传统的GPS/北斗+GPRS定位方式和通讯基站定位技术,帧率很大,人动电能装置形成的电量,不能满足能量消耗。植物配戴基于传统定位技术设计的定位器,在一两个月之内,电瓶电量就被用尽,因而丧失与植物之间的联系。广覆盖、海量联接、低帧率、低成本的NB-IoT技术的出现,为解决这种问题提供了新的方式。文章通过NB-IoT技术的综合运用,研发了一种能长时间续航的植物定位跟踪系统。
1研究背景
物联网的无线通讯主要分为短距离通讯和广域网通讯两类,短距离通讯包括Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通讯技术;广域网通讯技术包括LPWAN等。LPWA又可分为未授权频谱和授权频谱两类,NB-IoT属于授权频谱。
NB-IoT的全称为NarrowBand-InternetOfThings,使用License频段,具备四大特征:广覆盖,相比现有GSM和LTE基站,一个NB-IoT基站可以提升20dB讯号覆盖;海量联接,NB-IoT一个磁道200kHz的带宽可以最多支持超5万联接;更低帧率,NB-IoT终端模块待机时间可历时10年;更低的模块成本,模组成本不超过5欧元[1]。NB-IoT具备的这种特点使之广泛应用于各类垂直行业。
物联网应用天然与位置强相关。物联网终端采集的各类信息中,位置信息是十分重要的一项。好多应用的实现都以终端的位置作为基础,甚至必须获取到终端位置信息能够举办服务。传统的定位手段主要有GPS/北斗+GPRS定位方式和基站定位方式。GPS/北斗+GPRS方式,帧率大,终端续航能力差,无法达到长时间的使用寿命,受限于气候,在卫星可见度差的时侯或则室外场景难以定位;而基站定位方式则定位精度在千百米级,不能满足大部份应用场景需求。
对植物进行定位是一种常见的应用场景,在多种行业都存在,比如科研工作人员须要对野生鸟类的生活轨迹、季节迁徙轨迹进行研究;种植户须要对饲养的牛、羊群轨迹跟踪;野生植物园的管理员须要对猛兽进行定位,避免其逃走智能系统能及时报案。因为技术的限制,传统的鸟类定位装置基本上采用GPRS+GPS的组合,帧率很大,人动电能装置形成的电量,不能满足消耗,因而也难以应用到传统的装置上。传统装置基本每位月都须要更换一次电板,对野生鸟类的踪迹管理极为不便,没有多大的实用价值。为解决上述技术问题,我们设计了一种基于NB-IoT的能手动充电的植物定位跟踪系统。
2系统设计
2.1注册流程
植物定位跟踪系统包括含跟踪器、手机APP和后台服务器三个部份。跟踪器内嵌入动电能装置、储电单元和NB-IoT模组,NB-IoT模组包括电源模块、终端通讯模块和终端定位模块。用户在撕破跟踪器上的不干胶后,获取每位跟踪器对应的二维码,使用联通终端(一般是手机)对二维码进行扫描,获得跟踪器的信息。用户扫描二维码并激活后,跟踪器上的NB-IoT模组开始工作,用户可以使用圆孔的铆钉将跟踪器绑在植物头上。具体注册激活流程如图1所示。
图1注册流程
2.2追踪流程
跟踪器上的终端定位模块在预设可调的时间间隔内获取植物的位置信号,之后通过eSIM模块和终端通讯模块将位置信号发送至基站。用户可以通过联通终端的联通通讯模块来远程获取植物位置信号,且还能将植物位置信号发送给后台系统的后台通讯模块,从而实现对植物位置的远程监控,才能便捷地定位植物位置、回看植物的历史轨迹,为植物保护、养殖管理提供了一个很实用的工具。具体追踪流程如图2所示。
图2追踪流程
3系统实现
植物定位跟踪系统是一种基于NB-IoT的能手动充电的植物定位跟踪器,里面有一个圆孔,可以绑定在植物的角部、颈部或手部,系统包含人动电能装置、储电单元和NB-IoT模组,如图3所示。
图3追踪器示意图
3.1人动电能充电装置
人动电能充电最先应用于石英腕表。腕表佩带者的手指运动使手动陀摆动。蜗杆序列将能量传给定子,定子转动时即在线圈组件间形成电流,于是形成电压。电能被储存在另一个小部件ESU(ElectricalStorageUnit,储电单元)中,须要时被释放下来为表提供动力[2]。跟踪器借鉴了腕表式人动电能装置,依照植物运动过程中的加速度,使手动陀摆动,人动电能发电装置形成微弱的电压,储存在ESU中。NB-IoT中的定位装置帧率小,佩带在植物头上,植物运动形成电能,驱动NB-IoT定位装置正常工作。
