基于低功耗藍(lán)牙的物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王健文+王子威+陳詩超

摘 要：為解決當(dāng)前室內(nèi)定位以及定向信息推送等問題，文中設(shè)計(jì)了一種藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，利用低功耗藍(lán)牙的能耗低、信號(hào)覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，通過將多個(gè)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)分布在室內(nèi)以一定的時(shí)間間隔發(fā)送特定的數(shù)據(jù)包進(jìn)行廣播，Android端手機(jī)走近藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)時(shí)，App接收數(shù)據(jù)包對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分辨，檢測RSSI值計(jì)算出與節(jié)點(diǎn)的距離，可以實(shí)現(xiàn)在走近某一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)接收到該節(jié)點(diǎn)所設(shè)置推送的信息，并且用戶可獲知其當(dāng)前所在位置，實(shí)現(xiàn)簡單的室內(nèi)定位。文中主要闡述了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及其在航站樓的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航站樓；藍(lán)牙；室內(nèi)定位；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TN926+.22；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）02-00-02

0 引 言

隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)運(yùn)行節(jié)奏加快，人們更傾向于選擇高效的出行方式，而飛機(jī)就是其中之一。近年來，全國各地機(jī)場的吞吐量不斷增長，導(dǎo)致航站樓面積過大，而GPS全球定位系統(tǒng)在室內(nèi)感測不到衛(wèi)星信號(hào)無法進(jìn)行室內(nèi)定位等問題出現(xiàn)。本項(xiàng)目旨在解決大型室內(nèi)公共場所的導(dǎo)航問題，通過部署低功耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)向用戶推送信息并提供室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)。

1 低功耗藍(lán)牙技術(shù)

低耗能技術(shù)是藍(lán)牙4.0版本新提出的一種技術(shù)，瞄準(zhǔn)了物聯(lián)網(wǎng)方向的應(yīng)用，與之前的藍(lán)牙技術(shù)相比，耗能減少了90%。在市場中占有率極高的Android從4.3系統(tǒng)發(fā)布開始正式支持藍(lán)牙4.0。相對(duì)于藍(lán)牙2.1或者藍(lán)牙3.0等傳統(tǒng)藍(lán)牙的高耗電性，藍(lán)牙4.0功耗極低，一粒紐扣電池可以供設(shè)備連續(xù)工作一年[1]。且憑借其較遠(yuǎn)的傳輸距離，相對(duì)于其它藍(lán)牙技術(shù)，低耗能藍(lán)牙在物聯(lián)網(wǎng)中有著不可比擬的優(yōu)勢，具有低成本，低能耗，連接方便、安全等特點(diǎn)[2]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件功能

該系統(tǒng)在室內(nèi)布設(shè)多個(gè)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)，每個(gè)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)硬件會(huì)廣播含有自己特定的128位通用唯一設(shè)備識(shí)別碼（UUID）以及16位由Major和Minor標(biāo)志符所組成的數(shù)據(jù)包。智能終端通過接收數(shù)據(jù)包，讀取設(shè)備識(shí)別碼和標(biāo)志符來識(shí)別廣播信息的藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)ID，并通過檢測RSSI信號(hào)值計(jì)算出與節(jié)點(diǎn)的距離，以確定智能終端的位置。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。本系統(tǒng)選用北歐半導(dǎo)體Nordic Semiconductor公司生產(chǎn)的nRF51822-QFAA藍(lán)牙芯片，該芯片具有高效、低功耗的特點(diǎn)，工作在2.4 GHz頻段，支持藍(lán)牙4.0，最高傳輸速率可達(dá)2 Mb/s，傳輸距離可達(dá)10米。芯片基于32位ARM Cortex M0 CPU內(nèi)核，有256 KB Flash和16 KB RAM，正常工作電壓在1.8～3.6 V之間。因此電源使用了電壓為3 V的CR2032紐扣電池為設(shè)備供電。硬件實(shí)物如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 概述

軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是Android手機(jī)端的App設(shè)計(jì)，將藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)分布在各處，通過藍(lán)牙硬件布點(diǎn)完成組網(wǎng)，當(dāng)用戶走近不同的藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)時(shí)，Android手機(jī)端App將推送不同的網(wǎng)頁地址及位置信息。另一部分為網(wǎng)頁端設(shè)計(jì)，用戶可單擊推送信息中的網(wǎng)頁鏈接，通過移動(dòng)數(shù)據(jù)或無線網(wǎng)絡(luò)WiFi獲取推送信息。推動(dòng)的信息可以在網(wǎng)頁后臺(tái)輕松更改。

3.2 軟件功能

藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。軟件界面如圖4所示。在Android智能終端中打開App，軟件會(huì)提示應(yīng)用嘗試打開藍(lán)牙，用戶允許開啟藍(lán)牙后，通過右下角的添加按鈕能夠搜索節(jié)點(diǎn)信息。當(dāng)用戶走近某一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，App周期性檢測藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI），可大致計(jì)算出藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)與用戶之間的距離，系統(tǒng)可以設(shè)定一個(gè)觸發(fā)距離，例如設(shè)定觸發(fā)距離為0.2 m，當(dāng)用戶與節(jié)點(diǎn)之間的距離小于或等于0.2 m時(shí)，App即對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的信息及定位信息進(jìn)行推送，方便用戶尋找當(dāng)前所在位置及選擇目的地進(jìn)行導(dǎo)航。同時(shí)用戶還可以在單擊鏈接打開的網(wǎng)頁中單擊“回到主頁”按鈕，進(jìn)入航班信息搜索頁面，尋找自己的航班信息。

低功耗藍(lán)牙雖然功率小但傳輸速率較低，因此借助如今已十分發(fā)達(dá)，且傳輸速率快的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。采用將藍(lán)牙和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式推送信息，能提高信息的傳輸量和傳輸速率，更好地實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。且由于向用戶推送的信息存在網(wǎng)頁上，可方便的在網(wǎng)頁后臺(tái)更改，因此不需要頻繁更新手機(jī)軟件來更新信息。

4 系統(tǒng)測試

藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可行性測試結(jié)果如表1所列。

5 應(yīng)用前景

該藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠幫助機(jī)場工作人員進(jìn)行大范圍的信息推送，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)定位及導(dǎo)航，當(dāng)用戶走近藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)接收到自己的當(dāng)前位置，并可選擇目的地進(jìn)行導(dǎo)航。

該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在航站樓中，還可以用在各商業(yè)大樓、學(xué)校教學(xué)樓、旅游景點(diǎn)等地，跟據(jù)應(yīng)用地不同，功能偏重亦有所不同。

6 結(jié) 語

本文先介紹了低功耗藍(lán)牙功耗低、成本低等特點(diǎn)，而利用低功耗藍(lán)牙芯片搭建的系統(tǒng)可通過檢測RSSI值來判斷用戶和節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)用戶走進(jìn)設(shè)定觸發(fā)距離范圍內(nèi)時(shí)，Android端的App進(jìn)行信息推送并實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，解決了GPS室內(nèi)無法定位的問題，使用戶能更好地享受物聯(lián)網(wǎng)帶來的便利服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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