基于NB-IoT的近海渔网示位标系统

关 立，徐轶群

(集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

渔网示位标安装于渔网、定制网具或养殖网箱上，利用AIS技术向渔民指示网具的位置，为渔业捕捞和养殖提供一定的便利[1]。然而，目前市面上的基于AIS技术的渔网示位标缺乏统一标准，渔民或厂商随意配置其水上移动业务标识(MMSI)及其他参数[2]，导致在电子海图中难以区分渔网和船舶，影响船舶交通安全。研究解决渔网AIS示位标问题不仅可以保障船舶交通安全，而且可提高海上搜救、海事监管工作的效率。郑峰[3]设计了基于AIS技术的渔具定位避碰装置；刘铁君等[4]提出渔网AIS示位标采用主从模式，单张渔网只挂载一个主设备接入AIS系统，从设备使用AIS技术与主机通信方面来减少船台显示，而这种方式虽然降低了发送设备数量，但发送数据总量并无显著减少，无法解决AIS信道时隙占用的问题；黄伦文等[5]采用406 MHz卫星通信的方式设计了一种基于北斗应急无线电示位标，但该方案成本较高且数据更新效率较低；王连胜等[6]设计了一种基于GPRS通信方式的一键式紧急无线电示位标，可应用在渔网定位领域，该方案采用的是自有协议及自建数据平台。

NB-IoT(Narrow Band-internet of things)作为新兴物联网技术，可以提供广覆盖、低功耗、低成本、多连接的网络服务，相比LTE和GPRS基站有20 dB的增益提升[7]，在内河流域及近海都有不错的网络覆盖。通过PSM(power saving mode)模式与eDRX(extend discontinuous reception)技术的搭配，设备得以在低功耗状态下长期工作。

目前数据服务器和云平台的搭建主要有两种形式：1)独立搭建数据服务器，构造私有云平台，该形式在数据协议上灵活可控，数据保密性更高，但开发周期长，难度大，针对设备数量庞大的系统并发处理复杂，不利于应用的快速上线；2)采用运营商服务器及标准的物联网开发平台，如阿里云、百度云、OneNET等，该形式系统部署快速，用户不必考虑复杂接入过程，对不同平台兼容性更强，但用户数据传输必须通过物联网平台，存在商业风险，且数据接入商业用途后运营商可能收取使用费。

本文设计的渔网NB示位标选择NB-IoT技术作为通信手段，选择中移物联的OneNET云平台作为云服务平台开发端。设备通过窄带网络将渔网示位标的坐标及电量等相关信息上传到OneNET云平台，供相关用户查看，目标用户可以通过OneNET云平台对设备数据上报周期，工作状态等相关参数进行远程配置。由于示位标工作频段不在AIS信道上，对现有AIS系统不会造成干扰，对船舶交通、海上搜救、海事监管等方面有着积极作用。此外，本设备使用的功耗控制策略与动态休眠算法，比传统的固定数据上报周期模式在续航上有更大优势。

1 系统架构

基于NB-IoT与云服务平台的渔网示位标系统主要包括：北斗/GPS导航卫星、渔网NB示位标、NB基站、OneNET云平台及应用服务器、终端用户5个部分组成，如图1所示。

其中，渔网NB示位标通过北斗/GPS双模天线接收北斗/GPS卫星信号，解析获得NMEA0183协议GPRMC报文，提取并保存其中的时间、经纬度等所需数据。通过12位ADC获取电池平均电压，基于电池电量曲线表得出设备当前电量。在设备入网后，以物联网专用的LWM2M协议格式注册到OneNET云平台。OneNET云平台响应各个渔网NB示位标的注册，并下发发现资源命令及转发应用服务器请求订阅命令。渔网NB示位标注册在网后，通过OneNET云平台将相关数据信息上报给应用服务器。应用服务器以OneNET云平台作为桥梁，获取渔网NB示位标上报信息，并下发控制命令，形成面向用户的渔网公共服务管理系统，实现数据可视化与指令控制。用户通过web页面登录应用服务器，即可查看设备的地理位置等信息，拥有权限的目标用户可以向指定的渔网NB示位标下发控制指令，如调整上报时隙，改变工作状态等，实现远程控制。

