一种基于NB-IoT的低功耗防走丢定位装置

本发明涉及安全防护设备领域，尤其涉及一种基于nb-iot的低功耗防走丢定位装置。

背景技术：

1、老年人、精神残障人士走失或儿童丢失都是当前社会上一个普遍存在的问题。老年人往往由于记忆力下降、独自出门等原因很容易走丢，精神残障人士缺乏清醒的自我认知和环境认知，如果在外刚好发病可能会导致找不到回家的路或丧失自主意识随意乱走，而儿童由于年纪小没有个人单独的行为能力，容易被社会上的不良分子所拐卖。针对这些易走失人员的安全问题，目前，不少可穿戴设备的定位功能，如一些智能手表智能手机，可以帮助易走失人员进行定位，还可以即时通信功能，是极其有帮助的定位设备。但是，对于儿童、精神残障人士、老年人这些群体，这些可穿戴设备的学习和使用本身就存在诸多困难，尤其是老年人学习新技术的能力和意愿减弱，智能技术更新速度快和社会对老年群体的选择性忽视等原因，一些智能设备如手表手机等并不是一种适合于于解决所有走失问题的有效方法，以至于不少家庭需要监控摄像头帮助，而且这些方法或多或少可能还会对用户的隐私问题产生影响。另一个问题，这些可穿戴设备容易被使用人员遗忘，尤其是上述易走失人群，容易出现忘记携带的问题，所以，需要找到一些易走失人员出门的必需品来解决这个问题，鞋就是其中重要的一个。

2、近年来也有不少关于智能鞋的研究，比如《基于 gps 技术的防走失环保定位鞋》中提到的定位鞋，利用 gps 定位的机制，解决易走失人群出门后的定位问题，但是由于耗电问题，携带的电池续航能力的不足，导致使用非常受限。目前也有利用压力薄膜充电，射频无线电波充电的研究，但是由于鞋底体积和能量收集能力有限，尚不能形成产品。为了解决电池续航能力，在不能及时有效主动充电的形势下，节能就成为主要方式。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出了一种基于nb-iot的低功耗防走丢定位装置，这是一种低功耗，易携带且低成本的物联网通信技术的定位装置，采用节能设计，可以有效的解决上述提出的定位装置收发信号能耗高、内置电池续航能力不足、需要节能的问题。 具体的技术方案如下：

2、一种基于nb-iot的低功耗防走丢定位装置，包括基站和终端，所述终端包括天线和电源，通过所述终端向所述基站发射信息实现所述终端的定位，所述终端应用于鞋子，所述终端还包括控制模块和薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器设置于鞋内，用于采集鞋子不同位置的压力值，所述控制模块设置有所述定位装置的psm周期，并根据压力值分析用户的状态和步频，根据用户的状态判断结果改变向基站发射接收信息的频率，根据用户步频设置psm 周期。

3、本发明采用的nb-iot 基站定位是利用 nb-iot 技术进行设备定位的一种方法，基站通过测量设备信号的接收强度来确定发射信号的设备的位置，根据信号强度的不同，可以粗略地确定设备位置的范围。从而实现信号强度定位（receivedsignal strengthindicator，rssi），信号强度定位在成本、功耗、系统复杂度等方面都具有优势。

4、本发明选择基于 rssi 测距的最大似然估计算法，在 nb-iot环境中，nb-iot位置系统中的云服务器主要负责与位置相关的数据存储与运算，可降低终端设备的开销与能耗。同时，由于众多的参考端点，使得定位系统能够获得更多的有用信息。在此基础上，对基站组进行了优选，从而消除了测量中存在的巨大误差对测量结果的影响，能够参与到对周围环境的计算中，对周围环境的变化进行实时、动态的反应，降低了距离测量的误差。

5、在 nb-iot 基站定位系统中，nb-iot 终端只与基站通信，仅仅用于接收定位辅助测量和上传。因此nb-iot 模块的功耗损失最大部分是消耗在与基站联系的信号发射接收过程，所以要进一步减少功耗，延长电池续航时间，需要降低信号发射强度或者减少发射次数。降低信号发射强度，需要在可以与基站有效通信的前提下，调整强度，其前提的过程就要与基站进行信息交互。进一步降低功耗的方法就是降低 nb-iot 的信号发射接收次数，本发明提出一种发射接收必要性机制，通过传感器的检测来进行判断发射信息的必要性，从而节约能耗。

