家庭安全相册（三）- Tinkernode · 实时位置跟踪

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家庭安全相册（四）- 手机端（监护人））

开发板简介物联网与NB-IoT简介

物联网（The Internet of things，IoT）顾名思义，就是物与物相连的互联网。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是物联网领域一个新兴的技术，主要用于低移动性、小数据量、对时延不敏感的连接服务，其支持低功耗设备在网络中的数据传输，因此也是一种低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）通信技术。相对于被逐渐淘汰的2G通信，NB-IoT具有三大优势：

大连接：海量链接的能力，在同一基站的情况下， NB-IoT 可以比现有无线技术提供 50~100 倍的接入数。一个扇区能够支持，10 万个连接，设备成本与功耗有效降低，网络架构得到优化。

广覆盖：在同样的频段下， NB-IoT比现有的网络增益提升了 20 dB，相当于提升了 100 倍的覆盖面积。

低功耗：NB-IoT借助 PSM（Power Saving Mode，节电模式）和 eDRX（Extended Discontinuous Reception，超长非连续接收）可实现更长待机。

特色：TinkerNode NB-IoT物联网开发板具有：NB-IoT全网通、GPS/北斗双星精确定位、全方位电源管理、太阳能供电、WiFi+蓝牙4.0二合一EPS32主控、微型U盘等六大特色功能，全方位覆盖物联网项目中的各类需要。

材料清单：1x ThinkerNode NB-loT 物联网开发版

Tinkernode接口说明

Tinkernode在本项目的作用

因为Tinkernode搭载了北斗和GPS模块，同时有具有窄带物联网的功能。因此对于无法携带手机进校园的中小学生来说，可以作为可穿戴设备携带（如腕带），走到哪里，通过卫星实时获得的位置信息就可以随时发送出去。

但是经过我的数次尝试，随Tinkernode购买附送的联通NB IoT卡信号不好，打过客服的电话，了解到在深圳自己常呆的地方信号都不太好，“很少有绿色，基本都是灰色的”。因此无法通过sim卡将信息发送出来。所以只能通过Tinkernode的wifi功能连接手机热点将信息发送。后面可以尝试购买其他网络运营商的NB IoT卡来看看网络效果。

因为正值暑假，手头材料有限，只能裸机展示。

步骤1: 接线

接天线

GSM天线插在板子的NB孔上，GPS/BeiDou陶瓷有源天线连接在开发板背面标有GNSS的u.FL天线连接孔上。这两个孔都非常小，一定要对准才能插的上去。
说明：如果不需要用到NBIoT，可以不用接GSM天线。

接电池

Tinkernode有一个3.7V锂电池接口，可以接上3.7V的锂电池，带电状态下是给锂电池充电，此时板子上的CHG灯亮红色，脱机运行时可由接在电池接口上的锂电池供电。

注意事项：

GPS/BeiDou陶瓷有源天线的陶瓷面应该面向天空，尽可能在室外使用，否则无法获取有效的定位信息。
某天晚上在学校测试，当时在空旷的走廊上都没有任何卫星信号，索性抱着手提电脑到操场上绕了一圈，虽然NBIoT仍然没有信号，但是能看到的卫星一下子多了起来。如下图，能够看到20颗卫星，GPS9颗，北斗11颗，一共19颗卫星被用到。需要提醒的是北京在东8区，Tinkernode返回的时间需要加上8小时，实际时间是21点41分多。

步骤2: 编写程序

使用合适的示例程序

本项目只需要实时的经纬度数据，在Tinkernode示例程序中的GNSS（全球导航卫星系统）中有多个示例程序，我们要弄清楚它们代表的是什么意思。

上图中的GGA、GSA、GSV、RMC、VTG、GLL等是常见的GPS数据协议格式，我们只有理解了这些数据格式，才能对数据进行解析并找到我们需要的数据。
比如GGA返回的数据为：

//$GNGGA,023100.000,2240.63547,N,11403.56956,E,1,22,0.7,230.0,M,0.0,M,,*7D

这些数据代表的含义如下，我们可以根据自己的需要来解析相应字段的数据。

代码：

//$GNGGA,023100.000,2240.63547,N,11403.56956,E,1,22,0.7,230.0,M,0.0,M,,*7D
字段0：$GPGGA，语句ID，表明该语句为Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息
字段1：UTC 时间，hhmmss.sss，时分秒格式
字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）
字段3：纬度N（北纬）或S（南纬）
字段4：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）
字段5：经度E（东经）或W（西经）
字段6：GPS状态，0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，3=无效PPS，6=正在估算
字段7：正在使用的卫星数量（00 - 12）（前导位数不足则补0）
字段8：HDOP水平精度因子（0.5 - 99.9）
字段9：海拔高度（-9999.9 - 99999.9）
字段10：M
字段11：地球椭球面相对大地水准面的高度
字段12：M
字段13：差分修正的数据龄期
字段14：差分参考站的ID
字段15：CRC
字段16：回车换行
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GNSS示例程序