3.2储电单元
储电单元用于存储人动电能装置形成的电能。人动电能装置的输出端联接储电单元的输入端,储电单元的输出端联接电源模块的输入端,电源模块的输出端分别联接终端通讯模块的输入端和终端定位模块的输入端,终端定位模块的输出端联接终端通讯模块的输入端,终端通讯模块的输出端联接至联通终端,联通终端联接至后台系统。
3.3NB-IoT模组
NB-IoT模组包括电源模块、终端通讯模块和终端定位模块。电源模块,用于按照储电单元中储存的电能,为NB-IoT模组中的电子设备提供工作电源;终端通讯模块,用于实现跟踪器与基站网路之间的数据通讯;终端定位模块,用于实时获取跟踪器的位置信号。
NB-IoT模组还包括USB充电模块,输出端联接电源模块的输入端。USB充电模块,用于向电源模块充电。通过MiniUSB插口向电源模块充电。USB充电模块可通过相关电路来实现,如图4所示。其工作原理为:USB充电模块的输入为AC160-240V,50/60Hz,额定输出为DC5V,250mA。内阻F1的电阻为1Ω,它起到保险丝的作用,用一个三极管D1完成检波作用。接通电源后,C1会有300V左右的直流电流,通过R2给Q1的栅极提供电压,Q1的发射极有R1电压测量阻值R1,Q1栅极得电后,会经过T1的(3、4)形成基极电压,并同时在T1的(5、6)和(1、2)上形成感应电流,这两个次级绝缘的圈数相同的线圈,其中T1(1、2)输出由D7检波、C5混频后通过USB座给负载供电;T1(5、6)经D6检波、C2混频后通过IC1(实为4.3V稳压管)、Q2组成采样比较电路,检查输出电流高低;T1(5、6)、C3、R4还组成Q1二极管的正反馈电路,让Q1工作在高频振荡,不停地给T1(3、4)开关供电。
当负载变轻或则电源电流变高等任何缘由造成输出电流下降时瑞泰手机定位追踪系统,T1(5、6)、IC1采样比较造成Q2导通,Q1栅极电压降低,基极电压降低,负载能力变小,因而造成输出电流减小;当输出电流增加后,Q2采样后又会截至,Q1的负载能力变强,输出电流又会下降,这么起到手动稳压作用。
图4USB电路图
USB充电模块的电路其实器件少,而且还设计有过流过载漏电保护功能。当负载过载或漏电时,Q1的基极电压大增,而Q1的发射极内阻R1会形成较高的压降,这个过载或则漏电形成的高电流会经过R3让Q2饱和导通,因而让Q1截至停止输出避免过载受损。为此,改变R1的大小,可以改变负载能力,假如要求输出电压小,比如只须要输出5V,100MA,可以将R1电阻改大。其实瑞泰手机定位追踪系统,假如须要输出5V,500MA的话,就须要将R1适当改小。另外,T1变压器是电感器件,Q1工作在开关状态,当Q1截至时,会在栅极感应出很高的电流,可能高达1000V以上,这会使Q1击穿毁坏。如今有了高速开关管D5,这个电流可以给C4充电,通过吸收高压充电后的C4可以立刻通过R5放电,这样Q1不会因基极的高电流击穿受损[3]。
NB-IoT模组还包括扩充插口和eSIM模块。扩充插口的输入端联接电源模块的输出端,用于为跟踪器提供扩充功能,eSIM模块输入端联接电源模块的输出端,用于装载营运商放号的eSIM,提供愈发便利和安全的通讯过程,便捷用户灵活切换营运商套餐,增加了设备更换成本。
3.4联通终端
联通终端包括联通通讯模块、移动定位模块、二维码扫描模块和联通储存模块,输入端联接终端通讯模块的输出端,联通定位模块的输出端和二维码扫描模块的输出端均联接至联通通讯模块的输入端,联通储存模块联接联通通讯模块,如图5所示。其中,联通定位模块用于实时获取联通终端的位置信号,联通通讯模块用于实现联通终端与营运商网路之间的数据通讯,二维码扫描模块用于进行二维码辨识;二维码扫描模块可采用现有的摄像头来实现;后台储存模块,用于储存联通终端的所有数据,包括联通通讯模块的数据讯号和联通定位模块的数据讯号等。
3.5后台系统
后台系统包括后台通讯模块和后台储存模块,如图6所示。后台通讯模块分别联接联通通讯模块和后台储存模块。后台通讯模块用于实现后台系统与联通终端之间的数据通讯,后台储存模块用于储存后台系统的所有数据。
图5手机APP构架图
图6后台系统构架图
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