基于 iBeacon 的固定資產(chǎn)定位與防丟防盜系統(tǒng)的設計

0 引 言

固定資產(chǎn)定位技術是指在固定資產(chǎn)環(huán)境中實現(xiàn)位置定位，主要采用無線通信、基站定位、慣導定位等多種技術集成形成一套固定資產(chǎn)位置定位體系，從而對固定資產(chǎn)在固定資產(chǎn)空間中的位置進行監(jiān)控，以防丟失。發(fā)展至今，這一技術衍生了多種人員 / 物品定位管理系統(tǒng)。由于建筑物遮擋， GPS 定位技術難以精確定位。因此，目前廣泛需要一種兼具定位精度高、功耗低的固定資產(chǎn)定位系統(tǒng)，iBeacon 技術就顯得尤為重要。iBeacon 技術可以很好地判斷人員、物品的具體方位，精度可達到米級，因此可有針對性地為行業(yè)互聯(lián)化提供更多可能性。iBeacon 在接受到用戶請求定位指令后，計算出用戶的具體位置坐標并傳送到服務器端，服務器端經(jīng)過處理傳輸給云平臺。一個完整的 iBeacon 基站包含了低功耗 ARM SoC 芯片、存儲模塊、低功耗藍牙模塊、電池系統(tǒng)等。通過這些設備，iBeacon 可實現(xiàn)接收、傳輸、存儲、上傳信息甚至掃描、定位用戶等多種功能。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文系統(tǒng)主要由移動應用平臺、云平臺、定位基站、終端設備組成。終端設備包含卡片貼附型標簽和標準型固定資產(chǎn)定位標簽，由標簽監(jiān)測該固定資產(chǎn)的位置信息，然后由固定資產(chǎn)定位標簽向外廣播固定資產(chǎn)信息。定位基站分為LoRaWAN 基站和固定資產(chǎn)定位基站。固定資產(chǎn)定位基站向LoRaWAN 基站發(fā)送采集到的標簽信息，由 LoRaWAN 基站將定位測距的結(jié)果發(fā)送至云平臺。云平臺對接收到的數(shù)據(jù)進行相應的處理并儲存，以便實時查詢。云管理平臺對用戶、設備、監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息進行管理，包含連接管理平臺及應用支撐平臺。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 1 所示。

2 硬件設計

BeaconSense 藍牙標簽在靜止狀態(tài)下自動進入低功耗狀態(tài)，周期性地以相同的發(fā)送功率發(fā)送 iBeacon 格式廣播信息， 固定資產(chǎn)定位基站周期性地采集其信號覆蓋范圍內(nèi)的固定資產(chǎn)廣播信息。其中，藍牙標簽用載有藍牙數(shù)據(jù)包的無線電波給移動設備指示方位。藍牙信標是一個帶電池的藍牙模塊， 信標本身包括各種節(jié)能措施（如深度睡眠、免連接、協(xié)議簡單等），適用于室內(nèi)定位。藍牙信標的工作就是每隔一定的時間用無線電廣播一個藍牙數(shù)據(jù)包出去，這個數(shù)據(jù)包可以除了信標 ID 不含任何信息，既可以是當前位置的地理坐標（如經(jīng)度、緯度），也可以是其他相關信息。相對應的藍牙基站都能收到此信息，使用這些信息完成定位。配置好數(shù)據(jù)包的內(nèi)容后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺，云平臺可用這些信標找到相對應的工作人員所在的位置。定位精度和藍牙信標的鋪設密度和發(fā)射功率有密切關系。

LoRaWANModule（以下稱 LWM）是高度集成低功耗無線控制模塊，主要采用 LoRa 專利遠程調(diào)制解調(diào)技術，內(nèi)置STM32L 系列 CPU，用于超長距離擴頻通信。其在最大限度地降低電流消耗的同時，又大幅提高了抗干擾性和靈敏度。

LWM 支持 LoRaWAN Class A，B，C 三種協(xié)議模式，提供開源的 SDK 開發(fā)包， 通過 I2C/SPI/GPIO/ADC/DAC 等連接傳感器及控制器即可快速開發(fā)具備物聯(lián)網(wǎng)通信能力的產(chǎn)品。此外，其高靈敏度與功率放大器的集成使這些器件的鏈路預算達到了行業(yè)領先水平，成為遠距離傳輸和對可靠性要求極高的應用的最佳選擇。

云平臺接口通過 LPWAN 網(wǎng)絡上傳終端數(shù)據(jù)，經(jīng)過云平臺進行解析提取成相應的業(yè)務數(shù)據(jù)，使用 Http 協(xié)議 +Json 數(shù)據(jù)格式推送至相應第三方服務器上，降低各類型廠商接入LPWAN 的網(wǎng)絡使用成本。BeaconSense 人員定位標簽周期性地發(fā)送 iBeacon 協(xié)議的廣播信號，信號包含人員 ID 等信息。

3 軟件設計

客戶端 APP 的主要功能是掃描周圍藍牙設備， 將設備列表信息上傳至定位服務器，從而準確定位，并將結(jié)果展現(xiàn)給終端用戶。 Android 應用開發(fā)工程所需的 SDK 版本大于 17。Texas Instruments 引入了一款基于 Android 4.3 的APP“Bluetooth Smart SensorTag”， 通過該 APP 易于開發(fā)低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE）傳感器的應用。Android 4.3 系統(tǒng) Jelly Bean 支持 BLE， 故可運用 BLE 為相互連接的設備開發(fā) APP。在大量運用 BLE 的情況下，采用BLE 為相互連接的設備開發(fā)出的 APP 更有市場價值。對于本文系統(tǒng)，BLE 對低功耗室內(nèi)定位系統(tǒng)的開發(fā)具有非常重要的作用。

iBeacon 是一項低耗能藍牙技術，其工作原理類似于藍牙技術。本文由 Beacon 發(fā)射信號，藍牙設備定位接收、反饋信號。當用戶進入、退出或在區(qū)域內(nèi)徘徊時，Beacon 的廣播有能力進行傳播，可計算用戶和 Beacon 的距離（可通過RSSI 計算得到）。由此可知，只要有 3 個 Beacon 設備即可定位。

SurfaceView 空間用來繪制動畫效果，BluetoothAdapter 用來獲取藍牙設備，之后依次是藍牙設備信息向量、藍牙設備信號強弱向量、畫筆向量。在 onCreate 函數(shù)中執(zhí)行的初始化相關操作主要有畫筆初始化和 SurfaceView 初始化，并設置回調(diào)函數(shù)。因為線程里無法進行界面更新，所以要把消息從線程里發(fā)送出來在消息句柄里進行處理，故在本文系統(tǒng)第37 ～ 65 行會看到一個消息句柄，用來接收消息并根據(jù)消息內(nèi)容重繪 Surface View。

4 結(jié) 語

本文超低功耗室內(nèi)定位系統(tǒng)相較于其他系統(tǒng)擁有許多特色。此定位系統(tǒng)采用藍牙 +iBeacon 形式，功耗較低，使得室內(nèi)定位系統(tǒng)續(xù)航能力增強，在對固定資產(chǎn)定位時不必擔心系統(tǒng)沒電，也無需經(jīng)常性地更換硬件。超低功耗室內(nèi)定位系統(tǒng)除了功耗超低外，系統(tǒng)中每個藍牙設備的 ID 唯一，可定位指定固定資產(chǎn)。同時，本文低功耗室內(nèi)定位系統(tǒng)解決了許多人工監(jiān)控不能解決的問題，相比人工監(jiān)控成本更低，更加實用，因此具有較高的應用價值。