基于藍(lán)牙5.0的無線信號(hào)強(qiáng)度識(shí)別設(shè)計(jì)

亓相濤 阮涵

摘要：隨著公共安全對(duì)人員之間接觸密度需求的不斷增長(zhǎng)，基于智能傳感網(wǎng)絡(luò)的人員接觸性信息采集應(yīng)用逐漸興起并發(fā)展。根據(jù)人際的物理交往會(huì)有位置靠近和時(shí)間逗留的特點(diǎn)，無線廣播式的信息交換成為常用的接觸記錄點(diǎn)采集媒介。本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙5.0低功耗信標(biāo)收發(fā)的人員接觸頻度匯記方法，通過交換身份數(shù)據(jù)、測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，獲取人員的位置距離；針對(duì)多邊數(shù)據(jù)交換的時(shí)間持續(xù)度、區(qū)域聚量度、陌生點(diǎn)耦合等特性，提出了XS-V親密度算法；利用XS-1的奇異點(diǎn)過濾技術(shù)，顯著提高了接觸有效點(diǎn)判別正確率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本文提出的藍(lán)牙低功耗信標(biāo)收發(fā)人員接觸頻度匯記方法，判定親密點(diǎn)準(zhǔn)確、親密度量值區(qū)分度高，能夠完成時(shí)間在10s內(nèi)接觸點(diǎn)2-50的親密度定量匯計(jì)。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙傳輸；信號(hào)強(qiáng)度；數(shù)據(jù)采集

一、引言

2020年初世界各地陸續(xù)爆發(fā)了新型冠狀病毒（2019-nCoV）疫情，在中國(guó)，此時(shí)正值中國(guó)春運(yùn)期間，各地區(qū)人員流動(dòng)量很大。為了防止疫病的快速傳播，武漢市于2020年1月23日上午10時(shí)做出了全市嚴(yán)格的臨時(shí)交通管制決定。

疾病的傳播離不開人員的接觸，在全國(guó)防疫狙擊戰(zhàn)中，嚴(yán)控人員接觸、疏散密集人群是其中的重要一環(huán)。由于新型冠狀病毒有7-14天的潛伏期，潛伏期內(nèi)具有不明確的傳染性，而潛伏期內(nèi)的人員外觀表現(xiàn)與健康的人員無異，因此如何排查出病毒攜帶者并梳理出帶病毒人員的接觸情況成為緊急需要解決的問題。

隨著大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的興起與發(fā)展，人員之間的接觸頻度可以由軟件的方式獲取。通過全面采集人員之間的通信數(shù)據(jù)，結(jié)合人員自身登記的基本數(shù)據(jù)、交通出行數(shù)據(jù)、就醫(yī)登記數(shù)據(jù)等，建立軟件數(shù)據(jù)模型篩選有效信息，明確人員關(guān)系并得出人員接觸情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。如2020年1月29日，由阿里巴巴工程師開發(fā)的“浙江省新型肺炎防控公共服務(wù)管理平臺(tái)”，在第一時(shí)間通過信息交集搜索可以獲取到“新型肺炎患者同行程查詢”。

另一方面，人員的接觸也可以由傳感采集直接獲取。短距離無線通信可以作為采集人員接觸頻度的一種有效媒介。目前社會(huì)上短距離無線通信有WLAN、紅外、藍(lán)牙、Lora較為常用，它們是支撐現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信的最后一節(jié)。根據(jù)人員接觸采集的需求，使用無線短距離通信終端作為采集器要對(duì)距離變化敏感度高。相比較WLAN、紅外、Lora三種無線信息收發(fā)方式，藍(lán)牙通信對(duì)距離變化最為敏感，因此使用藍(lán)牙終端收發(fā)采集人員接觸頻度最為合適。

二、信號(hào)強(qiáng)度采集模型

三、測(cè)試仿真統(tǒng)計(jì)

本文親密度的實(shí)驗(yàn)在湖北省武漢商學(xué)院內(nèi)進(jìn)行，具體實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所為學(xué)校內(nèi)部的南區(qū)2號(hào)教學(xué)樓（J-2）、北區(qū)觀湖苑6號(hào)教學(xué)樓（J-1）、北區(qū)1號(hào)食堂（S-1），實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位置坐落圖如下所示 圖3-1。

