寵物定位器解決方案及其實(shí)踐研究

摘要：本論文是針對寵物追蹤器進(jìn)行了具體的實(shí)踐和方案詳細(xì)的分析，以及對方案做出評價。隨著我國人們生活水平的提高，獨(dú)生子女家庭，空巢老人和丁克家庭越來越多，家庭飼養(yǎng)寵物越來越普遍。人們常常與寵物有很深厚的感情，寵物丟失和健康狀況對主人感情和經(jīng)濟(jì)存在負(fù)面影響，為防止其丟失，以及對寵物健康進(jìn)行監(jiān)控，便是本論文方案解決研究的方向。當(dāng)前NB-IoT的發(fā)展使得萬物互聯(lián)得以實(shí)現(xiàn)，其支持長時間待機(jī)，對于網(wǎng)絡(luò)連接要求高的移動設(shè)備來說是個很好的解決辦方法，并結(jié)合定位這個剛需的功能，在寵物追蹤器產(chǎn)品特點(diǎn)上要求低功耗，續(xù)航時間長，體積小的特性，高通公司最新發(fā)布的萬物互聯(lián)應(yīng)用芯片MDM9205是個合適的解決方案。

關(guān)鍵詞：追蹤器;寵物健康;NB-IOT;eSIM

第一章硬件設(shè)計(jì)

本解決方案硬件設(shè)計(jì)是以高通NB-IOT最新版本多模芯片MDM9205，支持標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙5.0協(xié)議棧低功耗芯片CSR1020，QCA4004為WIFI芯片+BTS輔助定位，stk8321 g-sensor運(yùn)動健康算法傳感器，可選插SIM卡/ eSIM組成系統(tǒng)硬件作為最終方案。MDM9205可支持全球多模網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部集成全球多種定位功能，以及Cortex A7應(yīng)用代碼處理器，滿足多種應(yīng)用場景。相比MDM9206在空閑模式可實(shí)現(xiàn)更低的功耗，而且芯片尺寸降低了一半，更具優(yōu)越的成本效益。

MDM9205：MDM9205是高通公司繼MDM9206后，推出的多模低功耗的調(diào)制解調(diào)器，包括全球多模LTE category M1（eMTC）和NB2（NB-IoT）以及2G/E-GPRS，相比上一代具有同樣應(yīng)用場景的MDM9206在空閑模式下功耗降低了70%，芯片的射頻收發(fā)范圍從450MHz 到 2.1GHz，新增了23個波段。并繼承MDM9206的定位功能、硬件安全、電池電壓管理和開發(fā)工具，但高通MDM9205尺寸只有MDM9206的50%，意味著同樣容量的電池其續(xù)航能力大大提升，產(chǎn)品的體積可做得更精巧。

集成式全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）定位，支持GPS，北斗、格洛納斯（GLONASS）和伽利略，采用GNSS/LTE共享天線。

高通MDM9205 集成Cortex A7處理器，主頻高達(dá)800MHZ， 可支持ThreadX和AliOS Things RTOS實(shí)時操作系統(tǒng)，應(yīng)用處理器無需使用外置微控制器，從而提升成本效益和終端安全性，減少主板面積。

基于硬件的安全，支持硬件的可信根啟動，高通可信執(zhí)行環(huán)境，硬件加密，存儲和調(diào)試安全機(jī)制。

QCA4004：方案中，當(dāng)追蹤器處于室內(nèi)時，不能通過定位功能獲取經(jīng)緯度信息的情況下，主控MDM9205 發(fā)送掃描指令給QCA4004獲取周邊WIFI熱點(diǎn)信息，QCA4004回傳給MDM9205后，MDM9205把熱點(diǎn)信息整理后，外加基站相關(guān)信息，再從谷歌/高德/百度/騰訊地圖獲取WIFI定位位置信息用于室內(nèi)輔助定位使用。QCA4004也是高通推出的面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗的WIFI解決方案，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議和安全連接協(xié)議SSL，支持IEEE 802.11a/b/g/n和2.4/5.8GHz雙頻段，是一個低功耗，低成本，低復(fù)雜性的soc，能夠獲得全功能的internet連接和可靠的信息交換。