本项目中，我们只需要经纬度信息（及时间信息），几乎所有示例程序我们都可以使用，这里我们使用GNSS示例程序，它返回的有时间信息、位置信息和卫星信息。

代码：

/*!
 * @file getGNSS.ino
 * @brief Print all the GNSS info available in BC20.
 *
 * @copyright   Copyright (c) 2010 DFRobot Co.Ltd (http://www.dfrobot.com)
 * @licence     The MIT License (MIT)
 * @author      Wuxiao
 * @version  V1.0
 * @date  2019-10-29
 * @get from https://www.dfrobot.com
 */
#include "DFRobot_BC20.h"
DFRobot_BC20 myBC20;

void Display_Location_Information(){

    //UTC time of the anchor point
    Serial.print("Time:\t\t");
    Serial.print(sCLK.Year);
    Serial.print("/");
    Serial.printf("d",sCLK.Month);
    Serial.print("/");
    Serial.printf("d ",sCLK.Day);
    Serial.printf(" d",sCLK.Hour);
    Serial.printf(":d",sCLK.Minute);
    Serial.printf(":d\r\n",sCLK.Second);

    Serial.print("Latitude:\t");
    Serial.print(sGGNS.LatitudeVal,6);
    Serial.print(" deg ");
    Serial.println(sRMC.LatitudeDir);
    Serial.print("Longitude:\t");
    Serial.print(sGGNS.LongitudeVal,6);
    Serial.print(" deg ");
    Serial.println(sRMC.LongitudeDir);
    Serial.print("Altitude:\t");
    Serial.print(sGGNS.Altitude,1);
    Serial.println(" m");
    Serial.print("Speed:\t\t");
    Serial.print(sGGNS.Speed);
    Serial.println(" km/h");
    Serial.print("Heading:\t");
    Serial.print(sGGNS.Heading);
    Serial.println(" deg");
    Serial.print("Status:\t\t");
    Serial.println(sGGNS.FixStatus);
    Serial.print("PDOP:\t\t");
    Serial.println(sGGNS.PDOP);
    Serial.print("HDOP:\t\t");
    Serial.println(sGGNS.HDOP);
    Serial.print("VDOP:\t\t");
    Serial.println(sGGNS.VDOP);
    Serial.println();
}

void Display_Satellite_Information(){
    Serial.print(sSAT.NUM);
    Serial.println(" in view.");
    Serial.print(sSAT.USE);
    Serial.println(" in used.");
    Serial.print("PRN\t");
    Serial.print("Elev(deg)\t");
    Serial.print("Azim(deg)\t");
    Serial.print("SNR(dBHz)\t");
    Serial.print("SYS\t");
    Serial.println("Used");
    for(uint8_t i = 0; i <sSAT.NUM; i++){
        Serial.print(sSAT.data[i].PRN);
        Serial.print("\t");
        Serial.print(sSAT.data[i].Elev);
        Serial.print("\t\t");
        Serial.print(sSAT.data[i].Azim);
        Serial.print("\t\t");
        Serial.print(sSAT.data[i].SNR);
        Serial.print("\t\t");
        Serial.print(sSAT.data[i].SYS);
        Serial.print("\t");
        Serial.println(sSAT.data[i].Status);
    }
}

void setup(){
    Serial.begin(115200);
    Serial.print("Starting the BC20.Please wait. . . ");
    while(!myBC20.powerOn()){
        delay(1000);
        Serial.print(".");
    }
    Serial.println("BC20 started successfully !");
    Serial.println("check OK");
    if(myBC20.getQGNSSC() == OFF){
        Serial.println("open QGNSSC");
        myBC20.setQGNSSC(ON);
    }
}

void loop(){
    delay(5000);
    myBC20.getQGNSSRD();
    Display_Location_Information();
    Display_Satellite_Information();
}
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改写程序

因为我们使用wifi来进行MQTT连接并发布消息，所以需要添加wifi头文件。

虽然使用Tinkernode发送消息没有20个字符的限制（如下图是在EasyIoT上接收到的Tinkernode发送的消息），但是由于我们在行空板已经进行了数据格式的定义，所以在Tinkernode端我们也需要对经纬度进行编码。即经度、纬度加上100再乘以10的6次方，连同家庭成员ID一起发送。

进行编码后再发送的经纬度消息：

使用相同的经纬度数据，家庭成员ID在1~6中随机产生。

头文件

代码：

#include "DFRobot_BC20.h"
#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include "DFRobot_Iot.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
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配置wifi

代码：

/*配置WIFI名和密码*/
const char * WIFI_SSID     = "";        //填入WiFi SSID
const char * WIFI_PASSWORD = "";        //填入WiFi 密码
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配置MQTT参数

