盗模块或手动开启，设备将会向服务器发出警告和位置信息。即使设备被关闭，在重新启动后便会继续发出警告消息。

4 系统测试

本系统具有完整的物联网宠物项圈软硬件系统，在研发过程中对于整个系统的稳定性、GPS定位情况、充电情况、NB-IoT数据上传下载及入网情况等进行了测试。测试结果如表1所示。

表1 智能宠物项圈可靠性测试

测试结果表明，由于环境、建筑物遮挡等原因可能会导致小概率的GPS定位、NB-IoT入网失败等情况。但在开阔地带，整个系统各个模块可靠性良好，软件运行稳定。经过测试可得出结论，本文设计的智能宠物项圈符合最初的设计要求。

5 结束语

本文基于STM32单片机及NB-IoT,NFC等技术设计了智能宠物项圈，具有电子墨水屏信息显示、轨迹跟踪、防盗报警、信息存储等功能。这只宠物项圈就像是宠物的一张电子身份证，可以更加完善城市的宠物管理制度，解决信息登记难、疫苗档案管理难等问题，以推进宠物的无纸化管理，大大减少了工作难度。另外，其防盗定位系统可以减少主人及公安机关在寻找丢失宠物上的困扰。