CSR1020：藍(lán)牙芯片CSR1020用于定位器與手機(jī)進(jìn)行近距離的數(shù)據(jù)交換，如設(shè)備綁定，OTA固件升級，eSIM profile文件的傳輸，以及防丟功能。高通CSR1020是高通藍(lán)牙低功耗單模芯片，具有豐富的外設(shè)支持和低功耗模式。CSR1020支持最高60 KB的客戶應(yīng)用測試存儲和80 KB RAM，并且支持外部閃存存儲以實(shí)現(xiàn)額外的代碼和數(shù)據(jù)存儲。具有可選的藍(lán)牙5.0標(biāo)準(zhǔn)版本協(xié)議棧，支持高達(dá)2MB的外部閃存緩存運(yùn)行空間。本方案中，為提高設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器中的速度，降低主控芯片MDM9205數(shù)據(jù)壓力，減少設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功耗。方案的第二版本固件將利用藍(lán)牙把數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)中，再通過手機(jī)把數(shù)據(jù)透傳到服務(wù)器。這將是利用藍(lán)牙CSR1020進(jìn)一步優(yōu)化定位器的續(xù)航能力和用戶體驗(yàn)。

eSIM：eSIM指的是嵌入式SIM卡（Embedded-SIM）。傳統(tǒng)概念是將SIM卡插到設(shè)備卡槽上，作為獨(dú)立的器件可隨時更換或者移除，而eSIM無需插入物理SIM卡，用戶也無需去業(yè)務(wù)廳特意排隊(duì)辦理，可以靈活的選擇運(yùn)營商套餐。當(dāng)設(shè)備檢測到用戶在另外一個國家時，內(nèi)置的eSIM自動切換運(yùn)營商，如果用戶是經(jīng)常出差國外的，這種設(shè)計(jì)不僅非常方便實(shí)用，而且大大地降低個人資費(fèi)。由于eSIM不再獨(dú)立的設(shè)置SIM插槽，使用eSIM技術(shù)的設(shè)備將具有更加輕便更加薄的機(jī)身，消費(fèi)自己考慮到成本和運(yùn)營商的優(yōu)勢，可以隨意切換運(yùn)營商。

SIM卡作為實(shí)體卡確實(shí)存在一些問題，外置的芯片經(jīng)常會因?yàn)槟p或者接觸不良，震動松開等影響手機(jī)的使用，SIM也會受到設(shè)備體積的影響越來越大，比如運(yùn)動手環(huán)，兒童手表等穿戴式設(shè)備。如果是使用eSIM，以上這些問題都得到解決。本方案中，對于追蹤器這種體積受限的設(shè)備來說，也無疑是很好的解決方法。

第二章系統(tǒng)軟件

開發(fā)環(huán)境：基于Linux環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，高通提供交叉編譯鏈（每個模塊需要的編譯工具可到高通官網(wǎng)下載）和技術(shù)支持指導(dǎo)文檔進(jìn)行搭建交叉編譯環(huán)境，使用shell腳本和python腳本結(jié)合進(jìn)行編譯，此外還需向高通購買licence才能完成最終的編譯和鏡像文件輸出，否則，編譯報(bào)錯缺省licence，無法完成開發(fā)任務(wù)。

在Windows系統(tǒng)環(huán)境下，使用高通提供的開發(fā)套件，如QFIL進(jìn)行燒錄固件，QXDM查看log，QPST抓取dump等。此外，個人需要注冊，并由高通驗(yàn)證賬號才能使用，并且登陸認(rèn)證才能使用以上Windows開發(fā)軟件。高通官方網(wǎng)址下載資料，以及要求高通技術(shù)人員提供支持，也必須使用申請到的賬號才能完成相關(guān)流程。

