基于物聯(lián)網(wǎng)及Android技術(shù)的“迷失無憂”服務(wù)平臺設(shè)計(jì)

黃軼文　盧世軍　陳杰柱　蘇桂強(qiáng)

摘要：市場上已經(jīng)出現(xiàn)了不少跟蹤器，這些設(shè)備通過與手機(jī)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(shè)計(jì)一種多對多的定位跟蹤平臺，既滿足傳統(tǒng)的定位跟蹤需要，又能滿足社會廣大人群的實(shí)際要求。

關(guān)鍵字：定位跟蹤；智能鑰匙扣；APP；數(shù)據(jù)中心

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)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(jiān)護(hù)人的疏忽大意而造成的“走丟”現(xiàn)象正屢有發(fā)生，現(xiàn)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(shù)也已超過一次。兒童老人的“走丟”已經(jīng)成為了一個(gè)不容忽視的社會現(xiàn)實(shí)問題。另一方面，俗稱“健忘癥”——“忘帶鑰匙、忘帶手機(jī)”的現(xiàn)象已經(jīng)成為現(xiàn)代都市人的日常生活困擾?；谝陨犀F(xiàn)狀，人們迫切希望能夠研創(chuàng)一種工具，從而簡單高效地解決這個(gè)問題[1]。

文獻(xiàn)[2-5]指出：市場上出現(xiàn)了各式各樣的兒童、老人跟蹤器， 主要基于RFID或利用GPS技術(shù)來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)?；赗FID的跟蹤器缺點(diǎn)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(gè)問題， 但是 GPS 定位存在一定的盲區(qū)， 且受外界環(huán)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(shí)時(shí)定位追蹤。針對這一領(lǐng)域研究背景， 本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)及Android技術(shù)相結(jié)合的定位跟蹤平臺的設(shè)計(jì)方案：“迷失無憂”服務(wù)平臺。

1“迷失無憂”服務(wù)平臺系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)應(yīng)用定位

本服務(wù)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(shí)發(fā)現(xiàn)孩子或老人離開，甚至被拐帶時(shí)也可以追蹤其位置。還可以應(yīng)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(jī)APP連接，手機(jī)APP與數(shù)據(jù)中心連接，可以為用戶提供貼心的服務(wù)——貴重物品的防丟等領(lǐng)域功能實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)規(guī)格設(shè)計(jì)

藍(lán)牙檢測距離最大為30米，當(dāng)距離5米時(shí)發(fā)出報(bào)警，30米內(nèi)可以通過信號強(qiáng)度來進(jìn)行度量比較，實(shí)現(xiàn)人或物品的追蹤、定位。智能鑰匙扣電源可重復(fù)充電，采用低功耗芯片，電池容量不小于100mA，續(xù)航時(shí)間不低于240小時(shí)。配置太陽能充電模塊和USB充電模塊。手機(jī)APP安裝包不超過500KB，心跳頻率可調(diào)，通信流量不超過20BPS?！岸鄬Χ唷倍ㄎ?，應(yīng)用APP端的用戶數(shù)，用戶人數(shù)越多，人或物品找回的幾率越高，統(tǒng)計(jì)找到率應(yīng)超過95%。

1.3. 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

“迷失無憂”平臺是一個(gè)基于移動物聯(lián)網(wǎng)的尋蹤產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計(jì)。該平臺主要由三部分組成：（1）智能鑰匙扣，內(nèi)嵌低功耗的藍(lán)牙芯片；（2）裝有專用APP軟件的手機(jī)；（3）數(shù)據(jù)中心平臺。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)由“兩網(wǎng)三物”組成，通過“兩網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)“三物”的物物相連[1]。

1.4 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

用戶注冊智能鑰匙扣和手機(jī)APP，用戶的信息、智能鑰匙扣和手機(jī)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(tǒng)邏輯實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程設(shè)計(jì)原理可做如下論述：

智能鑰匙扣A，定時(shí)發(fā)射自身的ID，類似心跳機(jī)制，手機(jī)A接受該心跳信息。如果手機(jī)A超過一段時(shí)間沒有接收到鑰匙扣A的心跳，判斷鑰匙扣已經(jīng)遠(yuǎn)離。此時(shí)，可能發(fā)生物品丟失或兒童老人走失。

手機(jī)A通知數(shù)據(jù)中心平臺，“鑰匙扣A丟失，擁有該扣的是用戶A”。

數(shù)據(jù)中心平臺向全網(wǎng)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(jī)“我是鑰匙扣A”， 用戶B的手機(jī)立即會報(bào)警“您身邊可能有一個(gè)丟失的老人和兒童，請立即與總臺聯(lián)系”。

