基于物聯網及Android技術的“迷失無憂”服務平臺設計

黃軼文　盧世軍　陳杰柱　蘇桂強

摘要：市場上已經出現了不少跟蹤器，這些設備通過與手機的鏈接，使用定制的APP幫助用戶定位丟失的物品，但是這種方式只能解決一對一的跟蹤。針對這種情況，設計一種多對多的定位跟蹤平臺，既滿足傳統的定位跟蹤需要，又能滿足社會廣大人群的實際要求。

關鍵字：定位跟蹤；智能鑰匙扣；APP；數據中心

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A文章編號：2095-2163（2015）06-

Abstract： A lot of trackers have emerged in the market.Through the link with the mobile phone， these devices use the customized APP to help users locate the missing items， but this way can only solve one to one tracking. In view of this situation， the paper designs a multi-muliti position tracking platform， which not only meets the needs of the traditional positioning tracking， but also meets the actual requirements of the general population.

Key words： Locating and Tracking； Intelligent Key Chain； APP； Data Center

0引言

我國的兒童由于監護人的疏忽大意而造成的“走丟”現象正屢有發生，現已超過每年20萬人次。而我國另一特征人群—患有癡呆癥的老人則已超過500萬人，人均走失次數也已超過一次。兒童老人的“走丟”已經成為了一個不容忽視的社會現實問題。另一方面，俗稱“健忘癥”——“忘帶鑰匙、忘帶手機”的現象已經成為現代都市人的日常生活困擾。基于以上現狀，人們迫切希望能夠研創一種工具，從而簡單高效地解決這個問題[1]。

文獻[2-5]指出：市場上出現了各式各樣的兒童、老人跟蹤器， 主要基于RFID或利用GPS技術來設計和實現。基于RFID的跟蹤器缺點是適用的范圍很小， 一般只有幾十米；而基于 GPS 的跟蹤器雖然在較大程度上解決了這個問題， 但是 GPS 定位存在一定的盲區， 且受外界環境影響也頗為顯著，因而在指定范圍外即無法對人群獲得實時定位追蹤。針對這一領域研究背景， 本文提出了基于物聯網及Android技術相結合的定位跟蹤平臺的設計方案：“迷失無憂”服務平臺。

1“迷失無憂”服務平臺系統總體設計

1.1系統應用定位

本服務平臺的硬件——智能鑰匙扣佩戴在兒童或老人身上，用作兒童或老人防丟器。可以及時發現孩子或老人離開，甚至被拐帶時也可以追蹤其位置。還可以應用到物的跟蹤定位，如物品貼上智能芯片，智能芯片通過無線近場通信與手機APP連接，手機APP與數據中心連接，可以為用戶提供貼心的服務——貴重物品的防丟等領域功能實現。

1.2 系統規格設計

藍牙檢測距離最大為30米，當距離5米時發出報警，30米內可以通過信號強度來進行度量比較，實現人或物品的追蹤、定位。智能鑰匙扣電源可重復充電，采用低功耗芯片，電池容量不小于100mA，續航時間不低于240小時。配置太陽能充電模塊和USB充電模塊。手機APP安裝包不超過500KB，心跳頻率可調，通信流量不超過20BPS。“多對多”定位，應用APP端的用戶數，用戶人數越多，人或物品找回的幾率越高，統計找到率應超過95%。

1.3. 系統架構設計

“迷失無憂”平臺是一個基于移動物聯網的尋蹤產品應用設計。該平臺主要由三部分組成：（1）智能鑰匙扣，內嵌低功耗的藍牙芯片；（2）裝有專用APP軟件的手機；（3）數據中心平臺。系統架構如圖1所示。

系統由“兩網三物”組成，通過“兩網”實現“三物”的物物相連[1]。

1.4 系統邏輯設計

用戶注冊智能鑰匙扣和手機APP，用戶的信息、智能鑰匙扣和手機APP三者綁定，任何一者的ID都可以追蹤到其他兩者的信息。系統邏輯實現如圖2所示。

該系統實現的過程設計原理可做如下論述：

智能鑰匙扣A，定時發射自身的ID，類似心跳機制，手機A接受該心跳信息。如果手機A超過一段時間沒有接收到鑰匙扣A的心跳，判斷鑰匙扣已經遠離。此時，可能發生物品丟失或兒童老人走失。

手機A通知數據中心平臺，“鑰匙扣A丟失，擁有該扣的是用戶A”。

數據中心平臺向全網用戶廣播“鑰匙扣A丟失”。

如果老人兒童帶著鑰匙扣漫游到了用戶B的身邊，鑰匙扣告訴用戶B的手機“我是鑰匙扣A”， 用戶B的手機立即會報警“您身邊可能有一個丟失的老人和兒童，請立即與總臺聯系”。

數據中心平臺同時向用戶A發出通知“您的鑰匙扣正在用戶B的身邊，位置是中山路72號，盛佳廣場附近”。

2系統硬件設計

系統包含的硬件是智能鑰匙扣，位于平臺中的信息采集層，采集被定位跟蹤的對象信息。

智能鑰匙扣采用LM02低功耗藍牙模塊。該模塊的芯片集成ble藍牙4.0協議，采用 TI的 CC2540作為核心處理器。運行在 2.4 GHz ISM band，GFSK調制方式（高斯頻移鍵控），40頻道 2 MHz的通道間隙，3個固定的廣播通道，37個自適應自動跳頻數據通道，物理層可以和經典藍牙 RF組合成雙模設備， 2 MHz間隙能更好地防止相鄰頻道的干擾。寬輸出功率調節 （-23 dBm～4dBm），-93 dBm高增益接收靈敏度[6]。

