CN108900979A - 基于NB-IoT的校徽定位系统 - Google Patents

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胡伟通
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金韩波
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Abstract

本发明公开了一种基于NB‑IoT的校徽定位系统。本发明使用定位节点作为跟踪学生前端设备，通过GPS或北斗卫星获取学生定位信息，还通过机器学习算法来学习日常出行轨迹，当存在安全风险时，定位节点的位置判定使用位移采样定时器，每60秒读取一次GPS数据并与前一次定位坐标点进行对比，当坐标点差值超过规定阈值，则认为学生发生移动，定位节点上报位移发生通知，控制中心将会发送学生移动提示短信给用户。本发明使用NB‑IoT以解决原先技术室内无法定位、高设备成本、高设备功耗、电池续航时间短、基站受限的问题，并通过机器学习算法来学习学生行动，用于节能；学习出行轨迹，用于增强对学生的安全防护。

Description

基于NB-IoT的校徽定位系统
技术领域
本发明涉及一种基于NB-IoT的校徽定位系统，属于基于蜂窝网络的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)的学生安全防护装置。
背景技术
近年来，随着教育事业的不断深化与发展，校园安全管理问题越发突出，校内外欺凌、拐卖儿童、儿童走失、儿童溺水等事件频发。为此，国务院、教育部门、公安部门等高度重视，相继制定与出台一系列政策文件加强校园安全管理，为建设“平安校园”提供强有力的支撑。
儿童上下学走失案件频发；家校沟通不及时，老师工作量大；学生学习成长自我管理意识薄弱。这些问题的存在导致构建校园安防、信息管理、学习管理三合一平台迫在眉睫。
基于NB-IoT的校徽定位系统利用最新NB-IoT技术，并结合移动互联APP，来解决儿童安全隐患、家校沟通障碍、和学生学习成长三大问题。
现有市场上最流行的定位服务装置通过GPS加GPRS的方式实现，其特点是一旦家长发现学生走丢，即可通过手机APP快速定位学生当前所在位置信息。但是，该装置存在的问题是由于GPRS功耗较高，电池供电一般只能使用一周到半个月时间，需要频繁更换电池，根本无法满足长期连续使用的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种新型校徽定位系统，并配备了双向定向通话、一键求救报警、安全定位查询、历史移动轨迹、电子围栏预警、远程声音监控、一卡通的功能。
同时使用NB-IoT以解决原先技术室内无法定位，高设备成本，高设备功耗，电池续航时间短，基站受限的问题。并通过机器学习算法分析学生的移动规律，以此来调整NB-IoT设备的工作参数，来达到节能的效果；通过机器学习分析学生的移动数据，识别出异常轨迹数据，达到安全防护的效果。本产品可以及时获取学生安全信息；时刻关注学生学习成绩；随时查看学生在校信息；根据路线的异常情况来给家长及家长发送定位坐标和可能出现的问题，在紧急情况下可使用一键报警功能，向警方提供预留信息及最后坐标移动轨迹。
本发明所采用的技术方案是：
通过GPS或北斗卫星追踪学生位置信息，并通过NB-IoT上报给控制中心的系统，进而转发给用户APP并显示，包括定位节点，节点通信管理软件，数据解析存储软件和用户APP。
1.采用蜂窝网络的窄带物联网(NB-IoT)。
(1)使用定位节点作为跟踪学生前端设备，通过GPS或北斗卫星获取学生前端位置，然后通过NB-IoT网络上报数据库。
(2)使用NB-IoT API接口批量管理设备，POST控制NB-IoT，GET轮询获取数据。
(3)NB-IoT通信模块完成位置采样数据上报和频率控制指令的下发。
2.保护状态的位置判定使用位移采样定时器，每60秒读取一次GPS数据并与前一次定位坐标点进行对比。
3.云端通知。定位节点的信息将全部上报云端，即时发送提醒短信给用户。
4.用户APP分为安卓和IOS，包含功能为：注册/登陆、双向定向通话、一键求救报警、安全定位查询、历史移动轨迹、电子围栏预警、远程声音监控、一卡通。
(1)数据库负责储存真实照片、手机号、密码、真实姓名、学号、身份证号、学校、班级以及备注，转存NB-IoT服务器上的历史数据。
(2)由于数据量大，并发性、稳定性、鲁棒性要求高，因此将使用FLINK作为大数据框架以及HBASE作为数据库。
(3)数据接入将使用GO语言。
(4)后端使用JAVA、GO。
(5)前端将使用BOOPSTRAP、JQUERY。
5.智能节能。通过机器学习算法分析用户学生使用的规律，以此来调整设备的工作参数，来达到节能的效果。设备耗能主要在两个地方，一个是定位节点要定时向服务器发送定位信息，此外，为了能接受到用户的控制信息，设备需要以一定的频率保持监听状态，但是实际中设备并不需要一直发送数据和监听的，当学生处于上课状态的时候并不需要安全防护，因此如果知道了学生的移动规律，用户就可以在使用的时候减低数据的发送和监听频率，达到节能的目的。