數(shù)據(jù)中心平臺同時(shí)向用戶A發(fā)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(lán)牙模塊。該模塊的芯片集成ble藍(lán)牙4.0協(xié)議，采用 TI的 CC2540作為核心處理器。運(yùn)行在 2.4 GHz ISM band，GFSK調(diào)制方式（高斯頻移鍵控），40頻道 2 MHz的通道間隙，3個(gè)固定的廣播通道，37個(gè)自適應(yīng)自動跳頻數(shù)據(jù)通道，物理層可以和經(jīng)典藍(lán)牙 RF組合成雙模設(shè)備， 2 MHz間隙能更好地防止相鄰頻道的干擾。寬輸出功率調(diào)節(jié) （-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(chǎn)品和智能移動設(shè)備，模塊啟動后會自動進(jìn)行廣播，已打開特定 APP的手機(jī)會對其進(jìn)行掃描和對接，成功之后便可以通過 BLE協(xié)議對其進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該平臺的軟件形態(tài)為手機(jī)APP，應(yīng)用了Android4.5， 支持多種無線網(wǎng)絡(luò)連接方式， 如 GPRS、WiFi、藍(lán)牙等[7]。軟件APP包括幾個(gè)部分：會員管理模塊、藍(lán)牙通訊模塊、網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

由圖4可知，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中各模塊的實(shí)現(xiàn)功能可概述如下：

（1）會員管理模塊。提供用戶注冊、設(shè)備注冊、用戶資料修改、用戶密碼修改、鑰匙扣綁定、實(shí)時(shí)監(jiān)控頁面、參數(shù)設(shè)備等功能。每個(gè)智能鑰匙扣都有對應(yīng)的一個(gè)設(shè)備ID，因此用戶在新購置鑰匙扣并在數(shù)據(jù)中心填寫好對應(yīng)的諸如該物品的類型、名字等信息后，點(diǎn)擊添加設(shè)備ID，可以將設(shè)備注冊。

使用者可以輕松地查看所選定需要監(jiān)聽的身邊物品的狀態(tài)，當(dāng)物品離開使用者身邊太遠(yuǎn)的時(shí)候，應(yīng)用會通過手機(jī)鈴聲通知使用者。而信號強(qiáng)度代表該物品與使用者的距離。

（2）藍(lán)牙通訊模塊。采用近場通訊協(xié)議，定時(shí)掃描周邊的藍(lán)牙設(shè)備，檢測藍(lán)牙設(shè)備的ID是否符合平臺規(guī)范。

（3）網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。使用socket機(jī)制，實(shí)時(shí)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(shù)據(jù)中心平臺。

（4）GPS定位模塊。計(jì)算經(jīng)緯度，轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。

（5）告警模塊。發(fā)出聲光報(bào)警，發(fā)送振動指示給操作系統(tǒng)。

（6）版本自動更新模塊。作為后臺值守程序在操作系統(tǒng)層運(yùn)行，同步服務(wù)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(shè)備與用戶的所有日志，并給予數(shù)據(jù)加密。日志數(shù)據(jù)可用于故障定位、排除糾紛等。

4數(shù)據(jù)中心平臺設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心平臺是系統(tǒng)的核心，包括四大模塊，分別是：數(shù)據(jù)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(shè)有兩個(gè)存儲單元。如圖5所示。

由圖5可知，數(shù)據(jù)中心平臺中各設(shè)計(jì)組件的實(shí)現(xiàn)功能可做如下分析：

（1）數(shù)據(jù)交換模塊。對應(yīng)手機(jī)的通信模塊，采用socket機(jī)制，用于與手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（2）用戶行為分析模塊。通過分析用戶的位置信息、手機(jī)和鑰匙扣告警的時(shí)間等數(shù)據(jù)，相應(yīng)地為用戶作出信息提示。

（3）用戶管理模塊。定制實(shí)現(xiàn)用戶的注冊、登錄、身份驗(yàn)證，每個(gè)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(tǒng)運(yùn)行日志。

（5）Mysql數(shù)據(jù)庫。用于存儲整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，使用開源的數(shù)據(jù)庫MYSQL。

（6）Hbase數(shù)據(jù)庫。用于存儲包括日志在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供用戶行為分析、預(yù)測的功能。HBase利用開源MapReduce平臺Hadoop，提供了可伸縮數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)。MapReduce是用來運(yùn)行大規(guī)模并行計(jì)算的框架。采用MapReduce 的應(yīng)用恰如一個(gè)人提交的批處理作業(yè)，但是這一批處理作業(yè)卻都不是運(yùn)行在單個(gè)服務(wù)器上，而且其中的應(yīng)用和數(shù)據(jù)都是分布在多個(gè)服務(wù)器上。

本平臺的突出特點(diǎn)是“多對多”定位，就是應(yīng)用APP端的用戶數(shù)，其用戶人數(shù)越多，人或物品找回的幾率越高。用戶和物品是N x N的關(guān)系，當(dāng)用戶數(shù)量是萬級別時(shí)，兩者關(guān)系就達(dá)到了億級別，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已經(jīng)無法從大量的用戶行為中分析和預(yù)測用戶使用習(xí)慣，而Hbase則卓具實(shí)效地解決了這一問題。在編程實(shí)現(xiàn)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(jié)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(wù)平臺，通過發(fā)展廣大手機(jī)用戶應(yīng)用“迷失無憂”手機(jī)APP，形成一張無形的安全網(wǎng)，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(lián)網(wǎng)、Android和云平臺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“物物相連，人人相連”。

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