代码：

*配置设备的认证信息*/
String Iot_id = "";                        //填入Iot_id
String Client_ID  = "";                        //任意数值，用于区分不同设备
String Iot_pwd    = "";                    //填入Iot_pwd

/*配置IoT云平台的IP地址和端口号*/
String EasyIot_SERVER = "182.254.130.180";
uint16_t PORT = 1883;

/*配置要推送（Publish）或订阅（Subscribe）的topic*/
const char * pubTopic = "";                //填入发布消息的Topic
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定义变量

代码：

/*位置信息变量*/
float Latitude; /* 经度原始值*/
float Longitude; /* 纬度原始值*/
int Latitude_int; /* 经度转换为整数值*/
int Longitude_int; /* 纬度转换为整数值*/

int id; /*家庭成员ID号，1:爸爸, 2: 妈妈, 3：爷爷, 4：奶奶, 5: 大宝, 6: 小宝*/
String str; /*存放待发送的MQTT消息：ID号，转换为整数的经纬度值*/
String str1; /*存放转换为字符串的原始的经度*/
String str2; /*存放转换为字符串的原始的纬度*/
String joint; /*用于合并信息发送*/
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连接wifi

代码：

/*连接WiFi*/
void connectWiFi() {
  WiFi.disconnect();
  delay(100);
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(WIFI_SSID);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println();
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.print("IP Adderss: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}
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连接到IoT云服务器

代码：

/*连接到IoT云服务器*/
void ConnectCloud() {
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    if (client.connect(myEasyIoT._clientId, myEasyIoT._username, myEasyIoT._password)) {
      Serial.println("Connect Server OK");
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println(" Try again in 5 seconds");
      delay(5000);
    }
  }
}
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对经纬度进行编码

由于需要在空旷的地方才能获得卫星信号并传回经纬度信息，为了方便展示，这里我们使用固定数值来演示。只要程序能够测试通过，等实际使用时效果是完全一样的。

为了能够在20位以内的字符将信息完整的发送出去，我们仍然要对经纬度进行适当的编码。经度、纬度加上100后再乘以10的6次方转换为整数，前面拼接上ID发送到行空板，行空板再进行解码即可获得原始的经纬度数据。

代码：

/*显示位置信息*/
void Display_Location_Information(){

    Serial.print("Latitude:\t");
    Serial.print(sGGNS.LatitudeVal,6);
    Serial.print(" deg ");
    Serial.println(sRMC.LatitudeDir);
    //Latitude = sGGNS.LatitudeVal;
    Latitude = 22.70537;
    Serial.print("Longitude:\t");
    Serial.print(sGGNS.LongitudeVal,6);
    Serial.print(" deg ");
    Serial.println(sRMC.LongitudeDir);
    //Longitude = sGGNS.LongitudeVal;
    Longitude = 114.2185209;
    str1 = String(Longitude,6);
    str2 = String(Latitude,6);
    Longitude_int = (Longitude+100) * pow(10,6); /* 将经度编码，加100后转换为整数*/
    Latitude_int = (Latitude+100) * pow(10,6); /* 将纬度编码，加100后转换为整数*/
    str = (String(rand()%6+1)) + String(Longitude_int) + String(Latitude_int); /* 将随机生成的id号和经度纬度拼接*/
}
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setup函数

代码：

void setup(){
    Serial.begin(115200);

    /*连接WIFI*/
    connectWiFi();

    /*配置需要连接的IoT云服务器（Easy-IoT）*/
    myEasyIoT.init(EasyIot_SERVER, Iot_id, Client_ID, Iot_pwd);
    client.setServer(myEasyIoT._mqttServer, PORT);

    /*连接到Easy-IoT*/
    ConnectCloud();

    /*启动BC20*/
    Serial.print("Starting the BC20.Please wait. . . ");
    while(!myBC20.powerOn()){
        delay(1000);
        Serial.print(".");
    }
    Serial.println("BC20 started successfully !");
    Serial.println("check OK");
    if(myBC20.getQGNSSC() == OFF){
        Serial.println("open QGNSSC");
        myBC20.setQGNSSC(ON);
    }
}
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loop函数

代码：

void loop(){
    delay(5000);
    myBC20.getQGNSSRD();
    Display_Location_Information();
    // Display_Satellite_Information();

    /*IoT云服务器断线重连*/
    if (!client.connected()) {
      ConnectCloud();
    }
    client.loop();

    /*每隔一段时间向Easy-IoT发送消息*/
    Serial.println("Sending message to cloud...");
    joint = String("Latitude:") + str1 + String("   Longitude:" )+ String(str2);
    Serial.println(joint); //将经度和纬度合并一起打印
    client.publish(pubTopic, str.c_str()); //将字符串str转换为publish支持的格式：const char*
    Serial.println("Message is sent.");
    delay(10000);
}
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完整的程序：

