傳統(tǒng)的GPS/ 北斗+GPRS 定位方法和通信基站定位技術(shù)，功耗很大，人動電能裝置產(chǎn)生的電量，不能滿足能量消耗。動物佩戴基于傳統(tǒng)定位技術(shù)設(shè)計(jì)的定位器，在一兩個月之內(nèi)，電池電量就被耗盡，從而失去與動物之間的聯(lián)系。廣覆蓋、海量連接、低功耗、低成本的 NB-IoT 技術(shù)的出現(xiàn)，為解決此類問題提供了新的方法。文章通過 NB-IoT 技術(shù)的綜合運(yùn)用， 研制了一種能長時間續(xù)航的動物定位跟蹤系統(tǒng)。

1研究背景

物聯(lián)網(wǎng)的無線通信主要分為短距離通信和廣域網(wǎng)通信兩類，短距離通信包括 Zigbee、WiFi、藍(lán)牙、Z-wave 等短距離通信技術(shù)；廣域網(wǎng)通信技術(shù)包括 LPWAN 等。LPWA 又可分為未授權(quán)頻譜和授權(quán)頻譜兩類，NB-IoT 屬于授權(quán)頻譜。

NB-IoT 的全稱為 Narrow Band-Internet Of Things， 使用 License 頻段，具備四大特點(diǎn)：廣覆蓋，相比現(xiàn)有GSM 和 LTE 基站，一個 NB-IoT 基站可以提高 20dB 信號覆蓋；海量連接，NB-IoT 一個扇區(qū) 200kHz 的帶寬可以最多支持超 5 萬連接；更低功耗，NB-IoT 終端模塊待機(jī)時間可長達(dá) 10 年；更低的模塊成本，模組成本不超過 5 美元 ［1］。NB-IoT 具備的這些特性使之廣泛應(yīng)用于各種垂直行業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用天然與位置強(qiáng)相關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)終端采集的 各種信息中，位置信息是非常重要的一項(xiàng)。很多應(yīng)用的 實(shí)現(xiàn)都以終端的位置作為基礎(chǔ)，甚至必須獲取到終端位置信息才能開展服務(wù)。傳統(tǒng)的定位手段主要有 GPS/ 北斗 +GPRS 定位方法和基站定位方法。GPS/ 北斗 +GPRS 方法，功耗大，終端續(xù)航能力差，難以達(dá)到長時間的使 用壽命，受限于氣候，在衛(wèi)星可見度差的時候或者室內(nèi) 場景無法定位；而基站定位方法則定位精度在千百米級， 不能滿足大部分應(yīng)用場景需求。

對動物進(jìn)行定位是一種常見的應(yīng)用場景，在多種行 業(yè)都存在，例如科研工作人員需要對野生動物的生活軌 跡、季節(jié)遷徙軌跡進(jìn)行研究；養(yǎng)殖戶需要對放養(yǎng)的牛、 羊群軌跡跟蹤；野生動物園的管理員需要對猛獸進(jìn)行定 位，防止其逃跑智能系統(tǒng)能及時報警。由于技術(shù)的限制， 傳統(tǒng)的動物定位裝置基本上采用 GPRS+GPS 的組合， 功耗很大，人動電能裝置產(chǎn)生的電量，不能滿足消耗， 因此也無法應(yīng)用到傳統(tǒng)的裝置上。傳統(tǒng)裝置基本每個月 都需要更換一次電池，對野生動物的蹤跡管理極為不便， 沒有多大的實(shí)用價值。為解決上述技術(shù)問題，我們設(shè)計(jì) 了一種基于NB-IoT 的能自動充電的動物定位跟蹤系統(tǒng)。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1注冊流程

動物定位跟蹤系統(tǒng)包括含跟蹤器、手機(jī) APP 和后臺服務(wù)器三個部分。跟蹤器內(nèi)嵌入動電能裝置、儲電單元和 NB-IoT 模組，NB-IoT 模組包括電源模塊、終端通信模塊和終端定位模塊。用戶在撕開跟蹤器上的不干膠后， 獲取每個跟蹤器對應(yīng)的二維碼，使用移動終端（通常是 手機(jī)）對二維碼進(jìn)行掃描，獲得跟蹤器的信息。用戶掃 描二維碼并激活后，跟蹤器上的 NB-IoT 模組開始工作， 用戶可以使用圓孔的綁帶將跟蹤器綁在動物身上。具體 注冊激活流程如圖 1 所示。

