CN108391255B - 一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统及方法 - Google Patents

一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于NB‑IoT的iBeacon电源管理系统及方法，该系统包括单片机模块及分别与其相连接的蓝牙模块、NB‑IoT模块、电源模块；所述电源模块为独立电池且各硬件模块均由该电源模块供电。本发明使用的是运营商NB‑IoT无线数据传输，支持移动、联通、电信网络，不需要网关和中继，不需要布置电源和路由器，降低了大规模部署难度，能够实现系统的平滑升级；NB‑IoT单个连接模块的企业成本较传统技术相对较低，且具有连接数量多、信号覆盖质量好、无线传输更稳定的优点，有益于大规模产品推广；NB‑IoT无线通讯技术具有终端功耗低的特点，仅需使用电池供电就可以保证长久的使用。

Description

一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统及方法
技术领域
本发明属于室内定位技术、智能感知技术、物联网技术应用以及无线通讯技术领域，具体是一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统及方法。
背景技术
随着互联网的广泛应用和拓展，万物互联已经是一个时代的趋势，室内定位技术作为物联网发展下的重要分支，具有非常大的实际意义。随着室内定位技术的发展，iBeacon逐渐成为室内定位技术中的佼佼者，在各行各业的应用中的技术优势越加明显，其定位的精度更加准确，但是却存在严重的电源管理问题：一、iBeacon在室内定位应用中需要大规模部署；二、数量众多的iBeacon如果不妥善管理将会造成系统的实效，例如低电量甚至没电或者丢失。
在小规模和精度要求不高的小量iBeacon部署中传统的iBeacon电源管理系统主要通过4G/WiFi网络和有线的方式进行。这些管理方式比较常见，但是当需要高精度定位或iBeacon需要大规模的使用和布置时，这些管理方式虽然可用，但存在一些不足，主要有以下三点：一、这些管理方式均需要大量布线或者是布置路由器，与此同时还需重新布置电源，不仅麻烦，其部署难度也大大提升；二、使用4G/WiFi网络的成本较高，不利于产品推广；三、使用4G/WiFi网络的功耗大，不适合大规模使用；这些不足将导致基于iBeacon的室内定位技术的大规模商用变得困难重重。
基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）具有低功耗、广覆盖、低成本和支撑海量连接的特点。NB-IoT的终端可使用电池，其待机时间长达十年之久；与此同时，NB-IoT将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，覆盖面积扩大100倍，此外NB-IoT只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络和LTE网络，无需自组网，达到降低部署成本，实现平滑升级的目的。
发明内容
本发明的目的是克服传统技术的不足，提出一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统。通过NB-IoT技术与iBeacon室内定位技术的有机结合，低功耗的实现大规模iBeacon的统一管理。
为实现上述功能，本发明采用以下技术方案实现：一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统，其包括单片机模块及分别与其相连接的蓝牙模块、NB-IoT模块、电源模块；所述电源模块为独立电池且各硬件模块均由该电源模块供电；所述蓝牙模块通过扫描并获取周围的iBeacon信号并送至单片机模块，单片机模块根据iBeacon通用协议解析出电量信息，在解析电量信息的同时根据监测时的信号强度对比初始部署iBeacon时的信号强度，对iBeacon状态是否异常进行判断；单片机模块进行两路的串口通信，一路由蓝牙模块获取到的iBeacon信号输入至单片机模块，再经由单片机模块通过iBeacon通用协议对iBeacon信号进行解析，再通过标准NB-IoT协议对已解析的iBeacon信息进行编码，另一路则是将编码好的iBeacon信息通过串口发送至NB-IoT模块，然后经由运营商网络送至云端服务器；用户通过电脑客户端或者手机APP实时对iBeacon的电量信息以及异常状态进行监测与管理。
在本发明一实施例中监测频率为每四小时一次，并能够监测自身电源模块的电量信息。
本发明还提供一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统方法，其包括以下步骤：步骤一：电源模块正常供电时，此时电源管理系统终端启动并正常工作，单片机模块向NB-IoT模块持续发送指令，对休眠周期以及各模块参数进行设置后，NB-IoT模块进入Connect模式，而后进行数据的收发状态；休眠周期为设置休眠周期为四小时；步骤二：蓝牙模块使用BLE技术向周围发送自己特有的ID，接收到该ID的iBeacon会根据该ID反馈自身信息；步骤三：所获取的iBeacon信息通过串口通讯送至单片机模块，单片机通过通用iBeacon协议对已获取的iBeacon信息进行解析，具体解析出每一个iBeacon的电量信息，在解析电量信息的同时，还能够根据监测时的信号强度对比初始部署iBeacon时的信号强度，对iBeacon状态是否异常进行判断；同时还能监测自身电源模块的电量信息；步骤四：所获取的iBeacon状态信息经标准NB-IoT协议进行编码后由单片机的另一串口发送至NB-IoT模块，通过NB-IoT模块经NB-IoT基站进入CIoT核心网，利用核心网络将数据上传至云平台；步骤五：云平台将数据进行处理分析后发送至手机APP或者电脑客户端上，用户则通过实时获得的iBeacon状态信息进行监控和管理。