6、本发明的定位装置包括基站和终端，所述终端应用于鞋子，包括天线、电源、控制模块、薄膜压力传感器，通过所述终端向所述基站发射信息实现所述终端的定位，本发明的控制模块采用opencpu模块，opencpu是一款自带mcu 的 nb-iot 模块，可以同时完成射频天线发射以及传感器信息的处理，无需再增加主控 mcu 进行控制。薄膜压力传感器模块、天线、电源通过 fpc(flexible printed circuit，柔性电路板)排线连接起来。这样设计既方便安装测试，也方便后期局部硬件升级。

7、本发明的薄膜压力传感器，采集的信息为鞋子不同位置的压力值，根据人走路的受压位置情况，可以将薄膜压力传感器设置在鞋子的脚尖和脚跟处，所述控制模块设置有所述定位装置的psm（power saving mode，省电模式）周期，在psm 周期内，控制模块根据压力值分析用户的状态和步频，结合用户所处的位置，根据用户的状态判断结果改变向基站发射接收信息的频率，根据用户步频设置nb-iot 的psm周期。本发明考虑将防走丢定位装置安置在用户的鞋底，选择鞋的原因在于用户经常容易遗忘手机等其他物品，但鞋是必需品。在有限的空间内使用薄膜压力传感器进行必要性机制制定，进行状态及步频的大致估计，由此可以在不同情况改变发射接收频率。

8、进一步地，本发明进一步阐述了所述控制模块根据用户状态判断结果改变向基站发射信息的频率具体方法：为适应不同体重的用户使用，通过薄膜压力传感器采集鞋子内不同位置的压力值，将薄膜压力传感器采集到的所有压力值进行归一化处理，将归一化的压力值分为若干区间档位，通过检测连续时间段内鞋子不同位置的压力值所处的区间档位或区间档位的突变，判断用户状态，进而判断向基站接收发射信息的频率。具体地，对于状态的判断，可以通过检测薄膜压力传感器连续时刻的压力值进行简单的判断，首先需要将薄膜压力传感器的值进行归一化后分为 0-1-2 三档，若检测到连续时刻内，脚尖脚后传感器值一直是 2，则代表此时用户处于长时间站立或坐下状态，再结合此时用户是否处理电子栅栏内，如果处于电子栅栏内，则认为安全，由此可以大大减少发射接收的次数，避免不必要的联系基站；同理若传感器值一直是 0档，则代表此时用户压力传感器值很小，应处于脚悬空的躺下的状态，以及用户处于生活区或者是在某个已知地区活动时，也可以减少收发信息的次数。若传感器检测值从长时间的 2 突变为 0，则可能用户处于从站立状态到跌倒状态的变化，此时，属于紧急事件，需要基站端发送信息给用户的紧急联系人，进行紧急救助。除此之外，当脚尖传感器一直为压力状态，而脚后传感器一直为悬空时，可判断用户正在进行上下楼梯活动，此时同样可以减少发射接收信息的次数，减小不必要的功耗。

9、进一步地，所述控制模块根据用户步频设置nb-iot 的 psm 周期具体为：通过采集连续时间段内同一薄膜压力传感器的受压时刻的时间差值，得到用户行走速度，然后根据用户行走速度设置nb-iot 的 psm 周期。具体地，对于步频的判断，通过检测连续时刻中同一压力传感器的压力时刻的时间差值，得到一个速率值，如一个用户经过 1s 就完成了两次脚后跟传感器的压力时刻，则该用户行走速率为 1s 行走两步，由此将 nb-iot的 psm周期改变至一个对应的值，就极大的减少了不必要的连接过程，降低了损耗的同时也保证能在一定周期内与基站连接。除此之外，还可以通过脚尖脚后两个传感器之间压力时刻的时间差判断出用户为正常成年人还是老年人和儿童，如老年人步伐缓慢，走路的过程中，前脚掌和后脚掌落地的时间差是远大于正常成年人的时间差。一般而言，正常成年人的步频是大于老年人的，而儿童行走的小步快跑的规律也与成年人不同，由步频可确定单位时间内向基站收发信号次数，步频越大，一般运动速度越快，由此单位时间信号收发次数可增加，步频越小，运动速度慢，可减少单位时间信号收发次数。当然，在能够保证老年人和儿童安全的数据分析下，可以在一般情况下适当减小数据的收发次数以达到节能续航的功能要求。当检测出长时间没有任何压力值时，此时让鞋子处于关闭模式，或者设计手动开关。

