特殊人員藍(lán)牙室內(nèi)定位智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝堃洋，王艷春，金葉鵬，孫劭業(yè)，劉麗思，周佳霖

特殊人員藍(lán)牙室內(nèi)定位智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝堃洋，王艷春，金葉鵬，孫劭業(yè)，劉麗思，周佳霖

（齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

?針對(duì)特殊人員室內(nèi)定位的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于STM32的特殊人員藍(lán)牙室內(nèi)定位智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．該系統(tǒng)軟硬件相結(jié)合，硬件系統(tǒng)以STM32F103C8T6作為主控芯片，根據(jù)雙藍(lán)牙定位搭載藍(lán)牙模塊，并且通過(guò)蜂鳴器報(bào)警模塊和發(fā)光二極管組成聲光報(bào)警模塊；軟件系統(tǒng)基于Android，用藍(lán)牙連接距離有限的原理，將超出距離時(shí)的警告信息通過(guò)串口傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，方便隨時(shí)調(diào)取用戶定位信息．實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、便捷、成本低，有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值．

STM32；藍(lán)牙模塊；室內(nèi)定位；雙藍(lán)牙

特殊人員藍(lán)牙室內(nèi)定位智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)旨在作為監(jiān)護(hù)人對(duì)特殊人員監(jiān)護(hù)的輔助工具，防止他們?cè)诒O(jiān)護(hù)人不知道的情況下擅自離開(kāi)，采用成本較低的藍(lán)牙手環(huán)技術(shù)，一旦人員超出范圍，快速提示監(jiān)護(hù)人，有效阻止意外發(fā)生，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)的精確化、自動(dòng)化和智能化，減小特殊人員失蹤的可能性．也可作為防范未知風(fēng)險(xiǎn)的輔助工具，幫助監(jiān)護(hù)人或者管理人員加強(qiáng)監(jiān)控，防止發(fā)生危險(xiǎn)，如監(jiān)護(hù)患有疾病人員是否擅自離開(kāi)家；安裝工廠內(nèi)監(jiān)測(cè)工作人員是否擅離崗位；追蹤國(guó)家機(jī)密人員工作時(shí)間是否離開(kāi)范圍；在監(jiān)獄犯人身上安裝以防逃脫；監(jiān)測(cè)工作人員安全，是否靠近危險(xiǎn)區(qū)域并及時(shí)警報(bào)等．

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為主機(jī)（封條部分）、從機(jī)（智能手環(huán)部分）、上位機(jī)3個(gè)部分，系統(tǒng)總體框圖見(jiàn)圖1．

圖1 系統(tǒng)總體框圖

主機(jī)部分采用STM32F103C8T6作為控制核心，通過(guò)HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與從機(jī)部分及上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸．通過(guò)主機(jī)部分的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)從機(jī)部分的遠(yuǎn)程控制，對(duì)手環(huán)的燈光閃爍、報(bào)警等功能進(jìn)行控制．

從機(jī)部分也采用STM32F103C8T6作為主控芯片，通過(guò)HC-05藍(lán)牙模塊發(fā)送及接收數(shù)據(jù)．同時(shí)，從機(jī)部分還配備了LED和蜂鳴器組成的聲光報(bào)警模塊，可以在手環(huán)超出設(shè)定距離時(shí)進(jìn)行報(bào)警操作，提醒用戶及時(shí)回到相應(yīng)范圍內(nèi)．

上位機(jī)部分采用Android系統(tǒng)，通過(guò)藍(lán)牙模塊與主機(jī)部分進(jìn)行數(shù)據(jù)通信．當(dāng)從機(jī)部分超出設(shè)定距離時(shí)，主機(jī)部分會(huì)向上位機(jī)Android發(fā)送數(shù)據(jù)，并在APP上顯示手環(huán)超出范圍的提示，方便工作人員及時(shí)處理．應(yīng)用在用戶家中時(shí)，將主機(jī)部分安裝在用戶家中中心位置，將從機(jī)部分制成手環(huán)佩戴在特殊人員手腕上，用藍(lán)牙連接距離有限的原理，將超出距離時(shí)的警告信息在手環(huán)上進(jìn)行報(bào)警及時(shí)提醒特殊人員回到范圍內(nèi)，并通過(guò)串口傳輸?shù)绞謾C(jī)APP提醒監(jiān)護(hù)人注意特殊人員的狀態(tài)．

