采用NB-IoT技术研制的动物定位跟踪系统

传统的GPS/ 北斗+GPRS 定位方法和通信基站定位技术，功耗很大，人动电能装置产生的电量，不能满足能量消耗。动物佩戴基于传统定位技术设计的定位器，在一两个月之内，电池电量就被耗尽，从而失去与动物之间的联系。广覆盖、海量连接、低功耗、低成本的 NB-IoT 技术的出现，为解决此类问题提供了新的方法。文章通过 NB-IoT 技术的综合运用， 研制了一种能长时间续航的动物定位跟踪系统。

1研究背景

物联网的无线通信主要分为短距离通信和广域网通信两类，短距离通信包括 Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave 等短距离通信技术；广域网通信技术包括 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 Narrow Band-Internet Of Things， 使用 License 频段，具备四大特点：广覆盖，相比现有GSM 和 LTE 基站，一个 NB-IoT 基站可以提高 20dB 信号覆盖；海量连接，NB-IoT 一个扇区 200kHz 的带宽可以最多支持超 5 万连接；更低功耗，NB-IoT 终端模块待机时间可长达 10 年；更低的模块成本，模组成本不超过 5 美元 ［1］。NB-IoT 具备的这些特性使之广泛应用于各种垂直行业。

物联网应用天然与位置强相关。物联网终端采集的 各种信息中，位置信息是非常重要的一项。很多应用的 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才能开展服务。传统的定位手段主要有 GPS/ 北斗 +GPRS 定位方法和基站定位方法。GPS/ 北斗 +GPRS 方法，功耗大，终端续航能力差，难以达到长时间的使 用寿命，受限于气候，在卫星可见度差的时候或者室内 场景无法定位；而基站定位方法则定位精度在千百米级， 不能满足大部分应用场景需求。

对动物进行定位是一种常见的应用场景，在多种行 业都存在，例如科研工作人员需要对野生动物的生活轨 迹、季节迁徙轨迹进行研究；养殖户需要对放养的牛、 羊群轨迹跟踪；野生动物园的管理员需要对猛兽进行定 位，防止其逃跑智能系统能及时报警。由于技术的限制， 传统的动物定位装置基本上采用 GPRS+GPS 的组合， 功耗很大，人动电能装置产生的电量，不能满足消耗， 因此也无法应用到传统的装置上。传统装置基本每个月 都需要更换一次电池，对野生动物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 的能自动充电的动物定位跟踪系统。

2系统设计

2.1注册流程

动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分。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、终端通信模块和终端定位模块。用户在撕开跟踪器上的不干胶后， 获取每个跟踪器对应的二维码，使用移动终端（通常是 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绑带将跟踪器绑在动物身上。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动物的位置信号，然后通过 eSIM 模块和终端通信模块将位置信号发送至基站。用户可以通过移动终端的移动通信模块来远程获取动物位置信号，且能够将动物位置信号发送给后台系统的后台通信模块，进而实现对动物位置的远程监控，能够方便地定位动物位置、回看动物的历史轨迹，为动物保护、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

动物定位跟踪系统是一种基于 NB-IoT 的能自动充电的动物定位跟踪器，上面有一个圆孔，可以绑定在动物的角部、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手表。手表佩戴者的 手臂运动使自动陀摆动。齿轮序列将能量传给转子， 转子转动时即在线圈组件间产生电压，于是产生电流。电能被储存在另一个小部件 ESU（Electrical Storage Unit，储电单元）中，需要时被释放出来为表提供动力 ［2］。跟踪器借鉴了手表式人动电能装置，根据动物运动过程 中的加速度，使自动陀摆动，人动电能发电装置产生微 弱的电流，储存在 ESU 中。NB-IoT 中的定位装置功耗小， 佩戴在动物身上，动物运动产生电能，驱动 NB-IoT 定位装置正常工作。

3.2储电单元

储电单元用于储存人动电能装置产生的电能。人动电能装置的输出端连接储电单元的输入端，储电单元的输出端连接电源模块的输入端，电源模块的输出端分别连接终端通信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连接终端通信模块的输入端，终端通信模块的输出端连接至移动终端，移动终端连接至后台系统。