2 渔网NB示位标设计

2.1 渔网NB示位标硬件设计

渔网NB示位标硬件主要由单片机与串口电路、北斗/GPS双模定位与NB通信模组电路、充放电及电源管理电路三个部分构成。

2.1.1 单片机与串口电路

单片机及外围控制口、串口电路原理图如图2所示。选用ST公司STM32L031系列单片机作为主控制器，该单片机在待机模式下功耗仅为0.25 uA，并具备低功耗串口通信功能[8](LPUART)，负责控制NB模组数据收发以及定位数据接收。串口2连接CH340芯片，实现串口转USB调试、数据打印等功能。通过内部12位ADC管脚BAT_ADC以及电路导通控制管脚BAT_CHECK实现对供电电压的实时监测。BC20_PWR、BC20_RST、BC20_EINT、BC20_GNSS_POWER管脚分别用于控制NB通信模组的供电、重启、唤醒功能以及为GNSS(global navigation satellite system)有源天线供电。

2.1.2 北斗/GPS双模定位与NB通信模组电路

北斗/GPS双模定位与NB通信模组电路原理图如图3所示。NB通信模组选用上海移远公司开发的BC20模组，该模组接收机集成了北斗、GPS定位功能，可以实现多系统联合定位[9]，其卫星信号捕获状态下耗流为54.7 mA，跟踪状态下耗流30.2 mA，而当设备进入PSM工作模式时，耗流仅为3.7 uA。在与基站通信时，BC20模组在B5及B8频段上发射功率可达23 dBm，接收灵敏度为-129 dBm。模组在发射时段瞬时电流可达260 mA，设计时在其供电管脚VBAT附近并联了大容量去耦钽电容。BC20模组串口采用1.8 V电平，经过电平转换电路后与主控制器串口连接。在模组处于PSM模式下，其1.8 V供电输出管脚VCC_BC20_EXT无输出，串口无法正常通信，使用时通过引脚BC20_PSM_EINT唤醒后再进行串口通信，重新配置其工作状态。SIM卡选用贴片式5 mm×6 mm esim封装，减小设备体积，提高抗震能力。

2.1.3 充放电及电源管理电路

充放电及电源管理电路原理图如图4所示。渔网NB示位标使用3.7 V锂电池供电，充电接口采用市面上通用的USB TYPE-C接口，充电管理芯片选用TP4065，并选用ME6211C33M5G芯片作为LDO(low dropout regulator)，将锂电池电压转换为主控器及NB通信模组工作电压。需要采集锂电池电压时，BAT_CHECK管脚拉高，导通Q3与Q4，通过主控ADC管脚采集R14、R15分压数据，采集完成后，关断数字三极管及场效应管，降低设备功耗。设备通过PWR_STATE管脚监测按键SW1状态，并通过控制PWR_CTRL管脚改变LDO使能管脚电平，实现按键关机功能。当设备安装于养殖网箱等长期海上作业体上时，可装配太阳能板实现长续航。

2.2 渔网NB示位标软件实现

渔网NB示位标软件主要基于STM32L031低功耗单片机与集成GNSS定位功能和NB窄带物联网通信功能的BC20模组，采用C语言开发，编译环境为Keil V5.26，软件主流程图如图5所示。