10、为了提高发射接收必要性策略的准确性，所述定位装置初次使用时需要进行初始检测，得到用户的行走规律，作为低功耗控制过程中所述传感器模块采集信息的参数。在用户刚开始使用装置时，提出一个进行初次使用掌握行走规律的阶段，即在试穿阶段进行较高频率且时间较长的压力检测，通过这个过程，得到用户习惯的行走速度规律，作为低功耗控制过程中所述传感器模块采集信息的基础参数，比如将这个周期运用于后续策略中的压力检测间隔时长，能够降低对压力传感器的采样频率，增加测试的间隔时间。从而可以达到更精准测试压力，判断步态的效果。如一个用户在初始检测的过程中，检测出他的习惯行走速度为 1s单脚行走两步，则可以将其后续的采样频率定为 0.3s 检测一次，此时检测出的压力值能更好地反应用户的行走状况，就能更准确的判断出状态步频，由此也提高了 psm周期改变的准确率，进一步降低功耗。

11、另外，本发明还提出了一种多用户协同策略。通过基站定位，在某些时刻处于某个基站相同功率接收位置的，或者通过基站分析轨迹后预测路径相同的多用户，列成一个多用户协同策略。因此本发明所述定位装置包含多个终端，采用多用户协同机制，将多个终端用户组成多用户协同组，当多用户协同组内的用户失联时，基站向所述多用户协同组内的其他终端用户发送信息，协同寻找。

12、具体本发明的定位装置通过以下方式实现多用户协同功能。

13、多用户协同组内的用户互为紧急联系人，当某一用户不能联系上，手机没带，关机或 是电量消耗完毕等情况下，联络协同组内的其他用户进行寻找。

14、基站接收的多个结点的数据，进行分析，比如功率在同一指标下的运动过程中的结点，按照预测路径进行分组，有助于判断组内成员的相互关系，建立学习型数据库，预测人物关系，方便备用联络机制建立。

15、长期处于相同位置的用户，统一发命令，延长发消息时间间隔，避免无效发送。把群体数据用于个体的控制，基站把这类控制命令在与该用户联系时一并下发，可有效节约接 收能量消耗。这些策略把分析计算等过程交给基站，进一步减少耗能。

16、在此基础上，基站方可以具体分析每位用户的历史数据，得到一个常用轨迹或定位点 作为用户的生活区，设置电子栅栏，在生活区内部时可以适当减小发射频率，当用户离开时发出预警信息给预设紧急联系人，还可以通过多用户协同，联系老年人和儿童相同群组的用户进行访问，尽早找回走失老年人和儿童。进一步地，可以把经常在一起的用户，构建一个社交群组，增进老年人和儿童的外部联系，也有助于社交活动，避免老年人和儿童孤独无交流的情况。

17、由于现有的防走丢定位装置的耗电问题，电池能力不足，导致使用非常受限，此种方式重要的问题就是电池续航能力的不足，而且老年人或儿童会经常忘记充电，因此本发明为解决这一问题，所述定位装置还包括无线充电模块，实现定位装置主动充电。定位装置的电源为锂电池，所述无线充电模块为线圈式无线充电模块。可无线充电模块安置在鞋柜等方便鞋靠近的地方，当用户回到家将鞋子放在鞋柜即可自动进行充电，方便快捷。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、本发明基于nb-iot的信号强度定位（received signal strength indicator，rssi）测距远离，在防走丢定位装置设计发射接收必要性机制，通过压力传感器的检测来判断发射或接收信号的必要性，从而有效降低了防走丢定位装置与基站通信的频率，节约了定位装置收发信号的能耗，延长了电池的续航时间。此外，本发明还采用一种多用户协同策略，实现老年人或儿童走失或定位装置没电的情况下通过多用户协同组的人员共同寻找，大大提高了老年人或儿童失联后寻找的效率，提高了用户安全性，本发明的无线充电设计，实现了防走丢定位装置的主动充电，方便快捷，解决了用户忘记充电造成的不便和不安全隐患问题，进一步提升了用户安全和使用体验。