6.智能安全防护。通过机器学习分析学生的移动轨迹数据，识别出异常轨迹数据，当检测到异常轨迹数据时警告用户，达到安全防护的效果。学生的移动一般是有规律的，走的路径往往也是比较固定的。因此，可以使用机器学习算法学习学生每天出行轨迹的规律，再和实际的出行轨迹进行对比识别，辨别出异常的出行轨迹数据，以此来判断用户的学生是否处于安全路线中，如果某一天学生的出行轨迹突然偏移正常轨迹且不存在学校活动，那就有可能存在安全隐患。
与现有发明相比，本发明的有益效果是：
①采用NB-IoT技术，NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。
NB-IoT具备四大特点：
1)是广覆盖，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。
2)是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。
3)是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。
②节点轻薄。定位节点采用电池供电，配合NB-IoT低功耗功能，可以满足用户正常使用一年时间，且厚度比iPhone还薄。
③在线监控。NB-IoT设备把数据实时传输到云端，家长以及老师通过Web端和APP端可方便地追踪学生的位置，并且可以一键开启语音录音、通话功能，了解学生周围的声音信息。同时提供一键报警功能，自动发动预置信息和近期轨迹移动情况给家长以及老师。
④功能强大。定位节点为上层提供丰富的控制和采集接口，方便实现双向定向通话、一键求救报警、安全定位查询、历史移动轨迹、电子围栏预警、远程声音监控、一卡通等功能。
⑤智能节能。通过机器学习算法了解学生日常活动的习惯，根据学生的日常活动的剧烈程度来调节各种设备的运行参数，进一步降低能耗，从而到达续航更持久的效果。
⑥智能安全防护。通过电子围栏功能，当学生离开围栏范围时，用户可以及时的收到短信通知，通过查询学生当前的位置判断学生是否安全。此外还可以通过机器学习算法分析学生的行动轨迹，当检测出异常轨迹数据后，用户也可以通过该路线判断学生是否安全。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为注册用户信息图；
图3为节点上报位置信息图。
具体实施方式
下面结合图1对发明进行进一步的描述。
过程一：将定位节点安装在校徽之中，确认电量充足。
过程二：下载APP(分为安卓和IOS)，并进行注册。注册信息包含真实照片、手机号、密码、真实姓名、学号、身份证号、学校、班级以及备注。其中客户端会将头像先处理为1寸证件照，之后用户可以自行更新个人照片。手机号和密码为登录使用。真实姓名、学号、身份证号用于更好的识别用户身份。学校、班级同于更好的确定负责家长或者其他工作人员，加强家长与学校的联系。备注用于存放其他信息，见图2。
过程三：家长确认学生佩戴好校徽，并完成注册后即可打开手机查看学生位置信息。
1)定位节点实时更新学生的位置信息。
2)定位节点提供采样频率修改接口，用于智能管理业务模块随时根据学生课程与活动安排修改下次上报时间，从而改变其上报频率。
3)学生位置偏移正常轨迹将自动发送提醒短信给家长以及老师，并且校徽配有一键报警功能，一按即可自动向家长和警局发送预置信息以及近期移动轨迹。
4)智能管理业务模块将会把每次上报信息存储到数据库中，从而方便后期位置信息分析和整理。同时，整个系统追踪的学生移动轨迹，都将保存到对应数据库方便管理者随时调用分析；见图3。
过程四：本产品提供双向定向通信功能。当用户需要使用该功能时，需要在离开学生时在APP中配置可通信手机号。
1)用户开启功能后，定位节点将开启通话功能并仅允许可通信手机号进行通话、监控声音、录音等功能。
2)当关闭该功能的时候，节点将禁止除警局以外的任何人进行通信和录音。
过程五：本产品提供报警模式。家长和学生可通过按压报警按钮进行一键报警。定位节点在接收到报警请求之后会进入报警状态。一旦进入报警状态，定位节点就会每30秒上传一次位置信息，并且自动向家长和警局发送预置信息以及近期移动轨迹。
过程六：本产品提供电子围栏功能。当学生离开设防区域时，云端将通过短信通知用户学生已离开设防区域。
过程七：本产品通过日程预设和机器学习算法来学习学生使用规律，用于节能。首先，智能节能模块从数据库中收集学生的历史数据，具体为时间和经纬度数据，然后根据经纬度求出对应时间的速度，根据速度大小就可以判断学生处于何种状态，然后使用机器学习算法去学习这些时间-速度数据，得出学生的移动规律，智能节能模块根据机器学习的得到的学生移动规律来对定位节点的发送和监听频率等设备参数进行调节，最终达到节能的效果。
过程八：本产品通过机器学习算法来学习移动轨迹，用于增强安全防护。首先，智能安全防护模块从数据库中收集学生的历史数据，具体为时间和经纬度数据。然后对数据进行处理，为了保证预测准确性，这里我们使用了两种方式混合使用来预测，第一种：直接使用经纬度，用机器学习算法对经纬度进行学习预测；第二种：以一天为间隔，将学生每天的出行轨迹数据转换成出行轨迹图片，再使用机器学习算法对时间-图片序列进行预测，可预测得未来的出行轨迹图。智能安全防护模块根据上面两种方式预测到的学生出行轨迹和学生实际的出行轨迹进行对比，检测是否有异常的移动轨迹数据，当发现实际的出行轨迹不符合以往的规律时，就发送警告信息告知家长。

