劉 紅, 胡 鑫, 馬天時

(上海電機學(xué)院 電子信息學(xué)院， 上海 201306)

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基于iBeacon技術(shù)的消息推送機制的應(yīng)用與實現(xiàn)

劉 紅, 胡 鑫, 馬天時

(上海電機學(xué)院 電子信息學(xué)院， 上海 201306)

結(jié)合iBeacon技術(shù)實現(xiàn)的消息推送，使運行于iOS系統(tǒng)上的應(yīng)用程序在室內(nèi)也可以準確地向用戶推送消息。系統(tǒng)采用低功耗藍牙技術(shù)——iBeacon技術(shù)作為解決方案，來提高iOS應(yīng)用程序在室內(nèi)基于位置推送消息的準確度。系統(tǒng)最終實現(xiàn)了在室內(nèi)通過布置依賴于iBeacon技術(shù)的藍牙基站，提高了iOS應(yīng)用程序在室內(nèi)基于位置推送消息的準確度。

iBeacon技術(shù)； iOS應(yīng)用； 推送通知； 低功耗； 藍牙基站

據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的“2016—2022年中國智能手機行業(yè)分析及投資前景預(yù)測報告”[1]顯示，中國未來智能手機的數(shù)量將繼續(xù)以不小的規(guī)模增長。不僅在中國，在全球范圍內(nèi)智能手機的增長都呈現(xiàn)這樣的趨勢，智能手機已逐漸成為人們生活中不可或缺的一部分。智能手機的發(fā)展離不開運行于智能手機之上的應(yīng)用程序，而各種應(yīng)用程序又可以帶來各種信息。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用程序向用戶提供信息的方式也越來越多，本文研究推送消息的機理。

從機制上，以推送的形式發(fā)送給用戶的消息主要有兩種[2]：① 本地信息推送。該類消息是基于時間來推送信息。推送的信息強調(diào)來自應(yīng)用程序本身，而采用該推送機制的應(yīng)用程序常見于GTD(Getting Things Done)類的應(yīng)用程序，如利用“鬧鐘”、“日歷”設(shè)置時間提醒用戶，或在“待辦事項”中設(shè)置事件、時間，并在設(shè)置的時間通知用戶。采用本地信息推送的應(yīng)用程序存在推送內(nèi)容需要用戶事先設(shè)置的局限，且只能在規(guī)定時間發(fā)送通知內(nèi)容，不能動態(tài)地推送消息。② 遠程消息推送。該類消息是基于Apple的APNs(Apple Push Notifiction)或Google的GCM(Google Could Messaging)[3]服務(wù)器來實現(xiàn)消息的推送。相較于本地信息推送，其不受時間和內(nèi)容的約束，可以在任意時間向用戶推送動態(tài)的消息內(nèi)容。但是，無論是本地消息推送還是遠程消息推送，都只是依賴于固有的推送模式，很難實現(xiàn)真正意義上消息推送的智能化。究其原因在于消息推送的時間和內(nèi)容往往是由消息服務(wù)器單方面決定的，不能做到響應(yīng)以及內(nèi)容的智能化選擇。

為了能夠更智能地向用戶推送消息，基于位置的服務(wù)(Location Based Service，LBS)通過用戶地理位置+遠程消息推送的工作模式，實現(xiàn)基于用戶當(dāng)前的地理位置向用戶推送位置周邊的信息，實現(xiàn)推送消息內(nèi)容以及響應(yīng)的智能化。但是，基于地理位置的消息推送服務(wù)往往對GPS的信號依賴性較強，且就消息推送服務(wù)而言，工作環(huán)境大多在室內(nèi)，因此，通過用戶的GPS位置來遠程推送消息，并不特別可靠。為此，本文采用了iBeacon技術(shù)+遠程消息推送的工作模式來為用戶提供基于室內(nèi)位置的消息推送服務(wù)。

本文基于Apple公司推出的低功耗藍牙(Buletooth Low Energy, BLE)技術(shù)——iBeacon技術(shù)，結(jié)合消息遠程推送機制設(shè)計了一個智能消息推送系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)的iBeacon基站位置由推送的消息內(nèi)容決定，以實現(xiàn)針對位置推送內(nèi)容的合理性；同時，以iBeacon基站作為消息觸發(fā)器，實現(xiàn)消息響應(yīng)的智能化；并且以后臺服務(wù)器作為消息的提供者，以iOS應(yīng)用程序作為信息顯示的窗口[4]。

