基于NB-IOT的多源发电紧急定位报警系统

时间：2024-06-01

宋文波

【关键词】NB-IOT;物联网;定位系统;水力发电

定位系统在工程野外作业中必不可少[1]，但是一般情况下定位装置均采用电池供电，并且由于野外供电限制，往往不能够得到及时充电，所以长续航、低功耗的定位报警系统就成为迫切的需求。由于野外自然资源较为丰富，太阳能、风能、水能等资源至少能够满足一样[2]，所以本系统在传统卫星定位（北斗，GPS）的基础上加入多样的发电装置（手摇，风力，水力）可以避免定位装置因无能耗而无法定位的问题，同时将普通的通信方式替换为低功耗的NB-IOT通信，用户可以轻松地将位置信息传输到后端的云平台中[3]，有效保证了野外作业人员的安全。

一、总体设计

涡轮发电紧急定位报警系统由NB-IOT通信模块、发电装置以及电源控制模块三部分组成，其中NB-IOT采用BC20模块来完成系统地控制和定位。整个多源发电紧急定位报警系统主要分为硬件和软件两部分，其中硬件主要是NB-IOT模块、GPS模块、发电装置以及电源控制模块;软件部分主要是系统的下位机代码设计以及云平台可视化软件设计。系统能够实现定位信息的实时准确传输，管理员能够在后台云平台中查看到作业人员的位置信息和运行轨迹，如果发生紧急情况，可以进行一键报警。

二、系统硬件设计

（一）NB-IOT硬件设计

系统采用低功耗BC20模块作为核心控制器，BC20模块可基于B5、B8、B3等多个频段。基于先进的GSNN技术，BC20可支持北斗和GPS双卫星导航系统解调算法[4]，使其定位更加精准、抗多路径干扰能力更强，比传统单一GPS定位模块更强。另外BC20模块内置LAN和低功耗算法：在保证更高的灵敏度的情况下，保证低功耗模式下能耗更低。系统核心板电路较为简洁，模块体积较小，支持丰富的外部接口和多种网络服务协议栈，应用便利。

（二）GPS硬件设计

系统要采集的信息主要是经纬度、海拔等，NB-IOT覆盖能力比现有网络增益20dB，使信号能够穿透墙面或地板，覆盖更深的室内场景，使电池运行时间至少达到10年，理想情况下，每个扇区可连接约5万台设备。假设居住密度是每平方公里1500户，每户家庭有40个设备，这种环境下的设备连接是可以实现低成本等技术优势。由于系统选用的是BC20模块，可以直接接入GPS+北斗定位的模块[5]，使用起来十分便捷。

（三）多源发电模块

多源發电模块是本系统的核心模块，为了保证系统的可兼容性，在原有太阳能发电的基础上增加了水力、风力以及手摇发电。基于统一设计理念，水力、风力以及手摇发电均采用同一个发电机，水力发电是指用水流冲击涡轮，带动发电机转动;风力和手摇发电是在涡轮外部增加了卡扣，可以直接卡住旋转叶片，风力或者人力转动叶片带动涡轮旋转，从而产生电能。

（四）电源模块模组设计

电源模块是实现系统功能最为重要的部分，它连接着发电机和NB-IOT模块，将发电机产生的不稳定的电能转化成5V标准电能给锂电池进行充电，进而为整个定位系统的正常运转，提供了充足、稳定的电源。