編譯規(guī)則：在Linux系統(tǒng)（建議使用Ubuntu，本人使用版本是16.04）環(huán)境下，安裝系統(tǒng)自帶軟件shell和python2.7.6軟件，MDM9205 ThreadX編譯架構(gòu)與傳統(tǒng)的Linux和單片機(jī)編譯器存在差異，不需要使用Makefile和config、config.mk、Android.mk文件進(jìn)行修改編譯規(guī)則和構(gòu)建編譯目錄，架構(gòu)編譯使用shell腳本和python語句來完成框架，使用scons+api文件組成樹狀編譯架構(gòu)，修改scons+api文件可完成編譯目錄和文件的添加。在每個模塊里build/ms目錄生成編譯緩存文件、o文件、日志信息，以及調(diào)試所需dump信息。

代碼框架：系統(tǒng)軟件目錄下，每個文件夾對應(yīng)代碼框架中相應(yīng)的模塊，包括boot loader、trustzone、rpm、modem、app、common、config等。進(jìn)入不同的目錄可看到相應(yīng)模塊的源碼，及完成相應(yīng)輸出模塊編譯的腳本文件。

boot loader是啟動操作系統(tǒng)內(nèi)核前運(yùn)行的一小段程序，通過這段小程序，可以初始化芯片硬件外設(shè)、內(nèi)存映射、系統(tǒng)時鐘等，及外部芯片，如網(wǎng)卡、顯示屏、LED燈等，從而為啟動操作系統(tǒng)內(nèi)核和人機(jī)交互做好環(huán)境準(zhǔn)備。當(dāng)芯片硬件環(huán)境初始化完成后，boot loader將會拷貝內(nèi)核和傳遞相關(guān)的參數(shù)給系統(tǒng)內(nèi)核，引導(dǎo)并啟動操作系統(tǒng)內(nèi)核，從此不再運(yùn)行boot loader程序，把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，boot loader的任務(wù)從此完成。編譯mdm9205 boot loader，進(jìn)入boot_images/QcomPkg/目錄下，向buildit.py傳遞編譯參數(shù)并執(zhí)行該python腳本可完成boot loader編譯，編譯最終輸出鏡像文件為sbl1.mbn。

apps_proc文件夾是源碼目錄中最重要的目錄，包括有系統(tǒng)內(nèi)核代碼，ThreadX系統(tǒng)API接口，定位業(yè)務(wù)邏輯處理代碼，qca4004業(yè)務(wù)邏輯處理代碼，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)，應(yīng)用工具，高通官方qcli demo 源碼，用戶功能定制代碼等。在apps_proc目錄中，用戶可以添加自定義目錄，在自定義目錄下添加build文件夾新增scons+api文件完成編譯規(guī)則的添加。進(jìn)入apps_proc/build/ms/目錄下，執(zhí)行build.sh腳本，并傳入BUILD ID和編譯選項(xiàng)可完成對應(yīng)用的編譯，編譯完成最終輸出鏡像文件為apps.mbn。

modem_proc目錄是代碼量最多，編譯時間最長的模塊，也是整個芯片源碼最具核心部分，進(jìn)入/modem_proc/build/ms/目錄下，初始化編譯變量，和導(dǎo)入license認(rèn)證文件路徑，執(zhí)行build.sh腳本，同時傳遞BUILD ID和編譯選項(xiàng)可完成對modem的編譯，編譯完成最終輸出鏡像包括qdsp6sw_paging.bin，qdsp6sw_paging.bin，qdsp6sw.mbn三個文件。

rpm資源電源管理（Resource Power Manager），高通平臺額外加的一塊電源管理芯片，與AP端芯片打包在一起，但其是一個獨(dú)立的ARM內(nèi)核，加入rpm是為了控制整個電源相關(guān)的shared resources，如ldo，時鐘，總線，電源軌，實(shí)現(xiàn)最大的功率節(jié)省，負(fù)責(zé)與SMP，MPM交換，進(jìn)入睡眠或者喚醒整個系統(tǒng)。進(jìn)入rpm_proc/build/目錄，初始化環(huán)境變量，和導(dǎo)入license認(rèn)證文件路徑，執(zhí)行build_9x05.sh腳本可以完成rpm的編譯。編譯完成最終輸出鏡像文件為rpm.mbn。

