基于低功耗藍牙的物聯(lián)通信網絡設計與實現(xiàn)

時間：2021-10-04 16:22:30

關鍵字：航站樓藍牙室內定位物聯(lián)網

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[導讀]摘要：為解決當前室內定位以及定向信息推送等問題，文中設計了一種藍牙物聯(lián)網系統(tǒng)，利用低功耗藍牙的能耗低、信號覆蓋范圍廣等特點，通過將多個藍牙節(jié)點分布在室內以一定的時間間隔發(fā)送特定的數(shù)據包進行廣播，Android端手機走近藍牙節(jié)點時，App接收數(shù)據包對節(jié)點進行分辨，檢測RSSI值計算出與節(jié)點的距離，可以實現(xiàn)在走近某一個節(jié)點時接收到該節(jié)點所設置推送的信息，并且用戶可獲知其當前所在位置，實現(xiàn)簡單的室內定位。文中主要闡述了該系統(tǒng)的軟硬件設計及其在航站樓的應用。

0 引言

隨著當前經濟的快速發(fā)展，社會運行節(jié)奏加快，人們更傾向于選擇高效的出行方式，而飛機就是其中之一。近年來，全國各地機場的吞吐量不斷增長，導致航站樓面積過大，而GPS 全球定位系統(tǒng)在室內感測不到衛(wèi)星信號無法進行室內定位等問題出現(xiàn)。本項目旨在解決大型室內公共場所的導航問題，通過部署低功耗藍牙網絡實現(xiàn)向用戶推送信息并提供室內導航服務。

1 低功耗藍牙技術

低耗能技術是藍牙 4.0 版本新提出的一種技術，瞄準了物聯(lián)網方向的應用，與之前的藍牙技術相比，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)布開始正式支持藍牙4.0。相對于藍牙2.1或者藍牙3.0 等傳統(tǒng)藍牙的高耗電性，藍牙 4.0 功耗極低，一粒紐扣電池可以供設備連續(xù)工作一年 [1]。且憑借其較遠的傳輸距離，相對于其它藍牙技術，低耗能藍牙在物聯(lián)網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 [2]。

2 硬件設計

2.1 硬件功能

該系統(tǒng)在室內布設多個藍牙節(jié)點，每個藍牙節(jié)點硬件會廣播含有自己特定的 128 位通用唯一設備識別碼（UUID）以及16 位由 Major 和 Minor 標志符所組成的數(shù)據包。智能終端通過接收數(shù)據包，讀取設備識別碼和標志符來識別廣播信息的藍牙節(jié)點 ID，并通過檢測 RSSI 信號值計算出與節(jié)點的距離，以確定智能終端的位置。

2.2 硬件設計

系統(tǒng)的硬件組成如圖 1 所示。本系統(tǒng)選用北歐半導體 Nordic Semiconductor 公司生產的 nRF51822-QFAA 藍牙芯片，該芯片具有高效、低功耗的特點，工作在 2.4 GHz 頻段，支持藍牙 4.0，最高傳輸速率可達 2 Mb/s，傳輸距離可達 10 米。芯片基于 32 位 ARM Cortex M0 CPU 內核，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 紐扣電池為設備供電。硬件實物如圖 2 所示。

基于低功耗藍牙的物聯(lián)通信網絡設計與實現(xiàn)

3 軟件設計

3.1 概述

軟件設計分為兩部分，一部分是 Android 手機端的 App 設計，將藍牙節(jié)點分布在各處，通過藍牙硬件布點完成組網，當用戶走近不同的藍牙節(jié)點時，Android 手機端 App 將推送不同的網頁地址及位置信息。另一部分為網頁端設計，用戶可單擊推送信息中的網頁鏈接，通過移動數(shù)據或無線網絡 WiFi 獲取推送信息。推動的信息可以在網頁后臺輕松更改。\

3.2 軟件功能

藍牙物聯(lián)網系統(tǒng)程序設計流程圖如圖 3 所示。軟件界面如圖 4 所示。在 Android 智能終端中打開 App，軟件會提示應用嘗試打開藍牙，用戶允許開啟藍牙后，通過右下角的添加按鈕能夠搜索節(jié)點信息。當用戶走近某一個節(jié)點時，App 周期性檢測藍牙節(jié)點的信號強度（RSSI），可大致計算出藍牙節(jié)點與用戶之間的距離，系統(tǒng)可以設定一個觸發(fā)距離，例如設定觸發(fā)距離為 0.2 m，當用戶與節(jié)點之間的距離小于或等于 0.2 m 時， App 即對當前節(jié)點的信息及定位信息進行推送，方便用戶尋找當前所在位置及選擇目的地進行導航。同時用戶還可以在單擊鏈接打開的網頁中單擊“回到主頁”按鈕，進入航班信息搜索頁面，尋找自己的航班信息。

基于低功耗藍牙的物聯(lián)通信網絡設計與實現(xiàn)

低功耗藍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，且傳輸速率快的移動網絡。采用將藍牙和移動網絡相結合的方式推送信息，能提高信息的傳輸量和傳輸速率，更好地實現(xiàn)藍牙物聯(lián)網系統(tǒng)。且由于向用戶推送的信息存在網頁上，可方便的在網頁后臺更改，因此不需要頻繁更新手機軟件來更新信息。

4 系統(tǒng)測試

藍牙物聯(lián)網系統(tǒng)的可行性測試結果如表 1 所列。

基于低功耗藍牙的物聯(lián)通信網絡設計與實現(xiàn)

5 應用前景

該藍牙物聯(lián)網系統(tǒng)能夠幫助機場工作人員進行大范圍的信息推送，同時能夠實現(xiàn)室內定位及導航，當用戶走近藍牙節(jié) 點時，會接收到自己的當前位置，并可選擇目的地進行導航。

該系統(tǒng)不僅可以應用在航站樓中，還可以用在各商業(yè)大樓、學校教學樓、旅游景點等地，跟據應用地不同，功能偏重亦有所不同。

6 結語

本文先介紹了低功耗藍牙功耗低、成本低等特點，而利用低功耗藍牙芯片搭建的系統(tǒng)可通過檢測 RSSI 值來判斷用戶和節(jié)點的距離，當用戶走進設定觸發(fā)距離范圍內時，Android 端的 App 進行信息推送并實現(xiàn)室內定位，解決了 GPS 室內無法定位的問題，使用戶能更好地享受物聯(lián)網帶來的便利服務。