2.2.1 工作流程实现

通过开机按钮为设备上电后，主控制器进行初始化操作，并控制IO口保持供电电源，在接收到用户关机命令时，可通过控制此IO口实现远程关机。初始化BC20模组时，设备获取NB信号RSSI与EPS网络状态，注册到云平台，并根据云平台服务器的响应上报订阅号与资源类型。设备根据配置的数据上报周期启动AGPS和GNSS，获取经纬度及时间信息，并对电池电压进行采样，通过内部存储的电量电压匹配数组获取百分比形式的电量，再将相关数据逐一上传至云平台。同时，设备如果收到下行指令，则根据指令运行对应线程，如调整数据上报周期，改变工作状态，或者强制关机等。未收到下行指令，设备将在上报数据成功后，进入动态休眠模式，并开启外部与定时器中断，等待下次中断或上报时隙。程序中循环判断语句均添加了重试次数及错误处理函数，并添加了看门狗，提高设备运行稳定性。

2.2.2 功耗控制策略

设备不同工作状态下功耗状态如图6所示。分为5种运行状态：PSM为休眠态；receive为接收态；location为定位捕获态；transmit为通信态；IDLE为不连续接收态。由图6可知，设备能耗主要集中在获取定位、数据上传、数据接收过程中。为使设备在满足响应服务器下行命令时延情况下同时具备低功耗，软件采用eDRX技术，通过扩展的不连续接收模式来降低设备功耗，在eDRX周期内，向服务器申请较短的寻呼时间窗PTW(paging time window),缩短无数据交互期。在设备定位数据获取与上报周期内，设计动态休眠算法，建立设备上报时隙控制传递函数。

设备上报时隙控制传递函数框图如图7所示。其工作原理为：设备在启动后首先采集设备初始经纬度数据，之后根据预设上报时隙在第n次规定时间采集经纬度数据后，根据初始经纬度数据计算得出目前位置与初始位置水平偏移量Dn和与上一位置水平偏移量Dn-1之差dDn，根据Dn与dDn的值改变定位数据采样频率，并相应调整数据上报周期Tr(Tr初始值取300 s)。当位置偏移量Dn不超过设备水平定位精度Dcep时，可认为设备地理位置不变，则延长数据上报周期Tr，增加量Ta取值为设备的eDRX周期。当位置偏移量Dn超过限定阈值时，若dDn<0，说明示位标运动轨迹在回归起始点；若dDn=0,说明示位标在偏移初始坐标的某点处于静止状态；若dDn>0，说明示位标在快速远离初始坐标点，此时应缩短数据上报周期Tr，提高设备数据实时性。

建立的动态数据上报周期Tr模型如下:

(1)

3 渔网NB示位标的制作与测试

3.1 定位精度测试及功耗测试

为测试渔网NB示位标基本功能的稳定性与可靠性，制作了设备样机，并在测试平台上对样机定位精度和功耗进行测试。将设备静置，对其定位数据进行统计，在570次定位中，水平定位误差基本在10 m以内，数据可以准确反映设备的真实地理位置，定位靶向图如图8所示，水平误差分布图如图9所示。

根据渔网NB示位标运行的软件设计，其数据上报周期Tr可分为定位通信区间Ta与休眠区间Td，即：

Tr=Ta+Td。

(2)

则单时隙耗电量Er(m·Ah)与时间Tr的关系可写为：

Er=Ia×Ta+Id×Td=Ia×Ta+Id×(Tr-Ta)。

(3)

其中：Ia为定位通信区间的平均电流；Id为设备休眠电流。

使用是德科技N6705电源分析仪配备N6781模块对渔网示位标工作下的耗电量进行测量，获得完整的定位通信区间电流消耗，如图10所示。设备在休眠区间下的电流消耗Id仅为0.09 mA；定位开启时电流为80 mA，从开启定位到获得有效定位耗时平均约16 s(开启AGPS)；数据发送时全设备电流最高可达270 mA，每个数据包发送耗时约0.14 s；设备的定位通信区间Ta平均约为54 s，区间平均电流Ia为34.0 mA。以配备3000 m·Ah的锂电池，上报时隙固定300 s为例，不使用功耗控制策略，设备可于海域内静置连续工作484 h，约20 d；在使用功耗控制策略与动态休眠算法时，当设备的eDRX周期取值为81.92 s，且考虑设备位置偏移量基本小于设备水平定位精度的情况下，设备连续工作时间可长达2 701 h，约112 d。因此在设备长期处于静止状态下，采用动态数据上报周期模型续航最高可以提高约4.6倍。

