為解決顧客購(gòu)買貴重商品而被偽造物流信息的問題，作者提出了一種基于 NB-IoT 的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控方案，采用 NB-IoT 以及定位傳感器實(shí)時(shí)的監(jiān)控位置信息并上傳云服務(wù)器，用戶通過手機(jī) APP 實(shí)時(shí)查看物品位置信息。

一、系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)以智能終端為核心，通過位置傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將位置信息傳送給 MCU 處理，通過串口傳輸數(shù)據(jù)給NB-IoT 模塊，采用 EDP 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給云服務(wù)平臺(tái)，用戶通過手機(jī) app 根據(jù)TCP/IP 協(xié)議向云服務(wù)器查詢位置信息。

圖 1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用智能終端、NB-IoT、云服務(wù)器和手機(jī) app 四層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將定位信息傳送到用戶的 app 中。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

第一層為感知層，由智能終端上的 GNSS 定位模塊采集位置信息，并通過串口將信息傳送給 MCU。第二層是通信層， MCU 通過串口通信將位置數(shù)據(jù)傳送給 NB-IoT 模塊，NB 基站再通過 EDP 協(xié)議將定位數(shù)據(jù)傳送到云平臺(tái)。第三層是應(yīng)用服務(wù)層，位置信息部署在云端供用戶查詢。第四層是用戶層，用戶可以使用手機(jī) app 實(shí)時(shí)監(jiān)控位置信息。

該設(shè)計(jì)方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用 NB-IoT 技術(shù)將位置信息傳送給云端，實(shí)現(xiàn)位置信息的實(shí)時(shí)發(fā)布。

（2）支持頻段多，部署成本低。該網(wǎng)絡(luò)是由電信運(yùn)營(yíng)商經(jīng)營(yíng)，不用外部部署集中器或網(wǎng)關(guān)，很大程度上降低系統(tǒng)部署和設(shè)備升級(jí)成本。

（3）用戶可以根據(jù)手機(jī) app 實(shí)時(shí)的監(jiān)控物流位置信息。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)貴重貨物都由一個(gè)控制單元負(fù)責(zé)采集位置數(shù)據(jù)，并通過 NB 模塊將數(shù)據(jù)更新至服務(wù)器，供用戶來查看。智能終端主要由 MCU、NB-IoT 模塊、GNSS 定位模塊、天線和電源模塊構(gòu)成，如圖 2 所示。

圖 2 系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 主控芯片

本設(shè)計(jì)采用的主控芯片是 STM32L151R8T6，該芯片采用 64 位的 Cortex-M3 內(nèi)核，具有高性能、低成本低功耗，抗干擾性能強(qiáng)，擁有豐富的輸入輸出端口，來滿足系統(tǒng)的需求，適合對(duì) NB-IoT 模塊進(jìn)行控制。本 MCU 主要負(fù)責(zé)定位信息的預(yù)處理及分析，通過 AT 指令控制 NB-IoT 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 NB-IoT 技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT） 由第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）在 2015 年提出，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的連接，因此也被稱為低功耗廣域網(wǎng)。相較 于 2G/3G/4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，NB-IoT 具有：廣覆蓋、海量連接、更低功耗、更低硬件成本等優(yōu)勢(shì)。NB-IoT 的基本結(jié)構(gòu)是蜂窩網(wǎng)絡(luò)，與以往無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，具有占用帶寬小的優(yōu)點(diǎn)， 只有 180KHz 左右。依托運(yùn)營(yíng)商豐富的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性更高，建設(shè)的成本可以大大降低，減少不必要的人力消耗和資源浪費(fèi)。主要適用于物流監(jiān)測(cè)、智能路 燈、智能電表、可穿戴設(shè)備等場(chǎng)景。