ThreadX：ThreadX是由 Express Logic 公司開發(fā)的RTOS實(shí)時操作系統(tǒng)，和其他許多的RTOS一樣，ThreadX是多任務(wù)操作系統(tǒng)，應(yīng)用在嵌入式操作系統(tǒng)產(chǎn)品中，大部分開發(fā)工作都是在宿主機(jī)（windows或者Linux）上完成，然后通過交叉編譯生成鏡像文件燒錄到目標(biāo)機(jī)器上運(yùn)行。

ThreadX采用搶占式調(diào)度機(jī)制，快速的中斷響應(yīng)，獨(dú)立的內(nèi)存管理，支持線程間通訊&互斥，事件&線程同步，支持優(yōu)先級繼承。規(guī)模小，實(shí)時性強(qiáng)，可靠性高，使用簡單等特點(diǎn)。

ThreadX可選配有TCP/IP協(xié)議棧NetX，文件系統(tǒng)FileX，USB協(xié)議棧USBX，以及GUI SDK開發(fā)包PEGX。

ThreadX特性：

（一）優(yōu)先級調(diào)度，ThreadX和其他的嵌入式RTOS一樣，都是具有內(nèi)核化的，具有上下文切換、時間片輪、硬件中斷搶占，基于優(yōu)先等級的調(diào)度以及繼承和翻轉(zhuǎn)機(jī)制等。在優(yōu)先級調(diào)度中有一個特有特征是搶占閾值。用一個優(yōu)先級上限來消除一定的搶占優(yōu)先操作。這種設(shè)計(jì)是一種相對增強(qiáng)和靈活的優(yōu)先級別調(diào)度機(jī)制，可以在時間輪轉(zhuǎn)中的資源分配和優(yōu)先級調(diào)度中實(shí)現(xiàn)折衷。

（二）低功耗，大部分處理器都可以進(jìn)入低功耗模式，減少能量消耗，特別是對于電池供電設(shè)備來說，這種低功耗模式是一種中斷等待模式，通過操作系統(tǒng)的中斷喚醒切換回到正常的工作模式，操作系統(tǒng)性能一個重要的指標(biāo)就是通過定時器來編程判斷低功耗模式，并設(shè)置精確的時間刻度來實(shí)現(xiàn)。ThreadX就是通過特定的服務(wù)程序來調(diào)整系統(tǒng)定時到指定的時間片，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)非常苛刻的時間要求，保證芯片的低功耗切換。

（三）內(nèi)存管理，ThreadX使用兩種內(nèi)存管理方式來實(shí)現(xiàn)資源管理，內(nèi)存字節(jié)池和內(nèi)存塊池。內(nèi)存字節(jié)池是一塊連續(xù)字節(jié)塊，以字節(jié)為單位申請內(nèi)存，可以根據(jù)線程需求分配任何字節(jié)大小內(nèi)存塊，ThreadX對字節(jié)池的使用和數(shù)量沒有限制。但這種連續(xù)內(nèi)存分配會帶來碎片化，ThreadX通過碎片整理可盡量減少額外的開銷。內(nèi)存塊池，在使用內(nèi)存前，先申請一定數(shù)量大小相等的內(nèi)存塊留著備用，當(dāng)有新的內(nèi)存需求時，就從內(nèi)存池中分出一部分內(nèi)存塊，若內(nèi)存塊不夠用再繼續(xù)申請新的內(nèi)存，內(nèi)存塊池的優(yōu)點(diǎn)是使得內(nèi)存分配效率得以提升。ThreadX用一個FIFO順序來為線程提供內(nèi)存，通過鏈表操作簡化內(nèi)存分配的尋址方法以提高實(shí)時性。

（四）線程通訊和互斥，ThreadX提供32位信號量進(jìn)行通信，信號量除了互斥，還提供事件通知以及線程同步，信號量使得訪問者對資源有序的訪問。互斥量一般用于對臨界區(qū)的控制，具有線程的所有權(quán)，可靠性更高，互斥使得某一資源只允許一個訪問者使用，具有唯一性，但信號量在速度上更勝一籌。ThreadX使用消息隊(duì)列進(jìn)行線程之間的通訊，遵循先進(jìn)先出（FIFO）的原則。