1 iBeacon技術(shù)

iBeacon技術(shù)是2013年Apple全球開發(fā)者大會(Worldwide Developers Conference, WWDC)大會上推出的一種服務(wù)于室內(nèi)定位和廣告服務(wù)的BLE 4.0技術(shù)。其擁有如下優(yōu)點[3-5]：① 免布線。 基于iBeacon技術(shù)實現(xiàn)的系統(tǒng)，不可避免地需要涉及到外部硬件的支援，但得益于采用藍牙作為無線通信方式，免去了布線煩惱，降低了后期維護難度。② 低成本。得益于外部硬件的工作模式——“僅需要不斷地向外界廣播自身的iBeacon ID(UUID、Major、Minor)”，故僅需給支持藍牙4.0協(xié)議的芯片外接幾個由阻容器件構(gòu)成的濾波電路和PCB天線，便能實現(xiàn)廣播功能，故可以做到在支援硬件上的低成本化，同時為大型化場景的實施起到一定促進作用。③ 低功耗。無論是裝載應(yīng)用程序的iOS設(shè)備還是作為外部支援的硬件，均得到BLE 4.0技術(shù)的保駕護航，滿載動力。④ 室內(nèi)定位準?；趇Beacon技術(shù)實現(xiàn)的系統(tǒng)，大多是運用于室內(nèi)環(huán)境，相交于傳統(tǒng)的定位方式，其抗干擾能力更強、定位更準。

實踐也證明，采用iBeacon技術(shù)設(shè)計的消息推送系統(tǒng)無論是在性能、功耗上，還是成本上都是不錯的選擇。

1.1 iBeacon技術(shù)原理

基于iBeacon技術(shù)實現(xiàn)的消息推送系統(tǒng)，其工作機制是當(dāng)安裝了該應(yīng)用程序的iOS設(shè)備在打開藍牙(硬件支持藍牙4.0)的前提下，靠近外部的iBeacon基站便能獲取到推送消息[5]。

需要注意的是，iBeacon藍牙基站不是偽基站,不會對外推送定制消息。所有手機應(yīng)用程序獲得的推送消息都是基于iBeacon身份的ID認證通過后的外部數(shù)據(jù)，它綁定的是數(shù)據(jù)庫或云服務(wù)。iBeacon的工作原理如圖1所示。

圖1 iBeacon系統(tǒng)工作原理

基于這種工作模式，可以為不同的iBeacon藍牙基站制定不同的消息響應(yīng)內(nèi)容；由于iBeacon藍牙基站的布置是由系統(tǒng)決定的，系統(tǒng)了解該iBeacon基站附近的情況、需要的內(nèi)容，故可實現(xiàn)消息的定制化推送。

1.2 iBeacon技術(shù)推送消息的實現(xiàn)

本系統(tǒng)首先使用外部硬件——iBeacon藍牙基站來作為消息的觸發(fā)器，其工作模式僅僅是無連接地向外界廣播自身的iBeacon ID；然后，iOS操作系統(tǒng)在接收到該iBeacon藍牙基站傳送的信號后先進行解釋，并向等待iBeacon咨詢的所有應(yīng)用程序發(fā)送解釋接收到的內(nèi)容，當(dāng)應(yīng)用程序確定得到的內(nèi)容屬于自己的咨詢內(nèi)容，便將得到的內(nèi)容發(fā)送給對應(yīng)的后臺服務(wù)器；最后，服務(wù)器根據(jù)應(yīng)用程序傳來的內(nèi)容，調(diào)度相應(yīng)的消息響應(yīng)方式推送至用戶的iOS設(shè)備上，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

2 iBeacon藍牙基站功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)的iBeacon藍牙基站只需要不斷地向外界廣播自己的iBeacon ID，故在外部硬件的設(shè)計施工中，在藍牙4.0芯片周圍外接幾個由阻容器件構(gòu)成的濾波電路和PCB天線即可實現(xiàn)廣播功能。系統(tǒng)的iBeacon藍牙基站選用的是TI公司的CC2541 BLE芯片，搭載于SmartRF開發(fā)板上作為iBeacon藍牙基站[3，6]，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的iBeacon藍牙基站

iBeacon藍牙基站采用的是BLE技術(shù)，并利用其中的通告幀(Advertising)進行廣播。通告幀為定期發(fā)送的幀，只要支持BLE的設(shè)備都能接收[6]。iBeacon藍牙基站通過將Apple公司自主格式的數(shù)據(jù)嵌入到通告幀的有效負載部分，以使廣播內(nèi)容能被iOS操作系統(tǒng)識別，嵌入的數(shù)據(jù)如下：