本設(shè)計(jì)選用聯(lián)想懂的 C1100 NB-IoT 模塊，這款模組面向全球聯(lián)網(wǎng)和 M2M 市場(chǎng)量身打造，具備多模全網(wǎng)通、嵌入一體化、e-SIM 全球服務(wù)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全球高精度定位數(shù)據(jù)的傳輸交互。NB-IoT 終端為數(shù)據(jù)傳輸提供了無線傳輸協(xié)議封裝和數(shù)據(jù)處理功能，定位采集傳感數(shù)據(jù)通過 MCU 處理并上傳平臺(tái)，具有網(wǎng)管監(jiān)控能力和邊緣計(jì)算的能力。在高精度全球定位實(shí)現(xiàn)方案中，NB-IoT 終端可以實(shí)現(xiàn)以下功能 ：

（1）實(shí)現(xiàn)高精度全球定位數(shù)據(jù)的傳輸，將實(shí)時(shí)位置和運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái) ;

（2）具備多模全網(wǎng)通，可以實(shí)現(xiàn)物流的全球高精度定位 ;

（3）可按照用戶的需求進(jìn)行二次開發(fā)，并且提供與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

2.3 定位模塊

聯(lián)想懂的 C1100 模塊中已經(jīng)集成了 GNSS 定位模塊，可以有效的降低功耗，保證續(xù)航能力，而且能夠支持全球定位， 符合本設(shè)計(jì)對(duì)貴重貨物位置信息的全球監(jiān)控。GNSS 系統(tǒng)包含的有 GPS，BDS，CLONASS，Galileo 等衛(wèi)星系統(tǒng)，每個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)有很多相似之處，都是由空間衛(wèi)星、地面控制和用戶部分 構(gòu)成。空間衛(wèi)星的主要功能是不斷的往地球發(fā)送導(dǎo)航電文和 導(dǎo)航定位的測(cè)距信號(hào)，讓地球上的任何一點(diǎn)都能得到足夠的 衛(wèi)星信號(hào)。地面控制的主要功能是跟蹤 GNSS 衛(wèi)星、確定衛(wèi)星運(yùn)行軌道及衛(wèi)星鐘改正數(shù)預(yù)報(bào)及編寫導(dǎo)航電文等。導(dǎo)航電文主要包含了衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘等參數(shù)，用戶能通過這 些參數(shù)計(jì)算出衛(wèi)星的瞬時(shí)空間坐標(biāo)。用戶采用 GNSS 接收機(jī) 接收到導(dǎo)航衛(wèi)星 i 的測(cè)距信號(hào)，精確測(cè)量出信號(hào)的傳播時(shí)間Δti，再乘以光速 c，即可得到接收機(jī)到衛(wèi)星 i 的偽距 ρ 。

Ρi =Δtic ⑴

定位原理如圖 3 所示，GNSS 接收機(jī)在位置 A，同步測(cè)量 GNSS 接收機(jī)到多顆衛(wèi)星的偽距 Ρi（i=1，2…n），根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計(jì)算出衛(wèi)星的瞬時(shí)空間坐標(biāo) （ti xi，yi，zi），測(cè)距方程為：

式 （2） 中：（x，y，z） 是智能終端 A 點(diǎn)空間坐標(biāo)，δtu 是衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)與接收機(jī)時(shí)間系統(tǒng)的差異值。

圖 3 GNSS 定位示意圖

式 （2）中 （x，y，z）和 δtu 為未知數(shù)，接收 4 顆以上衛(wèi)星的信號(hào)，就能夠建立 4 個(gè)以上方程，利用最小二乘解出 4 個(gè)未知數(shù)，因此可以得到 A 點(diǎn)空間坐標(biāo)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 EDP 協(xié)議

EDP 協(xié)議是移動(dòng) OneNet 平臺(tái)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的基本特點(diǎn)專門定制的基于 TCP 的協(xié)議。EDP 協(xié)議主要包含以下部分： 請(qǐng)求連接、設(shè)備認(rèn)證、心跳命令、數(shù)據(jù)傳輸、控制命令、斷開連接等部分。