在本发明一实施例中，监测频率为每四小时一次，并能够监测自身电源模块的电量信息。
在本发明一实施例中，蓝牙模块的广播范围为半径为20米的圆域内。
与现有技术相比，本发明在能够实现大规模iBeacon的统一管理的同时，本发明还具有以下三点有益效果：一、本系统使用的是运营商NB-IoT 无线数据传输，支持移动、联通、电信网络，不需要网关和中继，不需要布置电源和路由器，降低了大规模部署难度，能够实现系统的平滑升级；二、NB-IoT单个连接模块的企业成本预期不超过5美元，成本较传统技术相对较低，且具有连接数量多、信号覆盖质量好、无线传输更稳定的优点，有益于大规模产品推广；三、NB-IoT无线通讯技术具有终端功耗低的特点，仅需使用电池供电就可以保证长久的使用。
附图说明
图1 为基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统终端工作流程图。
图2 为基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统硬件原理图。
图3 为基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统架构图。
图4 为基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
本发明提供一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统，其包括单片机模块及分别与其相连接的蓝牙模块、NB-IoT模块、电源模块；所述电源模块为独立电池且各硬件模块均由该电源模块供电；所述蓝牙模块通过扫描并获取周围的iBeacon信号并送至单片机模块，单片机模块根据iBeacon通用协议解析出电量信息，在解析电量信息的同时根据监测时的信号强度对比初始部署iBeacon时的信号强度，对iBeacon状态是否异常进行判断；单片机模块进行两路的串口通信，一路由蓝牙模块获取到的iBeacon信号输入至单片机模块，再经由单片机模块通过iBeacon通用协议对iBeacon信号进行解析，再通过标准NB-IoT协议对已解析的iBeacon信息进行编码，另一路则是将编码好的iBeacon信息通过串口发送至NB-IoT模块，然后经由运营商网络送至云端服务器；用户通过电脑客户端或者手机APP实时对iBeacon的电量信息以及异常状态进行监测与管理。主要结构示意图参见图1。较佳的，监测频率为每四小时一次，并能够监测自身电源模块的电量信息。
低功耗蓝牙模块工作模式有四种，既主设备模式、从设备模式、广播模式和Mesh组网模式。其中广播模式又含有两种角色，分别是Central 和 Peripheral，即中心设备和外围设备，中心设备可以主动连接外围设备，外围设备发送广播或者被中心设备连接。外围通过广播被中心设备发现，广播中带有外围设备自身的相关信息。在本系统的实施方式中，蓝牙终端模块为广播模式中的中心设备部分，周围的iBeacon为外围设备部分。其终端蓝牙模块部分工作流程如图1所示，蓝牙模块启动时，使用AT指令对扫描周期等模块参数进行配置并设置工作模式为广播模式，而后就可以通过广播模式扫描获取到附近iBeacon广播出来的数据包。
NB-IoT终端模块具有三个工作模式，即Connected（连接态）、Idle（空闲态）和PSM（节能）模式。模块注册入网后进入Connected状态，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入Idle模式，时间可配置；Idle模式下可收发数据，且接收下行数据会进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，时间可配置；PSM模式下终端关闭收发信号机，不监听无线侧的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小；本系统NB-IoT终端模块工作流程如图1所示，NB-IoT终端模块启动时，进行参数的配置，进入Connected模式入网开始收发数据，若数据发送完成则进入Idle模式断开进展连接，而后进入PSM休眠。
在本发明一实施例中，单片机模块以STM32f103系列为例，系统硬件原理图如图2所示。其中蓝牙模块主要是扫描获取周围iBeacon广播的信号，单片机模块主要进行两路的串口通信，一路由蓝牙模块获取到的iBeacon信号输入至单片机，然后经由单片机通过iBeacon通用协议对iBeacon信号进行解析，再通过标准NB-IoT协议对已解析的iBeacon信息进行编码，另一路则是将编码好的iBeacon信息通过串口发送至NB-IoT无线通讯模块，然后经由运营商网络送至云端服务器。以上所述电源模块为独立电池且上述中各硬件模块均由电源模块供电，保证设备的正常使用。
