一種具有位置跟蹤功能的低功耗電子標簽系統

王琳娜 胡冬琴

摘? 要：該文設計了一種能夠進行定位的移動式電子標簽系統，實現了無線更新與定位、低功耗，而且能夠通過NB-IOT技術把定位信息發送到云端服務器。系統主要由嵌入式處理器STM32L476、NB-IOT模塊BC95、定位模塊、電子墨水屏及相關驅動電路組成，為載體提供通信、位置、時間等數據，該系統具有實現簡單、成本低、物流信息更新方便、位置定位精度高等一系列的優點。

關鍵詞：電子標簽? 低功耗? 位置跟蹤

中圖分類號：TP391.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）02（c）-0011-02

近年來，線上線下融合的新零售業態正逐步得到市場廣泛關注，同時也面對著如何實現線下商超與線上電商平臺之間的銜接問題，即如何將產品信息變動及時準確同步到線上線下不同的場景。傳統紙質標簽不能做到這一點，而電子價簽（ESL）可通過無線通信及時更新商品信息并同步至各大平臺，從而提高零售運行效率。因此，這種電子貨架標簽在新零售超市中得到了廣泛的應用。但今天我們要介紹的是一種能夠進行定位的移動式電子標簽系統，它不但有電子標簽能夠無線更新的特點，也具有定位的功能，而且能夠通過現在最流行的NB-IOT技術把定位信息發送到云端服務器，并且實現了低功耗。

1? 系統構成

系統主要由電子價簽（ESL）、ESL在線服務器管理系統以及ESL手持終端組成。ESL管理系統獲取到商品對應物流信息以及其他要更新的信息，通過服務器進行下發，集成了NB-IOT模組的電子標簽，會接收到這些信息并進行更新;電子標簽會通過GPS定位獲取的位置信息通過NB-IOT上傳位置信息給ESL管理系統，供用戶觀測和查詢。NB-IOT技術，它是一種全新的基于蜂窩網絡的窄帶物聯網技術，它有效提供深度室內覆蓋的同時，支持龐大的低吞吐率、設備的連接，并具備低功耗及優化的網絡結構等獨特優勢，非常適合車輛跟蹤場景的應用，因此我們在電子標簽中嵌入NB-IOT模組，與電子標簽中的電子墨水屏一起組成低功耗系統。由于系統應用于定位追蹤領域，系統要求運行功耗低，所以整體系統設計要求采用低功耗方案設計以滿足長時間待機應用。系統采用嵌入式處理器STM32L476為主控芯片，主要包括NB-IOT模塊BC95，GPS定位模塊，WiFi定位模塊，電源、電子墨水屏及相關驅動電路組成，為載體提供通信、位置、時間等數據。

2? 系統模塊

2.1 主控處理器模塊

嵌入式處理器STM32L476。最大使用主頻為8MHz。休眠功耗為ua級。它除了有UART、SPI、I2C等外圍設備接口，還有PWM、AD等豐富的片內外設。通過UART接口接受GPS獲取到的位置信息，NB-IOT無線通信模塊BC95數據交互和傳感器件等數據，并處理系統接收到的定位信息。

2.2 定位模塊

系統內置ATGM336H-5N北斗/GPS模塊，其應用范圍廣泛，衛星信號接受能力強，支持BDS/GPS/GLONASS衛星導航的系統定位。它以UART串口輸出1Hz的NMEA協議位置、速度、時間等參數。ARM可以采用UART串口與ATGM336H-5N通信，提取相關系統所需數據。

2.3 通信模塊

NB-IOT無線通信模塊BC95的工作頻段為900MHz、850MHz、800MHz。供電電壓3.1～4.2V，模塊尺寸19.9mm×23.6mm×2.2mm。它以UART串口與主控進行數據通信，為用戶提供通信服務。另外模塊的休眠電流為5uA，為系統的超長待機時間提供保障。NB-IOT的下行速率為125kbit/s，上行速率為140kbit/s;eMTC的下行速率為4Mbit/s，上行速率為7Mbit/s。與NB-IOT相比，eMTC支持率要比NB-IOT高，其功耗和成本也高于NB-IOT。總體來說，NB-IOT技術更適合應用于物流車這種長距離低功耗的信息更新場景。NB-IOT具有五大優勢，已經讓其成為物聯網LPWA應用的最佳網絡傳輸技術。

（1）覆蓋廣且深。NB-IOT的覆蓋面是其他技術無可比擬的，如提供改進型的室內覆蓋，在同頻段下，NB-IOT要比現有的網絡增益大20dB，等同于提升了原覆蓋區域的100倍。

（2）海量連接。NB-IOT的一個扇區可以同時支持10萬個連接，具有低延時敏感、低設備功耗、低設備成本以及優化的網絡結構的特點。

（3）超低功耗。NB-IOT主要面向小數據量、低速率的應用，所以設備功耗極低，電池的使用時長可達5年以上，針對電池不能經常更換的場合尤為適用。

（4）成本低。對運營商來說，NB-IOT不需重新建網，射頻以及天線可復用，建網成本低。對于NB-IOT的產業鏈來說，芯片在其中位于核心基礎地位，NB-IOT芯片的低速率、低帶寬、低功耗的特點也使之具有低成本的優勢，設備廠家評估單個連接模塊成本不超過5美元。

（5）安全性高。安全性對于網絡使用來說是非常關鍵的，NB-IOT在4G網絡安全性能的基礎上，運用雙向鑒權技術，更大地保障了用戶數據的安全。除此之外，對比無授權頻譜的物聯網技術來說，NB-IOT技術還具有可基于現有網絡的快捷升級、等同于運營商級別的高可靠性和高安全性，以及可實現全球漫游等優勢。

3? 定位方案

為了覆蓋盡可能大的定位范圍，該定位跟蹤系統結合了GPS定位和WiFi定位兩種流行的定位技術，無線通信端選用上海移遠公司的BC95模塊，用于將GPS獲取的定位數據通過移動通信模塊傳至Internet上的一臺服務器上，從而可以實現在電腦上查詢終端位置。GPS定位服務平臺是基于GPRS和Internet通信網絡的監控調度系統。在戶外或GPS信號強的區域利用GPS進行定位，當系統檢查到GPS獲取到定位數據，將自動將WiFi模塊置于睡眠模式，以節省功耗，而當進入室內或是地下等GPS信號弱的區域，系統將開啟WiFi進行輔助定位。定位系統可根據不同的定位場景提供不同的解決方案。為了覆蓋盡可能大的定位范圍，該文將定位環境分為4種情況：在僅有GPS信號環境下，采用GPS單獨定位;有WiFi和GPS信號但GPS不滿足定位要求的環境下，采用GPS和WiFi網組合定位;同時有GPS信號和WiFi信號且可單獨定位的環境下，采用WiFi網輔助GPS定位;有WiFi信號無GPS信號的環境下，采用WiFi網單獨定位。在實際定位中，可根據接收的信號情況及特定的切換策略進行環境判定，并進行定位方案的轉換，實現無縫定位的需求。

4? 結語

隨著新零售的快速發展，人們對貨物的位置跟蹤需求越來越強，該系統具有實現簡單、成本低、物流信息更新方便、位置定位精度高等一系列的優點，這種基于NB-IOT并能夠進行位置定位的電子標簽必將在新零售的大潮中得到更為廣泛的應用。

參考文獻

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