該平臺可迅速橋接電子產品和智能移動設備，模塊啟動后會自動進行廣播，已打開特定 APP的手機會對其進行掃描和對接，成功之后便可以通過 BLE協議對其進行監控。系統硬件設計如圖3所示。

3系統軟件設計

該平臺的軟件形態為手機APP，應用了Android4.5， 支持多種無線網絡連接方式， 如 GPRS、WiFi、藍牙等[7]。軟件APP包括幾個部分：會員管理模塊、藍牙通訊模塊、網絡通訊模塊、GPS定位模塊、告警模塊、版本自動更新模塊和日志模塊。系統軟件設計如圖4所示。

由圖4可知，系統軟件設計中各模塊的實現功能可概述如下：

（1）會員管理模塊。提供用戶注冊、設備注冊、用戶資料修改、用戶密碼修改、鑰匙扣綁定、實時監控頁面、參數設備等功能。每個智能鑰匙扣都有對應的一個設備ID，因此用戶在新購置鑰匙扣并在數據中心填寫好對應的諸如該物品的類型、名字等信息后，點擊添加設備ID，可以將設備注冊。

使用者可以輕松地查看所選定需要監聽的身邊物品的狀態，當物品離開使用者身邊太遠的時候，應用會通過手機鈴聲通知使用者。而信號強度代表該物品與使用者的距離。

（2）藍牙通訊模塊。采用近場通訊協議，定時掃描周邊的藍牙設備，檢測藍牙設備的ID是否符合平臺規范。

（3）網絡通訊模塊。使用socket機制，實時從鑰匙扣中獲取心跳信息。并把ID號等信息通過TCP/IP上傳到數據中心平臺。

（4）GPS定位模塊。計算經緯度，轉換為數字格式。

（5）告警模塊。發出聲光報警，發送振動指示給操作系統。

（6）版本自動更新模塊。作為后臺值守程序在操作系統層運行，同步服務器上的軟件版本信息，如果版本更新，提示或自動下載最新版本。

（7）日志模塊。記錄設備與用戶的所有日志，并給予數據加密。日志數據可用于故障定位、排除糾紛等。

4數據中心平臺設計

數據中心平臺是系統的核心，包括四大模塊，分別是：數據交換模塊、用戶行為分析模塊、用戶管理模塊、日志模塊。除此之外，還設有兩個存儲單元。如圖5所示。

由圖5可知，數據中心平臺中各設計組件的實現功能可做如下分析：

（1）數據交換模塊。對應手機的通信模塊，采用socket機制，用于與手機APP進行數據交換。

（2）用戶行為分析模塊。通過分析用戶的位置信息、手機和鑰匙扣告警的時間等數據，相應地為用戶作出信息提示。

（3）用戶管理模塊。定制實現用戶的注冊、登錄、身份驗證，每個鑰匙扣都具有唯一的編號，憑此直接有效識別用戶的身份。

（4）日志模塊。記錄用戶的操作日志和系統運行日志。

（5）Mysql數據庫。用于存儲整個系統的業務數據，使用開源的數據庫MYSQL。

（6）Hbase數據庫。用于存儲包括日志在內的所有數據，為系統提供用戶行為分析、預測的功能。HBase利用開源MapReduce平臺Hadoop，提供了可伸縮數據庫實現。MapReduce是用來運行大規模并行計算的框架。采用MapReduce 的應用恰如一個人提交的批處理作業，但是這一批處理作業卻都不是運行在單個服務器上，而且其中的應用和數據都是分布在多個服務器上。

本平臺的突出特點是“多對多”定位，就是應用APP端的用戶數，其用戶人數越多，人或物品找回的幾率越高。用戶和物品是N x N的關系，當用戶數量是萬級別時，兩者關系就達到了億級別，傳統的關系型數據庫已經無法從大量的用戶行為中分析和預測用戶使用習慣，而Hbase則卓具實效地解決了這一問題。在編程實現上也很簡單，只需要使用MapReduce提供的接口即可完成這一需求[8]。

5結束語

目前市場已有的定位跟蹤器等，只能是一對一的模式，跟蹤距離有限。而“迷失無憂”服務平臺，通過發展廣大手機用戶應用“迷失無憂”手機APP，形成一張無形的安全網，能有效防止小孩和癡呆老人走失，并且不再限制相隔距離。綜合物聯網、Android和云平臺技術，實現“物物相連，人人相連”。

參考文獻：

[1] 黃軼文，龔霖迪，黎莉. 基于視頻監控大聯網的兒童老人看護系統前景可期[J].中國公共安全：學術版， 2014（15）：108-110.

[2] 明凱. 兒童定位跟蹤器及其定位跟蹤方法： 中國， 200910162983. 8[P]. 2009-08-21.

[3] 潘斌， 郭紅霞. 短信收發模塊TC35i的外圍電路設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2004（7）： 38-41.

[4] 陳瑞鑫， 鄒傳云. 有源RFID定位系統設計與實現[J]. 電子技術應用， 2010， 36（10）： 114-116.

[5] 楊霞. 基于GPS 和GPRS的小型追蹤器[J]. 現代電子技術， 2007（21）： 190-192.

[6]深圳市亮明科技有限公司.亮明科技LM02藍牙模塊規格協議[Z]. 深圳：亮明科技有限公司，2014.

[7]張大偉.深入理解Android：卷Ⅲ[M].北京：機械工業出版社，2015.

[8]馬延輝，孟鑫，李立松. HBase企業應用開發實戰[M].北京：機械工業出版社，2014.