謝 鵬

(西安石油大學 計算機學院,陜西 西安 710065)

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基于藍牙技術的單區(qū)/多區(qū)物聯(lián)網的設計與應用

謝 鵬

(西安石油大學 計算機學院,陜西 西安 710065)

組建了面向智能移動客戶端且無需在客戶端安裝APP的低成本無線網絡，在最新藍牙技術產品基礎上自主實現(xiàn)了通訊級加密，設計出具有配套電子菜單的藍牙基站，并投入實際應用。給出了使用該種藍牙基站的組網方式及其實際的應用場景。

物聯(lián)網；單區(qū)網；多區(qū)網；藍牙

謝鵬.基于藍牙技術的單區(qū)/多區(qū)物聯(lián)網的設計與應用[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2016，31(6)：119-123.

XIE Peng.Design and application of a single-zone /multi-zone internet of things based on bluetooth technology[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(6):119-123.

引 言

近幾年，國家實施“互聯(lián)網+”行動計劃，極大地推動了國內物聯(lián)網技術及應用研究。目前，這一研究與應用的熱點從技術角度看，主要集中在3個方面[1-2]：①對客觀世界的感知并實時高效獲取前端數(shù)據(jù)；②網絡的互聯(lián)與信息的互通；③后臺的智能化處理。

隨著移動客戶端的飛速發(fā)展，很多物聯(lián)網應用系統(tǒng)都需要在客戶端安裝APP實現(xiàn)前后臺相連并獲取前端數(shù)據(jù)?？蛻舳税惭bAPP數(shù)量的增長不可避免地對客戶端造成安全隱患[3]，使得人們對APP的安裝產生了抵觸，不利于APP的推廣，進而影響到應用系統(tǒng)的使用。

為此，本文設計了一種組網方式，依靠具有自主加密的藍牙基站，移動客戶端無需安裝APP，當客戶端處于藍牙基站的信號覆蓋范圍之內時，只需通過微信的“搖一搖”即可實現(xiàn)系統(tǒng)登錄，安全地與后臺連接，實時完成客戶端與應用系統(tǒng)的交互，當客戶端離開藍牙基站的信號覆蓋區(qū)域時，自動脫離系統(tǒng)，客戶端無殘留信息，從而杜絕了APP給客戶端帶來的安全隱患，有利于系統(tǒng)的推廣使用。

1 物聯(lián)網架構

在物聯(lián)網中，客觀世界的對象可以被識別、定位，通過網絡的互通互聯(lián)將數(shù)據(jù)傳送到后臺進行處理，這是構成物聯(lián)網的基本要求。這一基本要求決定了其基本架構是3層：感知層、網絡層、應用層，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網體系架構Fig.1 Architecture of internet of things

1.1 感知層

物聯(lián)網中的感知層主要解決現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)獲取問題，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數(shù)據(jù)。感知層處于3層架構的最底層，是物聯(lián)網發(fā)展和應用的基礎。感知層一般包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)短距離傳輸兩部分，即首先通過智能終端、傳感器、攝像頭等采集外部物理世界的數(shù)據(jù)，通過藍牙、紅外、ZigBee、工業(yè)總線等短距離有線或無線傳輸技術進行協(xié)同工作或者傳遞數(shù)據(jù)到網關設備[4]。

1.2 網絡層

物聯(lián)網網絡層的主要功能是實現(xiàn)物聯(lián)網的數(shù)據(jù)傳輸，即信息的轉發(fā)和傳送。它將感知層獲取的信息傳送到遠端，為數(shù)據(jù)在遠端進行智能處理和分析決策提供強有力的支持。物聯(lián)網網絡層可以是互聯(lián)網，也可以是具體的某行業(yè)網，如無線通信網、衛(wèi)星通信網和有線電視網等[5]。

1.3 應用層

應用層是物聯(lián)網與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)物聯(lián)網的智能應用，物聯(lián)網的行業(yè)特性主要體現(xiàn)在其應用領域內，目前創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新、協(xié)同制造、電子商務、智慧能源、益民服務、便捷交通、綠色農業(yè)、城市管理、公共安全等各個行業(yè)都有物聯(lián)網應用的嘗試[6]。

本文的藍牙基站組網方案，在感知層使用的是根據(jù)一種低耗能藍牙技術設計出的藍牙基站，由該基站發(fā)射信號，移動設備定位接收，利用微信平臺中的“搖一搖”功能實現(xiàn)物聯(lián)網的接入，從而實現(xiàn)組網。

2 無線組網技術

2.1 無線局域網的組成結構

無線局域網的物理結構如圖2所示，由站(Station，STA)、無線介質(Wireless Medium， WM)、基站(Base Station，BS)或接入點(Access Point，AP)和分布式系統(tǒng)(Distribution System， DS)等部分組成。由無線局域網中移動站無線收發(fā)信機及地理環(huán)境所確定的通信覆蓋區(qū)域稱為一個基本服務區(qū)(Basic Service Area，BSA)，只包含一個BSA的網絡稱為單區(qū)網。