該智能手環(huán)系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警提醒等功能，適用的人群廣泛，可以有效避免隔離人員擅自離開(kāi)的問(wèn)題．

2 藍(lán)牙定位原理

藍(lán)牙定位基于RSSI信號(hào)定位原理，根據(jù)定位終端的種類(lèi)，可分為網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位和終端側(cè)定位．網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位由終端低功耗藍(lán)牙設(shè)備、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙beacon節(jié)點(diǎn)等組成[1]．

網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位的具體過(guò)程：先將beacon和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)鋪設(shè)在定位區(qū)域內(nèi)，當(dāng)終端進(jìn)入信標(biāo)的信號(hào)覆蓋范圍時(shí)，終端將感知信標(biāo)的廣播信號(hào)．然后計(jì)算該信標(biāo)下的RSSI值，將該值傳遞給后端處理器，通過(guò)內(nèi)置算法確定設(shè)備的位置[2]．

終端側(cè)定位系統(tǒng)由終端設(shè)備和beacon組成，終端側(cè)定位的具體過(guò)程：將beacon和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)鋪設(shè)在定位區(qū)域內(nèi)后使beacon不斷向周?chē)l(fā)送信號(hào)和數(shù)據(jù)包．當(dāng)終端進(jìn)入覆蓋范圍，測(cè)出其在不同基站下的RSSI值，由手機(jī)的內(nèi)置定位算法算出其具體位置[3]．

終端側(cè)定位一般用于室內(nèi)定位和導(dǎo)航、精確定位等用戶終端；網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位一般用于人員跟蹤和定位等情況．因此，本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位方法[4]．

3 硬件部分設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

采用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板作為系統(tǒng)核心部分．STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，功能強(qiáng)大，便于系統(tǒng)集成化，符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[5]．STM32F103C8T6芯片原理見(jiàn)圖2．

3.2 HC-05藍(lán)牙模塊

HC-05是一種廣泛使用的藍(lán)牙透?jìng)髂K，主要用于串口模塊雙向通信．藍(lán)牙透?jìng)魇且环N簡(jiǎn)單的藍(lán)牙數(shù)>據(jù)傳輸方式，其透?jìng)鲄f(xié)議沒(méi)有封裝，不需要處理，也沒(méi)有藍(lán)牙底層協(xié)議棧操作要求，就可以實(shí)現(xiàn)基于藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸[6]．本系統(tǒng)采用STM32主控芯片與HC-05藍(lán)牙透?jìng)髂K，通過(guò)串口連接（見(jiàn)圖3）．藍(lán)牙透?jìng)髂K與手機(jī)APP通過(guò)藍(lán)牙連接的方式，當(dāng)手機(jī)APP發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)給藍(lán)牙透?jìng)髂K后，這串?dāng)?shù)據(jù)會(huì)被STM32接收到，從而達(dá)到手機(jī)控制STM32的效果．同理，手機(jī)APP也會(huì)收到主控芯片的信息進(jìn)行顯示．

圖2 STM32F103C8T6芯片原理

3.3 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊由LED和電磁式有源蜂鳴器組成，其中有源蜂鳴器由電磁線圈、振蕩器、振動(dòng)膜片、磁鐵及外殼等組成，模塊原理見(jiàn)圖4．接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲[7]．在蜂鳴器發(fā)出警報(bào)的同時(shí)LED進(jìn)行燈光閃爍，以起到更強(qiáng)的提示效果．

圖3 主控芯片與藍(lán)牙模塊連接原理

圖4 聲光報(bào)警模塊原理

4 軟件部分設(shè)計(jì)

4.1 藍(lán)牙模塊初始化

藍(lán)牙模塊在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)需要進(jìn)行一系列的系統(tǒng)配置和資源分配，以確保它能夠正常工作．藍(lán)牙模塊初始化包括設(shè)置藍(lán)牙協(xié)議棧、配置藍(lán)牙芯片的參數(shù)、分配內(nèi)存資源、初始化I/O等．初始化過(guò)程還可以檢測(cè)藍(lán)牙設(shè)備和連接狀態(tài)，并確保它們與其他設(shè)備的通信是可靠和穩(wěn)定的[8]．因此，藍(lán)牙初始化是確保藍(lán)牙設(shè)備正常工作的必要步驟．