3.2 水域安装测试

选择厦门集美园博苑内海水域对渔网NB示位标进行工作状态和功能测试，将设备与渔网固定，放置于水域中，设备实物图与测试现场照片如图11所示。测试人员通过手机端查看渔网所在位置，并对电量、经纬度数据进行监控，对快速寻标等控制功能也进行了测试。经测试，设备能够准确反映渔网的实时位置，并将数据及时上传回云端，对远程控制命令的响应也十分迅速，能够满足设计功能的要求。

4 基于OneNET的渔网位置公共服务平台设计

OneNET云平台是中移物联有限公司开发的一款免费的物联网开放平台[10]。该平台面向应用层，提供丰富的API和数据分发能力，开发者可根据平台提供的标准接入流程将设备接入平台[11]。OneNET云平台在应用管理上提供了BS架构的WEB网页及手机端[12]可视化界面开发套件，可以适应不同需求的应用开发。本文使用该平台提供的NB-IoT物联网套件，通过LWM2M协议接入，使用该套件自带的应用编辑器，实现基于OneNET的渔网位置公共服务平台设计。

4.1 手机端个性化应用

渔民作为渔网NB示位标的主要使用群体，根据其职业特点与用户习惯，在界面交互、功能设计、操作方式、显示效果上进行了专门优化，让用户能充分了解并利用渔网数据辅助决策，提升捕鱼和养殖效率。终端用户手机端操作界面分成三个页面，如图12所示。

用户在登录平台后立即显示主界面，该界面包含可视化渔网定位地图、设备剩余电量百分比显示以及数据更新时间，用户可以直观查看渔网所在位置以及设备电量剩余，通过缩放地图可以获得更加精确的位置信息，通过数据更新时间估计设备地理位置的时效。

通过菜单栏可切换至数据曲线界面，通过电量变化曲线可以预估设备剩余使用时间，通过经纬度变化曲线可知渔网位移区间，判断是否被水浪或渔船带离原有位置，以便进行现场处理，及时止损，提高效率。

设备高级配置界面提供了快速寻标功能、调整上报时隙功能、临时休眠功能、强制关机功能、数据流切换(多个示位标数据切换)功能。其中快速寻标功能在渔民收网或寻网时使用，通过应用服务器下发命令，可以在有限时间内将定位数据更新速率提高到3 s/次，使定位数据趋于实时。调整数据上报时隙功能可以手动调整渔网NB示位标上报数据的周期，范围为3～100 min可调，便于渔民将示位标应用于不同使用场景。临时休眠功能用于设备暂停上报定位数据时，以降低功耗。强制关机功能可以使设备直接断电，只能通过设备电源键重新开机。数据流切换功能可以实现多个可控示位标的控制切换，在用户拥有多个渔网NB示位标时可以通过切换数据流来监控不同ID设备。

4.2 渔网位置数据共享服务

通过渔网位置数据共享服务，用户可以查看全网渔网NB示位标的具体分布情况，如图13所示。通行船舶可通过平台查看航线内是否存在渔网，以便及时避让，监管部门可以通过平台查看通航区内是否存在违规布网，或有漂网在水流作用下进入航道内，方便及时采取措施，保障船舶交通安全。

5 结语

论文基于NB-IoT与OneNET云平台技术，设计开发了渔网NB示位标系统，并通过测试平台和沿岸海域安装测试实验，对系统的可靠性和有效性进行了验证。测试结果显示，设计的渔网NB示位标系统可以满足渔网定位监控功能，与传统AIS网位仪相比，具有体积小，功耗低，抗干扰能力强等优点，对渔民寻网、渔网监控及位置共享都有积极作用。