智能iBeacon測距報警系統*

冉莉莉， 石繁榮， 車洪彬

(西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010)

智能iBeacon測距報警系統*

冉莉莉， 石繁榮， 車洪彬

(西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010)

針對隨身重要物品防丟失和找回的需求，基于最新的藍牙低能耗技術，以iBeacon設備為核心、結合Android終端設計了一種低成本短距離測距報警系統。通過將iBeacon設備嵌入到重要物品中，并周期向Android終端發送Beacon幀，終端服務程序根據幀信息和RSSI值計算設備與終端的大致距離。服務程序可根據用戶設置的報警閾值，向用戶提供物品在范圍內、不在范圍內和在目標設備上三類信息。經驗證，系統平均有效報警距離在2 m左右，觸發報警平均時間20 s以內。

藍牙低能耗； iBeacon； Android； 測距警報

0 引 言

iBeacon技術是一種短距離定位的測距報警防物品遺失的技術，由美國蘋果公司在2013年發布，本質是兩個藍牙低能耗(Bluetooth low energy，BLE)設備之間傳輸標識碼(universally unique identifier，UUID)并作出報警。iBeacon體積小巧,便于置入，具有成本低、功耗低的特點，通過短距離定位能夠感應對象在近距離、范圍內、范圍外3種狀態。目前智能設備行業中對BLE技術的支持較廣泛，iBeacon技術被廣泛研究并在室內定位、物品索引管理等領域得到應用[1～4]。

本文闡述了基于iBeacon技術的短距離測距警報系統設計，結合iBeacon設備低功耗、低成本、短距離測距定位，以及移動監控端便捷性，通過用戶終端程序實現短距離測距報警，用戶可添加報警對象，為用戶提供方便、快捷、有效的物品防遺失報警服務。

1 系統功能結構設計

針對上述需求設計系統需要能夠對以下狀態進行判斷：1)物品不在目標范圍內；2)物品在目標范圍內；3)物品在目標設備上。

采用基于低功耗藍牙技術的iBeacon設備結合其小范圍室內定位功能，設計了一種具有物品遺落報警并輔助找回的智能硬件系統。

1.1 系統功能結構

系統主要包含下位機iBeacon模塊和Android手機端定位App兩大部分。系統通過交換Beacon廣播幀，獲取Beacon傳播的接收信號強度指示(RSSI)并估計設備間的空間距離[5～7]，從而實現實時感知物品與用戶的距離位置，并在用戶物品遺落時在遺落物品的大致區域，通過手機作為iBeacon信號接收器搜尋遺失物品。非測距定位原理與文獻[6～8]相關研究類似,如圖1。

圖1 系統功能結構圖

iBeacon設備被安裝在防丟失的物品上處于低功耗服務狀態，主要功能：1)運行并維護藍牙低能耗協議棧；2)監聽周圍的呼叫信號；3)周期廣播設備信息。廣播幀包含設備基本信息和RSSI值等。

Android端定位App處于后臺運行轉態，具備以下主要功能：1)初始化，對下位機設備進行配置，APP參數初始化，如報警閾值等；2)服務UUID綁定；3)信號強度校準；4)超出閾值報警。

信號強度校準功能為針對不同iBeacon設備、不同的應用環境等因素中，信號強度值表現出來的差異性，而進行統一刻度的措施。超出閾值報警則是根據RSSI值的大小，大致判斷設備與主機的距離并與設置閾值進行比對，從而判斷發出報警類型。

1.2 系統應用場景分析

iBeacon模塊安裝在受控物品上，以一定的周期發射廣播信號，必要時與手機進行信號值校準。廣播幀包含極少的數據量，即基礎UUID等數據，從而保證極小的傳輸消耗。

當手機端程序接收并解析綁定的UUID后，提取本地配置信息進行匹配，進一步提醒告知用戶物品當前的狀態。系統應用場景如圖2所示。iBeacon的廣播幀包含：UUID，Service，有效數據大小，Major value(主要值)，Minor value(次要值)，輸出功率。

圖2 應用場景圖

2 系統硬件結構

系統硬件主要為iBeacon節點和移動終端(手機)。iBeacon節點以SOC無線芯片nRF51822為核心，采用藍牙4.0BLE技術工作于2.4 G免費頻段，整合了Nordic ARM Cortex M0,256 kBflash，16 kBRAM和無線電收發器，支持BLE和專用的2.4 GHz協議棧。系統硬件結構如圖3所示，集成紐扣電池、微型擴展接口等，可供節點擴展傳感器感知等功能。

圖3 硬件結構框圖

可編程外設互聯(PPI)系統提供了一個16通道的總線，支持系統在沒有MCU參與的情況下進行自主通信，從而降低能耗和外設間通信延遲。設備由紐扣電池供電(CR1632)可持續工作一周以上，帶有擴展串口用于固件升級，程序優化。