HC-05藍(lán)牙模塊初始化步驟：

（1）確認(rèn)HC-05藍(lán)牙模塊的引腳連接正確，并且供電電壓符合要求．使用串口連接到HC-05藍(lán)牙模塊，一般使用波特率為9 600．（2）使藍(lán)牙模塊進(jìn)入AT指令模式，發(fā)送AT指令確認(rèn)模塊是否正常工作．通過(guò)使用AT+NAME，AT+PIN等指令設(shè)置藍(lán)牙模塊的名稱(chēng)、PIN碼等參數(shù)．（3）使用AT+QUIT指令退出AT指令模式[9]，進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ?，可以通過(guò)串口向藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試．（4）將藍(lán)牙模塊與目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行配對(duì)[10]．

4.2 主機(jī)程序設(shè)計(jì)

將一個(gè)HC-05藍(lán)牙模塊設(shè)置為主機(jī)模式，與一個(gè)從設(shè)備進(jìn)行連接．主機(jī)模式下可以對(duì)周?chē)O(shè)備進(jìn)行搜索并選擇需要連接的從設(shè)備，主機(jī)程序流程見(jiàn)圖５．

當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)能執(zhí)行發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令．在本系統(tǒng)中，設(shè)置藍(lán)牙串口波特率默認(rèn)為9 600，無(wú)校驗(yàn)位，1停止位．用指令：AT+ORGL還原配置，用AT+PSWD="1234"設(shè)置配對(duì)碼，需主從一致，再用AT+ROLE=1將藍(lán)牙模塊設(shè)置為主模式，用指令：AT+CMODE=1設(shè)置藍(lán)牙連接模式為任意地址連接模式．

程序設(shè)計(jì)中首先進(jìn)行初始化，其中包括LED初始化，按鍵初始化，USART初始化作為調(diào)試信息輸出．連接前：AT模式，模塊指示燈閃爍；連接后：數(shù)據(jù)透?jìng)髂Ｊ?，模塊指示燈常亮．默認(rèn)波特率為9 600，即與USART的通信速率，并非空中速率；AT指令無(wú)需換行符結(jié)尾．

4.3 從機(jī)程序設(shè)計(jì)

把另一個(gè)HC-05藍(lán)牙模塊設(shè)置為從機(jī)模式，從機(jī)程序流程見(jiàn)圖6．工作在從機(jī)模式下的藍(lán)牙模塊只能被主機(jī)搜索，不能主動(dòng)搜索．從機(jī)與主機(jī)連接以后，也可以和主機(jī)設(shè)備進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)．主機(jī)模式與從機(jī)模式的區(qū)別：主機(jī)是指能夠搜索別人并主動(dòng)建立連接的一方，從機(jī)則不能主動(dòng)建立連接，只能等別人連接自己．

從機(jī)設(shè)置藍(lán)牙串口波特率默認(rèn)為9 600，無(wú)校驗(yàn)位，1停止位．指令配置先用指令：AT+ORGL還原配置，用AT+PSWD="1234"設(shè)置配對(duì)碼，設(shè)置成和主機(jī)一樣的配對(duì)碼，再用AT+ROLE=0將藍(lán)牙模塊設(shè)置為從機(jī)模式，然后用指令：AT+ADDR? 獲取藍(lán)牙的地址，與主機(jī)綁定．

程序與主機(jī)模式大部分一樣，最先初始化系統(tǒng)，連接前：AT模式，模塊指示燈閃爍；連接后：數(shù)據(jù)透?jìng)髂Ｊ?，模塊指示燈常亮．但區(qū)別是：宏定義HC05_ROLE中一個(gè)是1（主機(jī)模式），一個(gè)是0（從機(jī)模式），連接之后再傳輸數(shù)據(jù)時(shí)便不分主從機(jī)．

圖5 主機(jī)程序流程

圖6 從機(jī)程序流程

4.4 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用手機(jī)APP作為上位機(jī)遠(yuǎn)程控制軟件，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)主機(jī)與從機(jī)的狀態(tài)．在主從機(jī)藍(lán)牙匹配連接成功后，用戶可以通過(guò)APP與主機(jī)進(jìn)行交互，查詢主機(jī)與從機(jī)的連接狀態(tài)，并隨時(shí)查詢手環(huán)與封條是否保持正常連接狀態(tài)．上位機(jī)系統(tǒng)界面見(jiàn)圖7．在主機(jī)與從機(jī)斷開(kāi)連接時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)手環(huán)部分聲光報(bào)警模塊報(bào)警，并將斷開(kāi)連接的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信傳輸給手機(jī)APP，方便工作人員及時(shí)處理．總之，本系統(tǒng)采用手機(jī)APP作為上位機(jī)遠(yuǎn)程控制軟件，具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主從機(jī)狀態(tài)、查詢連接狀態(tài)、報(bào)警提示等功能，有助于提高工作人員的工作效率和管理水平．