3.3 NB-IoT 模组

NB-IoT 模组包括电源模块、终端通信模块和终端定位模块。电源模块，用于根据储电单元中存储的电能， 为 NB-IoT 模组中的电子设备提供工作电源；终端通信模块，用于实现跟踪器与基站网络之间的数据通信；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，输出端连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 Mini USB 接口向电源模块充电。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 AC 160-240V，50/60Hz，额定输出为 DC 5V，250mA。电阻 F1 的阻值为 1Ω，它起到保险丝的作用，用一个二极管 D1 完成整流作用。接通电源后，C1 会有 300V 左右的直流电压，通过 R2 给Q1 的基极提供电流，Q1 的发射极有 R1 电流检测电阻R1，Q1 基极得电后，会经过 T1 的（3、4）产生集电极电流，并同时在 T1 的（5、6） 和（1、2）上产生感应电压，这两个次级绝缘的圈数相同的线圈，其中 T1（1、2）输出由D7 整流、C5 滤波后通过USB 座给负载供电； T1（5、6）经 D6 整流、C2 滤波后通过 IC1（实为 4.3V 稳压管）、Q2 组成取样比较电路，检测输出电压高低； T1（5、6）、C3、R4 还组成 Q1 三极管的正反馈电路， 让 Q1 工作在高频振荡，不停地给 T1（3、4）开关供电。

当负载变轻或者电源电压变高等任何原因导致输出电压升高时，T1（5、6）、IC1 取样比较导致 Q2 导通，Q1 基极电流减小，集电极电流减小，负载能力变小，从而导致输出电压降低；当输出电压降低后，Q2 取样后又会截止，Q1 的负载能力变强，输出电压又会升高，如此起到自动稳压作用。

图 4 USB 电路图

USB 充电模块的电路虽然元件少，但是还设计有过流过载短路保护功能。当负载过载或短路时，Q1 的集电极电流大增，而 Q1 的发射极电阻 R1 会产生较高的压降，这个过载或者短路产生的高电压会经过 R3 让 Q2 饱和导通，从而让 Q1 截止停止输出防止过载损坏。因此， 改变 R1 的大小，可以改变负载能力，如果要求输出电流小，例如只需要输出 5V，100MA，可以将 R1 阻值改大。当然，如果需要输出 5V，500MA 的话，就需要将R1 适当改小。另外，T1 变压器是电感元件，Q1 工作在开关状态，当 Q1 截止时，会在集电极感应出很高的电压， 可能高达 1000V 以上，这会使 Q1 击穿损坏。现在有了高速开关管 D5，这个电压可以给 C4 充电，通过吸收高压充电后的 C4 可以立即通过 R5 放电，这样 Q1 不会因集电极的高电压击穿损坏 ［3］。

NB-IoT 模组还包括扩展接口和 eSIM 模块。扩展接口的输入端连接电源模块的输出端，用于为跟踪器提供扩展功能，eSIM 模块输入端连接电源模块的输出端， 用于装载运营商放号的 eSIM，提供更加便利和安全的通信过程，方便用户灵活切换运营商套餐，降低了设备更换成本。

3.4移动终端

移动终端包括移动通信模块、移动定位模块、二维码扫描模块和移动存储模块，输入端连接终端通信模块的输出端，移动定位模块的输出端和二维码扫描模块的输出端均连接至移动通信模块的输入端，移动存储模块连接移动通信模块，如图 5 所示。其中，移动定位模块用于实时获取移动终端的位置信号，移动通信模块用于实现移动终端与运营商网络之间的数据通信，二维码扫描模块用于进行二维码识别；二维码扫描模块可采用现有的摄像头来实现；后台存储模块，用于存储移动终端的所有数据，包括移动通信模块的数据信号和移动定位模块的数据信号等。

3.5后台系统

后台系统包括后台通信模块和后台存储模块，如图 6 所示。后台通信模块分别连接移动通信模块和后台存储模块。后台通信模块用于实现后台系统与移动终端之间的数据通信，后台存储模块用于存储后台系统的所有数据。

图 5 手机 APP 架构图

图 6 后台系统架构图