3 軟件設計

3.1 系統程序流程分析

系統程序包含下位機程序和Android端程序。

下位機程序運行在BLE協議棧上，程序主要流程如圖4所示，完成iBeacon設備初始化、定位服務初始化、廣播定位幀、參數校準和定位響應等。程序在啟動設備和服務程序后默認進入廣播模式。用戶可在系統啟動時設置模式配合Android端程序設置參數。

圖4 下位機程序流程圖

Android端程序流程如圖5所示，服務程序啟動后可選擇進入設置模式或服務模式。設置模式與下位機iBeacon設備進行初始化設置和參數配置，如綁定iBeacon設備、設備定義、校準RSSI值和報警閾值設置等。系統進入服務模式后，則周期檢測iBeacon設備，測量其與手機的距離，并與設置的參數進行比較進而判斷設備與手機的狀態，作出相應的報警行為。

圖5 Android端程序流程圖

3.2 下位機程序設計

下位機軟件基于Nordic公司提供的iBeacon SDK庫開發，程序工程含主要的啟動主函數(相關初始化及功能定義)、藍牙服務框架函數。

藍牙iBeacon設備作為該系統的基礎硬件設備，用于發送藍牙Beacon幀與手機端進行通信。手機端藍牙設備接收到Beacon并采集RSSI信號值后，再計算當前iBeacon設備與手機的大致相對距離，再根據本地服務程序的設定執行相應的動作。

1)iBeacon初始化

iBeacon設備啟動后按照順序對鏈路層硬件抽象層、主機控制器接口、操作系統抽象層、邏輯鏈路控制和適配協議通用訪問配置、通用屬性配置、安全管理器等進行初始化，結束后調用藍牙低能耗外圍設備初始化函數進行參數設置和回調函數注冊，包括廣播設置掃描、應答數據、廣播數據包、最大最小連接間隔等。

藍牙低能耗初始化外圍設備后，系統進入事件等待循環，并主要處理3種事件：1)系統消息事件，調用操作系統抽象層消息處理函數處理該消息，處理結束后清除該事件標志；2)啟動設備事件，注冊兩個事件回調函數，分別在RSSI被讀取時和通用訪問配置事件(比如建立連接或者斷開連接)發生時調用；3)重啟設備事件，則重啟設備并清除事件標志。

主要相關初始化代碼如下：

GAP Role_SetParameter(GAP ROLE_ADVE RT_ENAB

LED,sizeof(uin8),&initial_advertising_enable);

∥開啟廣播

GAP Role_SetParameter(GAP ROLE_SCAN_RSP_DAT

A,sizeof(scan RspData),scan RspData);

∥設置掃描應答數據

GAP Role_SetParameter(GAP ROLE_ADVE RT_DATA

sizeof(advertData),advertData)’

∥設置廣播數據

GAP Role_SetParameter(GAP ROLE_MIN_CONN_INTE

RVAL sizeof(uint16),&desired_min_interval);

∥設置最小連接間隔

GAP Role_SetParameter(GAP ROLE_MAX_CONN_INTE

RVAL,sizeof(uint16),&desired_max_interval);

∥設置最大連接間隔

在iBeacon 中廣播數據需要按照藍牙低能耗的數據格式進行封裝，定義如下：

static uint8 advertData []=

{ 0x02 ∥數據段的長度為2字節

GAP_ADTYPE_FLAGS,∥廣播數據類型

DEFAULT_DISCOVE RABLE_MODE/GAP_ADTYPE_

FLAGS_B RED R_NOT_SUPPO RTED,

0x1A,∥第二個數據段的長度為26個字節

GAP_ADTYPE_MANUPFACTU RER_SPECIFIC,

0x4C,0x00,0x02,0x15,∥蘋果公司標志字符

∥iBeacon的通用唯一識別碼

0x00,0x3D,0x5A,0x72,0x1B,0xA3,0x11,0xE4,

0x9F,0x4F,0x00,0x25,0x4B,0xD0,0xC2,0x30,0x00,0x01,∥major編號，根據具體應用場合來編號

0x00,0x02,∥minor編號，每個景點和展品編號不同

0xCD∥設備發射功率

}；

設備啟動后開始廣播數據包，如果附近有其他支持藍牙4.0的設備監聽并發送掃描請求，設備將發送掃描應答數據，定義如下：

static uint8 scan RspData[]={0x00,};

2)功能模塊程序設計

下位機程序模塊包含：廣播Beacon幀、管理設備連接、用戶配置接口。程序執行流程如圖6。

圖6 下位機運行流程圖

下位機可通過按鍵中斷觸發進入配置模式、設備管理模式和廣播模式。支持用戶實時管理iBeacon設備與Android應用程序的參數配置和連接狀態。完成外設、BLE Stack、設備管理等初始化操作后進入廣播周期，廣播事件通過定時器中斷產生，廣播的周期根據當前iBeacon設備與主機設備的相對位置進行調整。