圖7 上位機(jī)系統(tǒng)界面

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于STM32的特殊人員藍(lán)牙室內(nèi)定位智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以有效解決特殊人員定位和監(jiān)控的問(wèn)題．該系統(tǒng)通過(guò)硬件和軟件系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特殊人員的室內(nèi)定位和距離監(jiān)控，同時(shí)也可應(yīng)用于對(duì)其他人員的監(jiān)察．經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單便捷、成本低、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值廣等優(yōu)點(diǎn)，可以為居家隔離的管理和監(jiān)控提供一種新的解決方案，也可以防止一些其他問(wèn)題的發(fā)生，如工作人員誤入工作危險(xiǎn)區(qū)、兒童私自離開(kāi)家等事件．

[1]羅欽揚(yáng)．基于RSSI的藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)研究[D]．上海：上海電機(jī)學(xué)院，2022．

[2]劉忞劼．室內(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D]．桂林：桂林電子科技大學(xué)，2022．

[3]秦用豐．基于低功耗藍(lán)牙5.1的室內(nèi)定位技術(shù)的研究[D]．桂林：桂林電子科技大學(xué)，2022．

[4]朱艷生，劉金亭，武文杰，等．基于藍(lán)牙透?jìng)鞯拇型ㄐ烹娐吩O(shè)計(jì)[J]．重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，22（4）：96-99．

[5]Pau G，Arena F，Gebremariam Y E，et al．Bluetooth 5.1：An Analysis of Direction Finding Capability for High-Precision Location Services[J]．Sensors，2021，21（11）：3589．

[6]陳思穎，鄒樂(lè)瑤，王少坤．基于ATMEGA32A單片機(jī)和HC05的藍(lán)牙信號(hào)傳輸體操機(jī)器人設(shè)計(jì)[J]．信息與電腦（理論版），2021，33（7）：106-108．

[7]李昕源，趙津藝，徐潔．基于stm32f407單片機(jī)的車(chē)內(nèi)攝像拍照監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)[J]．技術(shù)與市場(chǎng)，2019，26（12）：128-129．

[8]黃克亞．基于藍(lán)牙技術(shù)的時(shí)間同步與無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（11）：64-69．

[9]祝小蜜，溫琦霖．一種基于單片機(jī)的藍(lán)牙醫(yī)療設(shè)備網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)[J]．電子制作，2022，30（10）：14-19．

[10]Haznedar Yunus，Aydin G，Zeynep Gurkas，et al．Hybrid indoor positioning for smart homes using WiFi and Bluetooth low energy technologies[J]．Journal of Ambient Intelligence and Smart Environments，2023（1）：63-87．

Design of bluetooth indoor positioning intelligent monitoring system for special ersonnel

HAO Kunyang，WANG Yanchun，JIN Yepeng，SUN Shaoye，LIU Lisi，ZHOU Jialin

（School of Communication and Electronic Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Aiming at the indoor positioning of special personnel，designed an intelligent monitoring system based on STM 32．The hardware and software of the system are combined，the hardware system uses STM32F103C8T6 as the main control chip，carries bluetooth module according to the dual bluetooth positioning，and forms the sound and light alarm module through the buzzer alarm module and light-emitting diode．The software system is based on Android and transfers the principle of connecting the warning information beyond the distance to the mobile phone APP through serial port to obtain the user location information at any time．The experimental test shows that the system is simple，convenient，low cost and has certain practical application value．

STM 32；bluetooth module；indoor positioning；dual bluetooth

1007-9831（2023）10-0045-05

TP368

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.10.009

2023-05-03

黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（S202210232145）；黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（SJGY20220395）；黑龍江省省屬高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)科研項(xiàng)目（145209150）

郝堃洋（2002-），女，黑龍江牡丹江人，在讀本科生．E-mail：2015729841@qq.com

王艷春（1972-），女，遼寧遼陽(yáng)人，教授，從事嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與信息安全研究．E-mail：wanghong_yc@163.com