實(shí)驗(yàn)參與人員有35名，包括30名2016級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程班學(xué)生、5名信息工程學(xué)院教師，均攜帶藍(lán)牙收發(fā)一體終端。在場(chǎng)地J-2、J-1、S-1位置安裝了固定中轉(zhuǎn)設(shè)備，收集終端采集到的人員親密度數(shù)據(jù)及經(jīng)過該點(diǎn)的時(shí)間信息。采集終端核心硬件選用stm32F103ZET6處理器、HC-42藍(lán)牙5.0模塊、4G無線模塊。藍(lán)牙外射廣播功率 為10 d Bm，收發(fā)模塊切換時(shí)間為2min，發(fā)送模式信號(hào)重發(fā)時(shí)間間隔為0.1S（100 ms），接收模式信號(hào)重掃描時(shí)間間隔為 200ms。

首先進(jìn)行兩點(diǎn)距離測(cè)定評(píng)估實(shí)驗(yàn)，所在環(huán)境為南2教學(xué)樓一間18×18m2的實(shí)驗(yàn)教室，關(guān)閉所有其它無線設(shè)備，固定一個(gè)藍(lán)牙終端Bterm1的位置，然后另一終端Bterm2在距離Bterm1終端0.5m、1m、1.5m、2m...10m的位置，每次停留大于2min的時(shí)間。兩個(gè)終端控制器載入制式的程序，該程序無最低信號(hào)強(qiáng)度的閾值判斷，記錄藍(lán)牙接收信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。本組測(cè)試完成后更換兩個(gè)新終端繼續(xù)按上述環(huán)節(jié)測(cè)試，重復(fù)10組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-2所示：

從圖3-2的曲線圖可以得出，藍(lán)牙終端接收到的信號(hào)隨收發(fā)兩端的距離增加而迅速衰減，同型號(hào)的終端接收信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)性率不大，其中A為信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度，B為距離2m的接收強(qiáng)度，C為距離5m的接收強(qiáng)度。藍(lán)牙信號(hào)在0-2m范圍內(nèi)信號(hào)衰減率低，2-8m信號(hào)強(qiáng)度與距離成指數(shù)級(jí)衰減。利用此規(guī)律，測(cè)定C強(qiáng)度為人員有人際接觸的判斷閾值，B為接收強(qiáng)度最高量，即8位數(shù)據(jù)實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度記錄范圍為C--B，信號(hào)強(qiáng)度分辨率為（B-C）/255。

四、結(jié)語

本文提出一種基于藍(lán)牙收發(fā)的人員親密度計(jì)算采集方法，首先設(shè)計(jì)了信號(hào)強(qiáng)度采集模型，并使用高斯分布過濾提高了信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的可靠性，然后確定了親密度定義及計(jì)算方式，通過加權(quán)分配調(diào)整了親密度數(shù)值的不均衡性，設(shè)計(jì)了藍(lán)牙廣播收發(fā)的傳輸包格式，解決了多人接收的強(qiáng)信號(hào)壟斷問題，最后通過測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠完成在30個(gè)結(jié)點(diǎn)內(nèi)親密度的采集分析任務(wù)，佐證了本文親密度研究設(shè)計(jì)的合理性。人員親密度的研究在社會(huì)上剛起步，實(shí)用性的對(duì)比案例較少，后續(xù)我們會(huì)在無線傳輸上嘗試新的采集途徑，并在親密度精準(zhǔn)性上進(jìn)一步優(yōu)化，逐步推廣親密度的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳璇，薛峰，余敏.基于蟻群算法的支持向量機(jī)室內(nèi)藍(lán)牙標(biāo)定定位[J].江西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020（02）.

[2] 王勇，趙麗紅，楊四化，等.基于藍(lán)牙智能手環(huán)與Beacon基站的馬拉松計(jì)時(shí)系統(tǒng)[J].電子世界，2017（13）.

[3] 梁斌，林美嬌，何海軍.低功耗藍(lán)牙DA14585的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析[J].電子測(cè)試，2020（05）.

[4] 趙帥豪，王堅(jiān).一種基于低功耗藍(lán)牙的室內(nèi)定位技術(shù)[J].北京測(cè)繪，2020（02）.

[5] 王瑩.本土藍(lán)牙芯片廠商的市場(chǎng)策略：鎖定特定領(lǐng)域，提供特色解決方案[J].電子產(chǎn)品世界，2020，27（02）.

[6] 秦玉海，陳杰，康小彤.藍(lán)牙嗅探方案的探討[J].科技傳播，2017（17）.

[7] 張蓮，劉增里，李云昊，等.基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)二階段定位算法研究[J].電子世界，2017（18）.

基金項(xiàng)目：武漢市教育科學(xué)規(guī)劃課題--基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化校園構(gòu)建及應(yīng)用研究（項(xiàng)目編號(hào)：2017C162）

作者簡(jiǎn)介：亓相濤（1985—），男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)；阮涵（2000—），男，湖北黃岡人，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。