代码：

#include "DFRobot_BC20.h"
#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include "DFRobot_Iot.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

/*配置WIFI名和密码*/
const char * WIFI_SSID     = "";        //填入WiFi SSID
const char * WIFI_PASSWORD = "";        //填入WiFi 密码

/*配置设备的认证信息*/
String Iot_id = "S1ZmZq37SX";                        //填入Iot_id
String Client_ID  = "12345";                        //任意数值，用于区分不同设备
String Iot_pwd    = "SkGQ-937Hm";                    //填入Iot_pwd

/*配置IoT云平台的IP地址和端口号*/
String EasyIot_SERVER = "182.254.130.180";
uint16_t PORT = 1883;

/*配置要推送（Publish）或订阅（Subscribe）的topic*/
const char * pubTopic = "";                //填入Topic

/*位置信息变量*/
float Latitude; /* 经度原始值*/
float Longitude; /* 纬度原始值*/
int Latitude_int; /* 经度转换为整数值*/
int Longitude_int; /* 纬度转换为整数值*/
int id; /*家庭成员ID号，1:爸爸, 2: 妈妈, 3：爷爷, 4：奶奶, 5: 大宝, 6: 小宝*/
String str; /*存放待发送的MQTT消息：ID号，转换为整数的经纬度值*/
String str1; /*存放转换为字符串的原始的经度*/
String str2; /*存放转换为字符串的原始的纬度*/
String joint; /*用于合并信息发送*/

DFRobot_Iot myEasyIoT;
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);
DFRobot_BC20 myBC20;

/*连接WiFi*/
void connectWiFi() {
  WiFi.disconnect();
  delay(100);
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(WIFI_SSID);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println();
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.print("IP Adderss: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

/*连接到IoT云服务器*/
void ConnectCloud() {
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    if (client.connect(myEasyIoT._clientId, myEasyIoT._username, myEasyIoT._password)) {
      Serial.println("Connect Server OK");
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println(" Try again in 5 seconds");
      delay(5000);
    }
  }
}

/*显示位置信息*/
void Display_Location_Information(){

    //UTC time of the anchor point

    Serial.print("Latitude:\t");
    Serial.print(sGGNS.LatitudeVal,6);
    Serial.print(" deg ");
    Serial.println(sRMC.LatitudeDir);
    //Latitude = sGGNS.LatitudeVal;
    Latitude = 22.70537;
    Serial.print("Longitude:\t");
    Serial.print(sGGNS.LongitudeVal,6);
    Serial.print(" deg ");
    Serial.println(sRMC.LongitudeDir);
    //Longitude = sGGNS.LongitudeVal;
    Longitude = 114.2185209;
    str1 = String(Longitude,6);
    str2 = String(Latitude,6);
    Longitude_int = (Longitude+100) * pow(10,6); /* 将经度加100后转换为整数*/
    Latitude_int = (Latitude+100) * pow(10,6); /* 将纬度加100后转换为整数*/
    str = (String(rand()%6+1)) + String(Longitude_int) + String(Latitude_int); /* 将随机生成的id号和经度纬度拼接*/
}

void setup(){
    Serial.begin(115200);

    /*连接WIFI*/
    connectWiFi();

    /*配置需要连接的IoT云服务器（Easy-IoT）*/
    myEasyIoT.init(EasyIot_SERVER, Iot_id, Client_ID, Iot_pwd);
    client.setServer(myEasyIoT._mqttServer, PORT);

    /*连接到Easy-IoT*/
    ConnectCloud();

    /*启动BC20*/
    Serial.print("Starting the BC20.Please wait. . . ");
    while(!myBC20.powerOn()){
        delay(1000);
        Serial.print(".");
    }
    Serial.println("BC20 started successfully !");
    Serial.println("check OK");
    if(myBC20.getQGNSSC() == OFF){
        Serial.println("open QGNSSC");
        myBC20.setQGNSSC(ON);
    }
}

void loop(){
    delay(5000);
    myBC20.getQGNSSRD();
    Display_Location_Information();
    // Display_Satellite_Information();

    /*IoT云服务器断线重连*/
    if (!client.connected()) {
      ConnectCloud();
    }
    client.loop();

    /*每隔一段时间向Easy-IoT发送消息*/
    Serial.println("Sending message to cloud...");
    joint = String("Latitude:") + str1 + String("   Longitude:" )+ String(str2);
    Serial.println(joint); //将经度和纬度合并一起打印
    client.publish(pubTopic, str.c_str()); //将字符串str转换为publish支持的格式：const char*
    Serial.println("Message is sent.");
    delay(10000);
}
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演示视频：

链接：https://www.bilibili.com/video/BV1hd4y1D7fo

家庭安全相册（三）-Tinkernode