一种具有位置跟踪功能的低功耗电子标签系统

王琳娜 胡冬琴

摘  要：该文设计了一种能够进行定位的移动式电子标签系统，实现了无线更新与定位、低功耗，而且能够通过NB-IOT技术把定位信息发送到云端服务器。系统主要由嵌入式处理器STM32L476、NB-IOT模块BC95、定位模块、电子墨水屏及相关驱动电路组成，为载体提供通信、位置、时间等数据，该系统具有实现简单、成本低、物流信息更新方便、位置定位精度高等一系列的优点。

关键词：电子标签  低功耗  位置跟踪

中图分类号：TP391.44                             文献标识码：A                        文章编号：1672-3791（2019）02（c）-0011-02

近年来，线上线下融合的新零售业态正逐步得到市场广泛关注，同时也面对着如何实现线下商超与线上电商平台之间的衔接问题，即如何将产品信息变动及时准确同步到线上线下不同的场景。传统纸质标签不能做到这一点，而电子价签（ESL）可通过无线通信及时更新商品信息并同步至各大平台，从而提高零售运行效率。因此，这种电子货架标签在新零售超市中得到了广泛的应用。但今天我们要介绍的是一种能够进行定位的移动式电子标签系统，它不但有电子标签能够无线更新的特点，也具有定位的功能，而且能够通过现在最流行的NB-IOT技术把定位信息发送到云端服务器，并且实现了低功耗。

1  系统构成

系统主要由电子价签（ESL）、ESL在线服务器管理系统以及ESL手持终端组成。ESL管理系统获取到商品对应物流信息以及其他要更新的信息，通过服务器进行下发，集成了NB-IOT模组的电子标签，会接收到这些信息并进行更新;电子标签会通过GPS定位获取的位置信息通过NB-IOT上传位置信息给ESL管理系统，供用户观测和查询。NB-IOT技术，它是一种全新的基于蜂窝网络的窄带物联网技术，它有效提供深度室内覆盖的同时，支持庞大的低吞吐率、设备的连接，并具备低功耗及优化的网络结构等独特优势，非常适合车辆跟踪场景的应用，因此我们在电子标签中嵌入NB-IOT模组，与电子标签中的电子墨水屏一起组成低功耗系统。由于系统应用于定位追踪领域，系统要求运行功耗低，所以整体系统设计要求采用低功耗方案设计以满足长时间待机应用。系统采用嵌入式处理器STM32L476为主控芯片，主要包括NB-IOT模块BC95，GPS定位模块，WiFi定位模块，电源、电子墨水屏及相关驱动电路组成，为载体提供通信、位置、时间等数据。

2  系统模块

2.1 主控处理器模块

嵌入式处理器STM32L476。最大使用主频为8MHz。休眠功耗为ua级。它除了有UART、SPI、I2C等外围设备接口，还有PWM、AD等丰富的片内外设。通过UART接口接受GPS获取到的位置信息，NB-IOT无线通信模块BC95数据交互和传感器件等数据，并处理系统接收到的定位信息。

2.2 定位模块

系统内置ATGM336H-5N北斗/GPS模块，其应用范围广泛，卫星信号接受能力强，支持BDS/GPS/GLONASS卫星导航的系统定位。它以UART串口输出1Hz的NMEA协议位置、速度、时间等参数。ARM可以采用UART串口与ATGM336H-5N通信，提取相关系统所需数据。

2.3 通信模塊

NB-IOT无线通信模块BC95的工作频段为900MHz、850MHz、800MHz。供电电压3.1～4.2V，模块尺寸19.9mm×23.6mm×2.2mm。它以UART串口与主控进行数据通信，为用户提供通信服务。另外模块的休眠电流为5uA，为系统的超长待机时间提供保障。NB-IOT的下行速率为125kbit/s，上行速率为140kbit/s;eMTC的下行速率为4Mbit/s，上行速率为7Mbit/s。与NB-IOT相比，eMTC支持率要比NB-IOT高，其功耗和成本也高于NB-IOT。总体来说，NB-IOT技术更适合应用于物流车这种长距离低功耗的信息更新场景。NB-IOT具有五大优势，已经让其成为物联网LPWA应用的最佳网络传输技术。

（1）覆盖广且深。NB-IOT的覆盖面是其他技术无可比拟的，如提供改进型的室内覆盖，在同频段下，NB-IOT要比现有的网络增益大20dB，等同于提升了原覆盖区域的100倍。

（2）海量连接。NB-IOT的一个扇区可以同时支持10万个连接，具有低延时敏感、低设备功耗、低设备成本以及优化的网络结构的特点。

（3）超低功耗。NB-IOT主要面向小数据量、低速率的应用，所以设备功耗极低，电池的使用时长可达5年以上，针对电池不能经常更换的场合尤为适用。

（4）成本低。对运营商来说，NB-IOT不需重新建网，射频以及天线可复用，建网成本低。对于NB-IOT的产业链来说，芯片在其中位于核心基础地位，NB-IOT芯片的低速率、低带宽、低功耗的特点也使之具有低成本的优势，设备厂家评估单个连接模块成本不超过5美元。

（5）安全性高。安全性对于网络使用来说是非常关键的，NB-IOT在4G网络安全性能的基础上，运用双向鉴权技术，更大地保障了用户数据的安全。除此之外，对比无授权频谱的物联网技术来说，NB-IOT技术还具有可基于现有网络的快捷升级、等同于运营商级别的高可靠性和高安全性，以及可实现全球漫游等优势。

3  定位方案

为了覆盖尽可能大的定位范围，该定位跟踪系统结合了GPS定位和WiFi定位两种流行的定位技术，无线通信端选用上海移远公司的BC95模块，用于将GPS获取的定位数据通过移动通信模块传至Internet上的一台服务器上，从而可以实现在电脑上查询终端位置。GPS定位服务平台是基于GPRS和Internet通信网络的监控调度系统。在户外或GPS信号强的区域利用GPS进行定位，当系统检查到GPS获取到定位数据，将自动将WiFi模块置于睡眠模式，以节省功耗，而当进入室内或是地下等GPS信号弱的区域，系统将开启WiFi进行辅助定位。定位系统可根据不同的定位场景提供不同的解决方案。为了覆盖尽可能大的定位范围，该文将定位环境分为4种情况：在仅有GPS信号环境下，采用GPS单独定位;有WiFi和GPS信号但GPS不满足定位要求的环境下，采用GPS和WiFi网组合定位;同时有GPS信号和WiFi信号且可单独定位的环境下，采用WiFi网辅助GPS定位;有WiFi信号无GPS信号的环境下，采用WiFi网单独定位。在实际定位中，可根据接收的信号情况及特定的切换策略进行环境判定，并进行定位方案的转换，实现无缝定位的需求。

4  结语

随着新零售的快速发展，人们对货物的位置跟踪需求越来越强，该系统具有实现简单、成本低、物流信息更新方便、位置定位精度高等一系列的优点，这种基于NB-IOT并能够进行位置定位的电子标签必将在新零售的大潮中得到更为广泛的应用。

参考文献

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