基于NB-IoT的老人防走失追蹤器的設計與實現(xiàn)

彭玲

摘要 中國每年有很多老年人外出迷路、走失，基于此，設計一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（ Narrow Band Internet of Things，NB-IoT） 的老人防走失追蹤器，采用 NB-IoT 替代傳統(tǒng)的藍牙、WIFI、GPRS 等方式，具有功耗小、覆蓋廣、穿透強、信號好等優(yōu)點;利用GPS定位技術實施精準定位，同時還可檢測其身體健康狀況（如心率、體溫等）。利用 NB-IoT 與基站建立連接，將GPS輸出的定位信息通過NB-IoT傳輸至基站。用戶可通過手機app隨時查看老人的位置信息和健康狀況。

關鍵詞： NB-IoT; GPS定位技術;手機app

1 背景

老人走失日益成為顯性問題，亟需解決。針對這類問題，市面上已出現(xiàn)的一些防丟裝置，多是采用藍牙、WIFI、GPRS 等方式進行通信、定位，但存在一些弊端：如遇到地下車庫、偏遠山區(qū)等信號較弱的地方，有效傳輸距離有限，裝置無法起作用[1]。針對現(xiàn)有技術的不足，本文所設計的老人防走失智能追蹤器，采用 NB-IoT 進行通信，利用GPS進行定位，能夠準確定位走失老人，實現(xiàn)快速定位，并將地理位置信息通過平臺發(fā)送給手機app，從手機app可以直觀地看出其位置，并且還可以記錄老人的行走軌跡。除此之外，該追蹤器還具有檢測環(huán)境溫度、濕度和老人身體健康狀態(tài)（如心率、體溫等）功能。

2系統(tǒng)設計

本設計利用NB-IOT技術，將各個傳感器獲取到的人體溫度、心率速度、周圍環(huán)境的溫度和濕度以及實時定位數(shù)據(jù)通過NB模塊上傳到附近的NB-IOT基站，再從基站上發(fā)到Ocean Connect平臺。手機APP可以從平臺獲取數(shù)據(jù)，選擇查看身體健康狀況和環(huán)境條件，還導入了百度地圖，可以從地圖上直觀地看到用戶的位置和行走過的歷史軌跡。

3硬件設計

3.1 STM32L476主芯片

本設計主芯片采用STM32L476，基于ARM? Cortex?-M4，具有FPU內(nèi)核。它們的工作頻率可達80 MHz，并實現(xiàn) 了在80 MHz頻率下具有100 DMIPS的性能，由于集成了ART Accelerator?，還同時能保持盡可能小的動態(tài)功耗[2]。

3.2 NB-IOT模塊

本系統(tǒng)選用BC95的NB-IOT模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)。BC95是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊[3]。其尺寸僅為19.9 &TImes; 23.6&TImes; 2.2mm，能最大限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，同時有效地幫助客戶減小產(chǎn)品尺寸并優(yōu)化產(chǎn)品成本[4]。

3.3 GPS模塊

GPS接收模塊的工作原理是它接收天線獲取的衛(wèi)星信號，經(jīng)過變頻、放大、濾波、相關、混頻等一系列處理，實現(xiàn)對天線視界內(nèi)衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測量[5]。在獲取了衛(wèi)星的位置信息和測算出衛(wèi)星信號傳播時間之后，即可計算出天線位置。用戶通過輸入輸出接口，采用異步串行通信方式與GPS接收模塊進行信息交換[6]。

3.4 MAX30102模塊

MAX30102是一個集成的脈搏血樣儀和心率監(jiān)測生物傳感器的模塊[7]。它集成了一個紅光LED和一個紅外光LED、光電檢測器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的噪聲電子電路[8]。本系統(tǒng)選用該模塊來測試心率，通過串口傳輸數(shù)據(jù)來檢測測試者的心率。

4程序設計

整體的系統(tǒng)在運行前需要先初始化，然后開啟相應的功能模塊，接著判斷是否有DMA接收，如果有則對數(shù)據(jù)進行處理后進行NB發(fā)送反饋，若沒有則直接進行NB發(fā)送。接著判斷是否有按鍵按下，若有則提取溫濕度和體溫數(shù)據(jù)，接著判斷是否進入停機模式和是否喚醒停機模式，如果喚醒了則判斷是否為RTC方式喚醒，若非此模式喚醒則返回到前幾個步驟;若是RTC喚醒則打開GPS定位和提取其他數(shù)據(jù)，最后判斷是否為有效值，進行CoAP數(shù)據(jù)發(fā)送。

4.1 NB模塊程序設計

NB模塊首先初始化串口并打開DMA接收。 啟用BC95模塊后，啟動檢測信號，然后根據(jù)COAP協(xié)議發(fā)送地址和上傳數(shù)據(jù)。

4.2心率模塊程序設計

心率模塊先初始化GPIO、IIC和心率傳感器，接著讀取IO口數(shù)據(jù)并按一定的算法進行計算，然后判斷獲取的數(shù)據(jù)是否為有效值，若是即對數(shù)據(jù)進行處理，若無效則重新讀取數(shù)據(jù)。

4.4 GPS信息獲取程序設計

GPS模塊先初始化串口和DMA配置，接著使能GPS，接收到經(jīng)緯度信息后判斷是否為有效值，如果為無效值則重新接收數(shù)據(jù)，如果為有效值則發(fā)送有效的定位信息。

5測試

STM32L476控制器通過NB-IoT進行通信，并通過NB-IoT網(wǎng)絡將獲取的位置信息發(fā)送到附近的NB-IoT基站。 GPS定位模塊連接到控制器進行系統(tǒng)定位，控制器向GPS定位模塊發(fā)送定位請求。 在接收到請求之后，GPS系統(tǒng)獲取當前位置信息并將位置信息發(fā)送到控制器。 在NB-IoT通信下，控制器通過AT命令實時將當前位置信息和老人的其他檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到附近的NB-IoT基站，基站對該信息進行頻率轉(zhuǎn)換， 將信息存儲在云平臺中，移動APP可以獲取平臺的數(shù)據(jù)，以便您可以使用移動APP了解老年人的位置和其他信息。

6總結

基于NB-IoT的老年人防走失追蹤器是一種全新的數(shù)據(jù)采集方式。該系統(tǒng)可以隨時收集用戶的生理數(shù)據(jù)，上傳到專有數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)據(jù)挖掘和一系列技術對其進行分析，從而展示出用戶的身體健康數(shù)據(jù)。目前 NB-IoT 正在部署中，多家運營商正在進行試點工作，全球主流設備商、運行商、廠商都在強勢推進NB-IoT大規(guī)模商用，相信在不久的將來能大面積投入使用。

參考文獻

[1]張忠，朱天天，馬興祿，基于NB-IoT的兒童防丟系統(tǒng)設計[J]，計算機與現(xiàn)代化，2018年第2期。

[2] http：//m.blog.csdn.net/lovecc101/article/details/58305736。

[3] http：//www.pudn.com/Download/item/id/3256180.html。

[4] http：//www.sohu.com/a/210831484_468626。

[5]徐翠琴，基于單片機的LCD硬件設計[J]，中國新通信，2015，第13期

[6]哲嘉瑞，MCS-51單片機與GPS-OEM板串行通信問題分析[J]，中國新通信，2017-9。

[7]穆元偉，劉美娟，張琦，STC15F2K60S2單片機醫(yī)療衛(wèi)生間設計[J]，科技廣場，2017，2。

[8]郭國發(fā)，何天強，張開生，基于μC/ OS-II的物理監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]，工業(yè)控制計算機，2017-10。