圖2 無線局域網的物理結構Fig.2 Structure of wireless LAN

站(點)也稱主機或終端，是無線局域網的最基本組成單元。站在無線網中即客戶端，它是具有無線網絡接口的計算設備或智能手機。

無線介質是無線局域網中站與站之間、站與接入點之間通信的傳輸介質。

無線接入點(簡稱接入點)類似蜂窩結構中的基站，是無線局域網的重要組成單元。無線接入點是一種特殊的站，它通常處于基本服務區(qū)的中心，固定不動。

一個基本服務區(qū)所能覆蓋的區(qū)域受到環(huán)境和主機收發(fā)信機特性的限制。為了覆蓋更大的區(qū)域，需要把多個基本服務區(qū)連接起來，分布式系統(tǒng)就是用來連接不同基本服務區(qū)的通信信道，它可以是有線信道，也可以是頻段多變的無線信道。

2.2 無線局域網的拓撲結構

無線局域網由多個部分組成，它們之間相互作用使得站(點)對上層而言具有移動透明性。從邏輯上分，無線局域網的拓撲結構主要有對等式、非對等式(基礎結構集中式)線型、星型和環(huán)型等，線型、星型和環(huán)型已廣為人知，這里只討論對等式和非對等式2種拓撲結構。

2.2.1 對等式 對等式網絡是一種獨立的基本業(yè)務組(Basic Service Set， BSS)，它至少有2個站，站之間可以直接相互通信，站之間的通信距離因設備或環(huán)境的不同而受到限制。對等式網絡是一種典型的、以自發(fā)方式構成的單區(qū)網，在可以直接通信的范圍內，該網中的站點之間可以直接通信而無需AP轉接，如圖3所示。

圖3 對等式拓撲結構Fig.3 Toplogical structure of peer-peer-network

2.2.2 非對等式 基礎結構集中式非對等式的單區(qū)網在無線局域網中更常見，這種單區(qū)網包括分布式系統(tǒng)、AP和端口實體，同時，它也是構成整個業(yè)務系統(tǒng)網絡的最小邏輯單位，其拓撲結構如圖4所示。

圖4 基礎結構集中式網絡拓撲結構Fig.4 Infrastructure centralized network topology

不同的單區(qū)網又可通過線型、星型、環(huán)型等結構構成涵蓋多業(yè)務的多區(qū)網。

3 基于藍牙技術的單區(qū)網/多區(qū)網的設計與應用

經過近20年研究，到2014年7月，藍牙技術已發(fā)展到4.2版。藍牙技術4.2版實現(xiàn)了BLE(低功耗藍牙)耗電延展技術，并強化了短鏈接通訊信道安全性。通過藍牙設備標記經緯度坐標，利用藍牙通訊，可以將任意物體、人體精準定位，誤差僅為20 cm。如今，移動互聯(lián)網極其豐富，藍牙技術已成為移動終端的標準配置，聯(lián)網后可將管理信息精確送達目標，并進行有效互動[7-8]。

3.1 組網設計

基于藍牙的單區(qū)網組網結構與圖4所示結構相同。該單區(qū)網中的AP采用的是具有自主加密算法的藍牙基站。

基于藍牙的多區(qū)網的一種組網結構如圖5所示。

圖5 藍牙基站安裝在公交站牌或公交車上作為AP的組網方式Fig.5 Networking mode of Bluetooth base station as AP in bus or bus station

圖5這種多區(qū)網組網方式，將藍牙基站安裝在公交站牌和公交車上，能以很低的成本高效地建立一個覆蓋城市主要商業(yè)網點的物聯(lián)網。該多區(qū)網的AP采用具有自主加密的藍牙基站，自主完成基站和移動設備之間通訊級的加密以及開發(fā)完成的電子菜單，菜單用HTML5/CSS3實現(xiàn)。

3.2 應用實例

(1)商業(yè)企業(yè)的應用

在商業(yè)企業(yè)營業(yè)場所(如餐館、購物廣場、影城等)組網后，其應用過程如圖6所示(以城市公交網為例)。

圖6 餐廳應用過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of the restaurant application

當用戶進入到藍牙基站的覆蓋范圍，智能手機的“微信”的“搖一搖”界面的左下角會出現(xiàn)“周邊”小天線圖標，通過搖動手機即可出現(xiàn)營業(yè)場所的電子菜單(圖6中以“搖吧點餐”為例)，在選擇桌號后，帶圖片的點菜單會推送到用戶的手機，同桌的客人都可以在各自的手機上點菜，并能對生成的菜單進行編輯，確認菜單后即可下單，用餐后可用選擇的付款方式完成消費。