圖 1 注冊流程

2.2 追蹤流程

跟蹤器上的終端定位模塊在預(yù)設(shè)可調(diào)的時間間隔內(nèi)獲取動物的位置信號，然后通過 eSIM 模塊和終端通信模塊將位置信號發(fā)送至基站。用戶可以通過移動終端的移動通信模塊來遠(yuǎn)程獲取動物位置信號，且能夠?qū)游镂恢眯盘柊l(fā)送給后臺系統(tǒng)的后臺通信模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對動物位置的遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠方便地定位動物位置、回看動物的歷史軌跡，為動物保護(hù)、養(yǎng)殖管理提供了一個很實(shí)用的工具。具體追蹤流程如圖 2 所示。

圖 2 追蹤流程

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

動物定位跟蹤系統(tǒng)是一種基于 NB-IoT 的能自動充電的動物定位跟蹤器，上面有一個圓孔，可以綁定在動物的角部、頸部或手部，系統(tǒng)包含人動電能裝置、儲電單元和 NB-IoT 模組，如圖 3 所示。

圖 3 追蹤器示意圖

3.1人動電能充電裝置

人動電能充電最先應(yīng)用于石英手表。手表佩戴者的 手臂運(yùn)動使自動陀擺動。齒輪序列將能量傳給轉(zhuǎn)子， 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時即在線圈組件間產(chǎn)生電壓，于是產(chǎn)生電流。電能被儲存在另一個小部件 ESU（Electrical Storage Unit，儲電單元）中，需要時被釋放出來為表提供動力 ［2］。跟蹤器借鑒了手表式人動電能裝置，根據(jù)動物運(yùn)動過程 中的加速度，使自動陀擺動，人動電能發(fā)電裝置產(chǎn)生微 弱的電流，儲存在 ESU 中。NB-IoT 中的定位裝置功耗小， 佩戴在動物身上，動物運(yùn)動產(chǎn)生電能，驅(qū)動 NB-IoT 定位裝置正常工作。

3.2儲電單元

儲電單元用于儲存人動電能裝置產(chǎn)生的電能。人動電能裝置的輸出端連接儲電單元的輸入端，儲電單元的輸出端連接電源模塊的輸入端，電源模塊的輸出端分別連接終端通信模塊的輸入端和終端定位模塊的輸入端， 終端定位模塊的輸出端連接終端通信模塊的輸入端，終端通信模塊的輸出端連接至移動終端，移動終端連接至后臺系統(tǒng)。

3.3 NB-IoT 模組

NB-IoT 模組包括電源模塊、終端通信模塊和終端定位模塊。電源模塊，用于根據(jù)儲電單元中存儲的電能， 為 NB-IoT 模組中的電子設(shè)備提供工作電源；終端通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)跟蹤器與基站網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信；終端定位模塊，用于實(shí)時獲取跟蹤器的位置信號。

NB-IoT 模組還包括 USB 充電模塊，輸出端連接電源模塊的輸入端。USB 充電模塊，用于向電源模塊充電。通過 Mini USB 接口向電源模塊充電。USB 充電模塊可通過相關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)，如圖 4 所示。其工作原理為： USB 充電模塊的輸入為 AC 160-240V，50/60Hz，額定輸出為 DC 5V，250mA。電阻 F1 的阻值為 1Ω，它起到保險絲的作用，用一個二極管 D1 完成整流作用。接通電源后，C1 會有 300V 左右的直流電壓，通過 R2 給Q1 的基極提供電流，Q1 的發(fā)射極有 R1 電流檢測電阻R1，Q1 基極得電后，會經(jīng)過 T1 的（3、4）產(chǎn)生集電極電流，并同時在 T1 的（5、6） 和（1、2）上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這兩個次級絕緣的圈數(shù)相同的線圈，其中 T1（1、2）輸出由D7 整流、C5 濾波后通過USB 座給負(fù)載供電； T1（5、6）經(jīng) D6 整流、C2 濾波后通過 IC1（實(shí)為 4.3V 穩(wěn)壓管）、Q2 組成取樣比較電路，檢測輸出電壓高低； T1（5、6）、C3、R4 還組成 Q1 三極管的正反饋電路， 讓 Q1 工作在高頻振蕩，不停地給 T1（3、4）開關(guān)供電。