Claims (9)

1.基于NB-IoT的校徽定位系统，通过GPS或北斗卫星追踪学生位置信息，并通过NB-IoT上报给控制中心，进而转发给用户APP显示，包括定位节点，节点通信管理软件，数据解析存储软件和用户APP；其特征在于：
该系统使用定位节点作为跟踪学生前端设备，将定位节点放置在校徽内，通过GPS或北斗卫星获取学生前端位置，使用NB-IoTAPI接口批量管理设备，POST控制NB-IoT，GET轮询获取数据；NB-IoT通信模块完成位置采样数据上报和频率控制指令的下发；还通过机器学习算法来学习学生日常出行轨迹，如果某一天学生的出行轨迹偏离了安全线，那就有存在安全隐患，当存在该风险时，定位节点的位置判定使用位移采样定时器，每60秒读取一次GPS数据并与前一次定位坐标点进行对比，当坐标点差值超过规定阈值，则认为学生发生移动，定位节点上报位移发生通知，控制中心将会发送学生移动提示短信给用户。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的校徽定位系统，其特征在于：所述的用户APP的注册信息包括照片、手机号、密码、真实姓名、学号、身份证号、学校、班级以及备注。
3.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的校徽定位系统，其特征在于：所述控制中心的智能管理业务模块会把每次上报信息存储到数据库中，从而方便后期位置信息分析和整理；同时，对于整个系统追踪学生的移动轨迹，都将保存到对应数据库，方便管理者随时进行监管。
4.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的校徽定位系统，其特征在于：用户通过所述的用户APP一键开启语音录音、通话功能，了解学生周围的声音信息；同时提供一键报警功能，自动发动预置信息和近期轨迹移动情况给家长以及老师。
5.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的校徽定位系统，其特征在于：还提供电子围栏功能，当学生离开设防区域时，控制中心将通过短信通知用户学生已离开设防区域。
6.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的校徽定位系统，其特征在于：所述的机器学习算法分析学生移动的规律，用于调整NB-IoT设备的工作参数，达到节能的效果。
7.根据权利要求3所述的基于NB-IoT的校徽定位系统，其特征在于：所述的机器学习分析学生的历史移动轨迹数据，识别出异常轨迹数据，当检测到异常轨迹数据时警告用户，达到安全防护的效果。
8.根据权利要求3所述的基于NB-IoT的校徽定位系统，其特征在于：由于所述的系统数据量大，并发性、稳定性、鲁棒性要求高，因此将使用FLINK框架以及HBASE作为数据库；硬件对接语言将使用GO语言；后端使用JAVA、GO；前端将使用BOOPSTRAP、JQUERY。
9.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的校徽定位系统，其特征在于：所述的定位节点为上层提供丰富的控制和采集接口，方便实现双向定向通话、一键求救报警、安全定位查询、历史移动轨迹、电子围栏预警、远程声音监控、一卡通功能。
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