3.3 Android服務程序設計

Android端服務程序主要功能有：1)檢測設備是否提供藍牙4.0；2)啟動藍牙4.0；3)掃描并綁定周圍iBeacon設備；4)校準RSSI值；5)設置設備相關參數。

上述5個功能通常按順序執行。服務程序從本地數據庫獲取用戶設定保存的數據信息，再根據檢測到綁定UUID的iBeacon設備RSSI值的強度來解析iBeacon設備的范圍，從而判斷距離位置進行報警。

Android服務程序中藍牙設備按照如下步驟啟用：

1)使用BluetoothAdapter.startLeScan()方法掃描藍牙低能耗設備(iBeacon設備)；

2)在掃描到iBeacon設備后，在回調函數中會得到BluetoothDevice的實例化對象，并通過調用BluetoothAdapter.stopLeScan()方法停止掃描；

3)通過BluetoothDevice.connectGatt()方法來獲取到BluetoothGatt對象；

4)執行BluetoothGatt.discoverServices()方法，方法為異步操作，在回調函數onServicesDisco vere d()中得到status的值，通過判斷status是否和BluetoothGatt.GATT_SUCCESS的相等來判斷查找Service是否成功；

5)如果成功，則調用BluetoothGatt.getService()來獲取BluetoothGattService；

6)通過調用BluetoothGattService.getCha- rcteristic()方法去獲取BluetoothGattCharacteristic；

7)通過調用BluetoothGattCharacteris- tic.get Descriptor()方法獲取BluetoothGattDescriptor。

結合下位機程序的程序流程，服務程序根據Beacon幀信息判斷，當iBeacon設備與手機藍牙的RSSI值發生變化時，服務程序將根據RSSI值計算iBeacon設備與主機設備的大致距離從而根據用戶設置的報警閾值做出相應的報警操作。Android服務程序端iBeacon設備連接與參數配置操作界面如圖7所示。

圖7 設備連接與參數設置

4 結 論

系統結合iBeacon定位技術與Android系統，設計一種防物品丟失測距警報系統，通過手機端服務程序可以檢測iBeacon設備大致范圍：在范圍內、在范圍外、在設備上。并根據用戶設定的報警范圍和報警方式，達到觸發條件時觸發報警提醒用戶。為用戶提供物品與用戶之間大致距離，該系統平均有效警報范圍約2 m，觸發警報響應平均時間約20 s。

[1] 石志京,徐鐵峰,劉太君,等.基于iBeacon基站的室內定位技術研究[J].移動通信，2015,39(7):88-91.

[2] 卞合善.基于藍牙4.0低功耗室內定位研究[D].北京：北京郵電大學,2015.

[3] 張 浩,趙千川.藍牙手機室內定位系統[J].計算機應用，2011,31(11):3152-3156.

[4] 吳棟淦.基于iBeacon的智能導覽系統的設計與實現[J].貴陽學院學報：自然科學版， 2014,9(4):9-13.

[5] 王滿意,丁恩杰.基于WSNs的RSS無源被動定位算法評述[J].傳感器與微系統，2015,34(3):1-7.

[6] 林方旭，朱明華.基于RSSI的自適應分段曲線擬合室內定位算法[J].傳感器與微系統,2015,34(10):151-153.

[7] 姜 華,何風行,陳文權,等.一種基于超聲和射頻融合的無線傳感器網絡網格定位方法[J] .傳感器與微系統,2015,34(3):25-27.

[8] Matthew S Gast.Building applications with iBeacon[M].California:O’Reilly Media,2014.

Intelligent distance-measuring alarm system based on iBeacon*

RAN Li-li, SHI Fan-rong, CHE Hong-bin

(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)

Aiming at requirement of preventing from losing important belongings and get back after losing in daily life,a low-cost,short distance-measuring alarm system is designed,which is based on the latest low energy consumption Bluetooth technology and take iBeacon equipment as core,combined with Android terminal.By embedding iBeacon device into important belongings,and periodically sends Beacon frame to the Android terminal,terminal services program calculate approximate distance to the terminal device based on the frame information and RSSI values.Services program provide users with three types of information which is the range of items, not within the scope and on the target device,according to alarm thresholds set by the users.It’s proved that the average effective alarm distance of system is about 2 m,alarm is triggered within an average time of 20 s.

Bluetooth low energy consumption; iBeacon; Android; distance-measuring alarm

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0116—04

2016—07—04

國家重大科研儀器設備研制專項項目(41227802)；國家自然科學基金資助項目(61072138)；綿陽市科技計劃資助項目(10J006)；西南科技大學實驗開放基金項目(13ZXTK07)

TP 274

A

1000—9787(2017)05—0116—04

冉莉莉(1987-)，女，碩士，助教，從事Android定位應用、燃料電池技術工作。