當(dāng)負(fù)載變輕或者電源電壓變高等任何原因?qū)е螺敵鲭妷荷邥r，T1（5、6）、IC1 取樣比較導(dǎo)致 Q2 導(dǎo)通，Q1 基極電流減小，集電極電流減小，負(fù)載能力變小，從而導(dǎo)致輸出電壓降低；當(dāng)輸出電壓降低后，Q2 取樣后又會截止，Q1 的負(fù)載能力變強(qiáng)，輸出電壓又會升高，如此起到自動穩(wěn)壓作用。

圖 4 USB 電路圖

USB 充電模塊的電路雖然元件少，但是還設(shè)計(jì)有過流過載短路保護(hù)功能。當(dāng)負(fù)載過載或短路時，Q1 的集電極電流大增，而 Q1 的發(fā)射極電阻 R1 會產(chǎn)生較高的壓降，這個過載或者短路產(chǎn)生的高電壓會經(jīng)過 R3 讓 Q2 飽和導(dǎo)通，從而讓 Q1 截止停止輸出防止過載損壞。因此， 改變 R1 的大小，可以改變負(fù)載能力，如果要求輸出電流小，例如只需要輸出 5V，100MA，可以將 R1 阻值改大。當(dāng)然，如果需要輸出 5V，500MA 的話，就需要將R1 適當(dāng)改小。另外，T1 變壓器是電感元件，Q1 工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng) Q1 截止時，會在集電極感應(yīng)出很高的電壓， 可能高達(dá) 1000V 以上，這會使 Q1 擊穿損壞。現(xiàn)在有了高速開關(guān)管 D5，這個電壓可以給 C4 充電，通過吸收高壓充電后的 C4 可以立即通過 R5 放電，這樣 Q1 不會因集電極的高電壓擊穿損壞 ［3］。

NB-IoT 模組還包括擴(kuò)展接口和 eSIM 模塊。擴(kuò)展接口的輸入端連接電源模塊的輸出端，用于為跟蹤器提供擴(kuò)展功能，eSIM 模塊輸入端連接電源模塊的輸出端， 用于裝載運(yùn)營商放號的 eSIM，提供更加便利和安全的通信過程，方便用戶靈活切換運(yùn)營商套餐，降低了設(shè)備更換成本。

3.4移動終端

移動終端包括移動通信模塊、移動定位模塊、二維碼掃描模塊和移動存儲模塊，輸入端連接終端通信模塊的輸出端，移動定位模塊的輸出端和二維碼掃描模塊的輸出端均連接至移動通信模塊的輸入端，移動存儲模塊連接移動通信模塊，如圖 5 所示。其中，移動定位模塊用于實(shí)時獲取移動終端的位置信號，移動通信模塊用于實(shí)現(xiàn)移動終端與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信，二維碼掃描模塊用于進(jìn)行二維碼識別；二維碼掃描模塊可采用現(xiàn)有的攝像頭來實(shí)現(xiàn)；后臺存儲模塊，用于存儲移動終端的所有數(shù)據(jù)，包括移動通信模塊的數(shù)據(jù)信號和移動定位模塊的數(shù)據(jù)信號等。

3.5后臺系統(tǒng)

后臺系統(tǒng)包括后臺通信模塊和后臺存儲模塊，如圖 6 所示。后臺通信模塊分別連接移動通信模塊和后臺存儲模塊。后臺通信模塊用于實(shí)現(xiàn)后臺系統(tǒng)與移動終端之間的數(shù)據(jù)通信，后臺存儲模塊用于存儲后臺系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)。

圖 5 手機(jī) APP 架構(gòu)圖

圖 6 后臺系統(tǒng)架構(gòu)圖