基于低功耗藍牙的物聯通信網絡設計與實現

王健文+王子威+陳詩超

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網系統，利用低功耗藍牙的能耗低、信號覆蓋范圍廣等特點，通過將多個藍牙節點分布在室內以一定的時間間隔發送特定的數據包進行廣播，Android端手機走近藍牙節點時，App接收數據包對節點進行分辨，檢測RSSI值計算出與節點的距離，可以實現在走近某一個節點時接收到該節點所設置推送的信息，并且用戶可獲知其當前所在位置，實現簡單的室內定位。文中主要闡述了該系統的軟硬件設計及其在航站樓的應用。

關鍵詞：航站樓；藍牙；室內定位；物聯網

中圖分類號：TN926+.22；TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-02

0 引 言

隨著當前經濟的快速發展，社會運行節奏加快，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全球定位系統在室內感測不到衛星信號無法進行室內定位等問題出現。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系統發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，低耗能藍牙在物聯網中有著不可比擬的優勢，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

該系統在室內布設多個藍牙節點，每個藍牙節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標志符所組成的數據包。智能終端通過接收數據包，讀取設備識別碼和標志符來識別廣播信息的藍牙節點ID，并通過檢測RSSI信號值計算出與節點的距離，以確定智能終端的位置。

2.2 硬件設計

系統的硬件組成如圖1所示。本系統選用北歐半導體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。

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

藍牙物聯網系統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點信息。當用戶走近某一個節點時，App周期性檢測藍牙節點的信號強度（RSSI），可大致計算出藍牙節點與用戶之間的距離，系統可以設定一個觸發距離，例如設定觸發距離為0.2 m，當用戶與節點之間的距離小于或等于0.2 m時，App即對當前節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。

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，更好地實現藍牙物聯網系統。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 系統測試

藍牙物聯網系統的可行性測試結果如表1所列。

5 應用前景

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

該系統不僅可以應用在航站樓中，還可以用在各商業大樓、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可通過檢測RSSI值來判斷用戶和節點的距離，當用戶走進設定觸發距離范圍內時，Android端的App進行信息推送并實現室內定位，解決了GPS室內無法定位的問題，使用戶能更好地享受物聯網帶來的便利服務。

參考文獻

[1]李俠，沈峰，李德勝.基于Android系統的低功耗藍牙應用程序開發[J].重慶科技學院學報（自然科學版），2014，16（5） ： 133-136.

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[3] Nordic Semiconductor.nRF51822 Product Specification[EB/OL]. http：//www.nordicsemi.com/eng/content/download/13358/214991/file/nRF51822_PS%20v3.1.pdf.

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