本发明一实施例的基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统其系统架构图如图3所示，本系统通过蓝牙模块扫描并获取附近20米内iBeacon广播的信息，通过iBeacon协议解析出每一个iBeacon具体的电量信息，在解析电量信息的同时，还能够根据监测时的信号强度对比初始部署iBeacon时的信号强度，对iBeacon状态是否异常进行判断。然后再将状态信息通过NB-IoT协议编码后利用NB-IoT无线通讯模块经NB-IoT基站进入CIoT核心网，利用核心网络将数据上传至云平台，云平台将数据进行处理分析后发送至手机APP或者电脑客户端上，用户可通过实时获取的数据信息对iBeacon进行统一管理。
一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统方法，其包括以下步骤：
步骤一：电源模块正常供电时，此时电源管理系统终端启动并正常工作，单片机模块向NB-IoT模块持续发送指令，对休眠周期以及各模块参数进行设置后，NB-IoT模块进入Connect模式，而后进行数据的收发状态；休眠周期为设置休眠周期为四小时；
步骤二：蓝牙模块使用BLE技术向周围发送自己特有的ID，接收到该ID的iBeacon会根据该ID反馈自身信息；
步骤三：所获取的iBeacon信息通过串口通讯送至单片机模块，单片机通过通用iBeacon协议对已获取的iBeacon信息进行解析，具体解析出每一个iBeacon的电量信息，在解析电量信息的同时，还能够根据监测时的信号强度对比初始部署iBeacon时的信号强度，对iBeacon状态是否异常进行判断；同时还能监测自身电源模块的电量信息；
步骤四：所获取的iBeacon状态信息经标准NB-IoT协议进行编码后由单片机的另一串口发送至NB-IoT模块，通过NB-IoT模块经NB-IoT基站进入CIoT核心网，利用核心网络将数据上传至云平台；
步骤五：云平台将数据进行处理分析后发送至手机APP或者电脑客户端上，用户则通过实时获得的iBeacon状态信息进行监控和管理。
本发明的主要流程示意图参见图4。
较佳的，监测频率为每四小时一次，并能够监测自身电源模块的电量信息。蓝牙模块的广播范围为半径为20米的圆域内。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统，其特征在于：包括单片机模块及分别与其相连接的蓝牙模块、NB-IoT模块、电源模块；所述电源模块为独立电池且各硬件模块均由该电源模块供电；
所述蓝牙模块通过扫描并获取周围的iBeacon信号并送至单片机模块，单片机模块根据iBeacon通用协议解析出电量信息，在解析电量信息的同时根据监测时的信号强度对比初始部署iBeacon时的信号强度，对iBeacon状态是否异常进行判断；
单片机模块进行两路的串口通信，一路由蓝牙模块获取到的iBeacon信号输入至单片机模块，再经由单片机模块通过iBeacon通用协议对iBeacon信号进行解析，再通过标准NB-IoT协议对已解析的iBeacon信息进行编码，另一路则是将编码好的iBeacon信息通过串口发送至NB-IoT模块，然后经由运营商网络送至云端服务器；
用户通过电脑客户端或者手机APP实时对iBeacon的电量信息以及异常状态进行监测与管理；
所述电源管理系统能够监测自身电源模块的电量信息。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统，其特征在于：监测频率为每四小时一次。
3.一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：电源模块正常供电时，此时电源管理系统终端启动并正常工作，单片机模块向NB-IoT模块持续发送指令，对休眠周期以及各模块参数进行设置后，NB-IoT模块进入Connect模式，而后进行数据的收发状态；休眠周期为设置休眠周期为四小时；
步骤二：蓝牙模块使用BLE技术向周围发送自己特有的ID，接收到该ID的iBeacon会根据该ID反馈自身信息；
步骤三：所获取的iBeacon信息通过串口通讯送至单片机模块，单片机通过通用iBeacon协议对已获取的iBeacon信息进行解析，具体解析出每一个iBeacon的电量信息，在解析电量信息的同时，还能够根据监测时的信号强度对比初始部署iBeacon时的信号强度，对iBeacon状态是否异常进行判断；同时还能监测自身电源模块的电量信息；
步骤四：所获取的iBeacon状态信息经标准NB-IoT协议进行编码后由单片机的另一串口发送至NB-IoT模块，通过NB-IoT模块经NB-IoT基站进入CIoT核心网，利用核心网络将数据上传至云平台；
步骤五：云平台将数据进行处理分析后发送至手机APP或者电脑客户端上，用户则通过实时获得的iBeacon状态信息进行监控和管理。
4.根据权利要求3所述的一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统方法，其特征在于：监测频率为每四小时一次，并能够监测自身电源模块的电量信息。
5.根据权利要求3所述的一种基于NB-IoT的iBeacon电源管理系统方法，其特征在于：蓝牙模块的广播范围为半径为20米的圆域内。
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