首先，NB 模塊向系統(tǒng)發(fā)送連接請(qǐng)求，收到服務(wù)器發(fā)送的響應(yīng)信號(hào)之后，再發(fā)送驗(yàn)證信息。成功建立 NB 模塊與服務(wù)器的連接以后，模塊可以在兩分鐘內(nèi)向服務(wù)器傳輸位置信息或者接收服務(wù)器的控制命令。若模塊兩分鐘之內(nèi)沒有和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，就要發(fā)送心跳命令，保持連接，維持設(shè)備始終在線。

本系統(tǒng)選用 EDP 作為傳輸協(xié)議，不僅能實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新、接收和發(fā)送等功能，也可以有效的降低開發(fā)難度和開發(fā)周期。與 HTTP 相比，不僅設(shè)備控制效率高，而且設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷低。HTTP 中包含冗余信息，加重了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)， 當(dāng)系統(tǒng)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)更長(zhǎng)的延遲，影響用戶體驗(yàn)。EDP 協(xié)議傳輸同樣的數(shù)據(jù)時(shí)，有更短的延遲和更少的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，能夠在掉線的情況下自動(dòng)重連，使設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差的地方也能夠正常工作，能夠滿足全球定位的要求。

3.2 OneNet 云平臺(tái)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，國(guó)內(nèi)外許多運(yùn)行商都相繼推出了云平臺(tái)來服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，本設(shè)計(jì)提出了智能定位硬件接入中國(guó)移動(dòng)開放平臺(tái) -OneNet 設(shè)備云的研究方案。OneNet 云平臺(tái)是中國(guó)移動(dòng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)來搭建的開放平臺(tái)和生態(tài)環(huán)境，兼容很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，特別是本系統(tǒng)采用的 EDP 協(xié)議，能更好的兼容此云平臺(tái)。該平臺(tái)還提供豐富的應(yīng)用模板和 API 兼容各個(gè)行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開發(fā)，可以減少用戶開發(fā)成本。

OneNet 搭建了一個(gè)云儲(chǔ)服務(wù)新中心，專門用來解決數(shù)據(jù)接入后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，這個(gè)存儲(chǔ)中心具有高并發(fā)、大存 儲(chǔ)、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

基于 OneNet 的遠(yuǎn)程控制可以是智能移動(dòng)終端（手機(jī)、pad 等），也可以是個(gè)人 pc 機(jī)，只要可以與設(shè)備云平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，皆可作為控制終端。本設(shè)計(jì)方案需要將云端數(shù)據(jù)傳入到手機(jī) app，而且也需要在網(wǎng)頁(yè)查看定位信息，所以采用 OneNet 是最佳選擇。

3.3手機(jī) app

用戶可以通過手機(jī)客戶端隨時(shí)查看商品的位置信息。手機(jī)客戶端通過云服務(wù)器訪問智能定位終端來獲得商品位置信息。用戶的手機(jī)號(hào)已經(jīng)在后臺(tái)和定位終端進(jìn)行了綁定，用戶只需要打開手機(jī) APP，輸入手機(jī)號(hào)和驗(yàn)證碼，點(diǎn)擊登陸按鈕， 即可看到自己商品的位置信息和路線，本設(shè)計(jì)分別在安卓和蘋果手機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，如圖 4 所示，可以看到物品的準(zhǔn)確定位和路線信息，能夠滿足物品實(shí)時(shí)定位。

圖 4 手機(jī) APP 界面

四、結(jié)論

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合傳統(tǒng)物流，采用 NB-IoT 模組和GNSS 傳感器實(shí)時(shí)采集物品的位置信息，通過中國(guó)移動(dòng)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將物品位置信息實(shí)時(shí)發(fā)布到云端服務(wù)器，用戶通過手機(jī) APP 掌握自己購(gòu)買商品的位置信息，從而能有效的防止物流信息被偽造，減少上當(dāng)受騙的風(fēng)險(xiǎn)。本系統(tǒng)也可用于老人和小孩的防丟失，能夠幫助用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控位置信息， 幫助用戶快速找到老人和小孩。本設(shè)計(jì)還可以應(yīng)用在其他需要監(jiān)控實(shí)時(shí)位置的場(chǎng)景，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。