在購物廣場或影城等場所，使用的過程與圖6所示類似。與傳統(tǒng)的消費模式相比，一方面提升客戶的消費體驗，另一方面降低商家的人力成本、推動商家的業(yè)務變革、提升商家的競爭力。

(2)政府服務窗口單位的應用

在政府服務窗口單位(如報稅大廳等)組網后，智能手機持有者進入服務大廳，只需通過“微信”中的“搖一搖”或掃描二維碼便可接入物聯(lián)網，進入排隊狀態(tài)，此時，辦理各種業(yè)務的流程和表格就被推送到客戶的手機上，客戶即可在排隊的過程中在線填寫相應表格或文檔，待到排隊結束提交相應文檔，既大大地提高辦事效率，又提升客戶的滿意度。

(3)運營商的應用

國內的運營商在經歷了其第一代的語言業(yè)務和第二代的短信/彩信業(yè)務后，現(xiàn)在為用戶提供的都是其第三代業(yè)務產品——數(shù)據(jù)流量包。不同運營商之間的產品“同質化”問題非常突出。運營商通過藍牙技術組網，即可為用戶提供“定制化”的產品服務。

上述3類應用場景與圖5所示的組網方式相結合，又會衍生出新的運營平臺。

4 結 語

可以預見，物聯(lián)網的建設、發(fā)展、應用有著極其廣闊的發(fā)展前景。在未來，各種無線網絡通信技術如藍牙、WiFi、ZigBee、超寬帶等和移動通訊(3G、4G或更高技術)等都將融合到互聯(lián)網中，形成穩(wěn)定高速的物聯(lián)網環(huán)境，各種應用軟件和智能家電也必將對人們的工作、學習和生活產生極大的影響。

[1] 中華人民共和國國務院.國務院關于積極推進“互聯(lián)網+”行動的指導意見[EB/OL].(2015-07-04).http://new.xinhuanet.com/politics/2015-07/04/c_1115815944.htm.

[2] 劉延吉.物聯(lián)網技術研究綜述[J].價值工程，2013,32 (22):226. LIU Yanji.An overview of technical research on internet of things[J].Value Engineering,2013,32 (22):226.

[3] 常清雪.移動Android APP安全監(jiān)測分析與研究[J].信息安全與技術，2016(2):55-58. CHANG Qingxue.Analysis and research on mobile android application security detection[J].Inforamtion Security and Technology,2016(2):55-58.

[4] 張春紅,裘曉峰，夏海輪，等，物聯(lián)網技術與應用[M].北京：人民郵電出版社，2012. ZHANG Chunhong,QIU Xiaofeng,XIA Hailun.The Internet of Things Technology and Application[M].Beijing:Posts & Telecom Press,2012.

[5] 吳成東，徐久強，張云洲.物聯(lián)網技術與應用[M].北京：科學出版社，2012. WU Chengdong,XU Jiuqiang,ZHANG Yunzhou.The Internet of Things Technology and Application[M].Beijing:Science Press,2012.

[6] 汪濤.無線網絡技術導論[M].2版.北京：清華大學出版社，2014. WANG Tao.Introduction to Wireless Network Technology[M].2nd ed.Beijing:Tsinghua University Press,2014.

[7] 錢志鴻，楊帆，周求湛.藍牙技術原理開發(fā)與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006. QIAN Zhihong,YANG Fan,ZHOU Qiuzhan.Bluetooth Technology Principle Development and Application[M].Beijing:Beihang University Press,2006.

[8] 錢志鴻，劉丹.藍牙技術數(shù)據(jù)傳輸綜述[J].通信學報，2012,33(4):143-151. QIAN Zhihong,LIU Dan.Survey on data transmission in Bluetooth technology[J].Journal on Communication,2012,33(4):143-151.

責任編輯：張新寶

Design and Application of a Single-zone /Multi-zone Internet of Things Based on Bluetooth Technology

XIE Peng

(College of Computer Science,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China)

A low cost wireless network for intelligent mobiles is constructed,and no need to install APP on the client.A Bluetooth base station product with communication level encryption and a matched electronic menu are developed based on the latest Bluetooth technology,and the product has been put into practical application.The networking mode and the application scenes of the Bluetooth base station are given.

internet of things;single-zone net;multi-zone net;Bluetooth

2016-02-09

陜西省工業(yè)科技攻關項目(編號：2015GV104)

謝鵬(1964-)，男，碩士，講師，主要從事客戶關系管理、ERP、物聯(lián)網等方面的技術與應用研究。 E-mail：xie_peng@vip.sina.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.06.019

TP393.094

1673-064X(2016)06-0119-05

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