第三章 方案總評

網(wǎng)絡(luò)與定位共存：MDM9205有效的解決了GSM+NB+GPS的芯片集成問題，芯片占用體積大大減少，而且在功耗方面MDM9205比起其他芯片存在不少優(yōu)越性，能夠讓產(chǎn)品的占用空間和耗能都做到極致。

MDM9205芯片一大特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)與GPS公用天線，但這會存在短板問題，當(dāng)設(shè)備獲取定位信息時，網(wǎng)絡(luò)是被關(guān)閉，設(shè)備無法進(jìn)行通訊;芯片重啟后第一次獲取定位信息是冷啟動，冷啟動GPS獲取定位時間較長（1.5-2分鐘），導(dǎo)致設(shè)備無法接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，設(shè)備長時間存在無法控制的狀態(tài)，用戶不能及時通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)命令來控制設(shè)備;打開GPS獲取定位結(jié)束關(guān)閉GPS后，網(wǎng)絡(luò)需要恢復(fù)的時間較長，這都是不利于功耗以及用戶的體驗(yàn)。

整體功耗：GPS功耗，從其他定位芯片可知，GPS獲取定位時，消耗電流約為20-30mA，MDM9205單獨(dú)開啟GPS定位電流約為70mA，這定位消耗的電流值是其他定位芯片的2-3倍，當(dāng)GPS定位是冷啟動時候，需要較長時間，那么將會消耗較多的電量，不利于設(shè)備的續(xù)航時間。

NB網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常發(fā)生基站切換，基站切換后，設(shè)備被分配的IP地址發(fā)生變化，導(dǎo)致MQTT連接被服務(wù)器終止，若再次連接服務(wù)器將會使主控芯片退出睡眠模式，再次進(jìn)行正常模式下工作導(dǎo)致消耗電流，電池使用時長將會縮短。

展望：由于NB網(wǎng)絡(luò)覆蓋不是很全面，使用過程中某些地方無法通訊，也導(dǎo)致設(shè)備在搜索/切換網(wǎng)絡(luò)過程中額外消耗功耗，芯片在切換網(wǎng)絡(luò)過程需要時間較長，給用戶體驗(yàn)不是很流暢。

當(dāng)前MDM9205基線不穩(wěn)定，NB網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常斷開，導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)時延長短不一或者卡頓現(xiàn)象時有發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定情況下主控被時常喚醒，未能安穩(wěn)的進(jìn)入睡眠模式，導(dǎo)致功耗額外的被消耗，待機(jī)時間長度問題難以保證。NB網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中GPS星歷下載基本都失敗，定位時間較長，功耗較多。

RAM和閃存是封裝在芯片內(nèi)部，不是外掛RAM，因此內(nèi)存空間有限，做一些較大耗內(nèi)存的算法，拓展更多的功能或者較大數(shù)據(jù)收發(fā)受限。

本產(chǎn)品經(jīng)過實(shí)際的應(yīng)用測試，續(xù)航時間約為8-9天，整體上續(xù)航能力還是比較短，產(chǎn)品最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是14天。產(chǎn)品在正常使用場景下測試使用時間只有1-2天左右，功能耗電太快，充電頻率過高，還需繼續(xù)優(yōu)化。

致謝：感謝一直為這個項(xiàng)目早日交付加班加點(diǎn)的同事，也感謝項(xiàng)目中本人有一些不懂的地方進(jìn)行給我耐心解答的同事。

聲明：因本人工作經(jīng)驗(yàn)?zāi)晗藁驅(qū)W習(xí)能力有限，對知識的涉及廣度不足，本論文的解決方案可能并非是當(dāng)前最佳解決方案，論文也可能存在一些錯漏。在提交論文的當(dāng)天，項(xiàng)目還在緊張的進(jìn)行中，論文中提到的一些問題尚未得到解決，芯片廠家和本人所在開發(fā)團(tuán)隊(duì)還在繼續(xù)優(yōu)化項(xiàng)目。若引用到了你的知識卻未列入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)中，歡迎指正。

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中國人民大學(xué) 管理科學(xué)與工程陳日榮