/*Apple Pre-Amble*/

0x4C

0x00

0x02

0x15

除外，該位置還包含了iBeacon藍牙基站自身的iBeacon ID，分別為UUID、Major、Minor。其中:① UUID為全球唯一標識符，即規(guī)定為ISO/IEC 11578:1996標準的128位標識符，可以在macOS操作系統(tǒng)的終端鍵入uuidgen命令生成，也可以在Objective-C編程中通過Foundation框架中的NSUUID基類制作。UUID特別應(yīng)用于當(dāng)前應(yīng)用程序且只屬于該應(yīng)用程序。② Major是發(fā)布者自行設(shè)定的16位標識符。它進一步確定該iBeacon藍牙基站的使用情景。③ Minor也是發(fā)布者自行設(shè)定的16位標識符，其允許將iBeacon使用的場景再進行細分。

以上三者的作用可參考表1。其中，UUID的意義是做第1層身份識別，只有接收到的廣播內(nèi)容中包含表中的UUID，系統(tǒng)的應(yīng)用程序才會將接收到的廣播內(nèi)容交付給后臺服務(wù)器；由后臺服務(wù)器根據(jù)不同的Major、Minor組合調(diào)度不同的消息響應(yīng)。

表1 iBeacon ID的應(yīng)用樣例

iBeacon藍牙基站通告幀部分還包含了一個功率測量(Measure Power)參數(shù)，它是iBeacon藍牙基站與接收器(裝載該應(yīng)用程序的手機)之間相距1 m時的參考接收信號強度(Received Signal Strength Indication，RSSI)。該參數(shù)主要用于室內(nèi)定位，本文中不涉及，故不詳細介紹。

iBeacon藍牙基站自身iBeacon ID在通告幀中嵌入的數(shù)據(jù)樣例如下：

/*Device UUID(16 BYTES)*/

0x76,0x34,0xA4,0x85,0x17,0x32,0x4B,0x7D,0xAB,0x44,0xD5,0x05,0xD8,0xA2,0x4C,0x60

/*Major Value (2 BYTES)*/

0x00,0x01

/*Minor Value (2 BYTES) */

0x00,0x02

/*calibrated Tx Power*/

0xCD

3 iBeacon應(yīng)用程序的設(shè)計

本消息推送系統(tǒng)運行于iOS平臺，而目前市面上兩大主流手機操作系統(tǒng)分別為iOS和Android，Android平臺擁有與iBeacon技術(shù)相似的、由谷歌公司推出的Eddystone技術(shù)[7]，本文不做討論。

3.1 引入框架設(shè)置監(jiān)視器

iBeacon的本質(zhì)是一個位置(區(qū)域)信息，故iBeacon的功能集都被封裝在與地理位置相關(guān)的Core Location Framework框架[8]中，在程序開發(fā)時先引入該框架。

在系統(tǒng)工作流程中，iOS操作系統(tǒng)(iOS 7及以上)先對接收到的iBeacon藍牙基站廣播的數(shù)據(jù)進行解釋，并將得到的信息交付給等待iBeacon咨詢的應(yīng)用程序。為確保iBeacon藍牙基站廣播的內(nèi)容能被交付給等待咨詢的應(yīng)用程序，設(shè)置1個監(jiān)視器[9-10]以實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)控，并保證應(yīng)用程序工作在前、后臺或被殺死的情況下都能響應(yīng)消息的調(diào)度(運用于測距時必須工作在前臺狀態(tài)下)。監(jiān)視器設(shè)置如下：

[self.beaconManager requestAlwaysAuthorization];

[self.beaconManager startMonitoringForRegion: [[CL BeaconRegion alloc]

initWithProximityUUID:[[NSUUID alloc]

initWithUUIDString:@"B9407F30-F5F8-466E-AFF9-25556B57FE6D"]

identifier:@"monitored region"]];

為了提高消息的響應(yīng)速度，接收iBeacon咨詢的應(yīng)用程序需先驗證UUID，即與監(jiān)視器中設(shè)置的UUID作比較，若確認是發(fā)送給自己的咨詢，則將得到的iBeacon ID數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺服務(wù)器；否則，不做任何應(yīng)答。

3.2 deviceToken生成與認證

要使推送的消息在系統(tǒng)應(yīng)用程序不工作的情況下也能接收到推送內(nèi)容，必須采用遠程推送消息的形式。iOS設(shè)備上的所有遠程消息推送都是基于Apple公司提供的APNs服務(wù)器轉(zhuǎn)送給用戶的，為了準確地把消息推送給目的設(shè)備，必須注冊生成deviceToken。deviceToken在系統(tǒng)中的作用如圖3所示。圖中，① APNs服務(wù)器與iOS設(shè)備之間長期存在一個通過SSL加密的長連接，使應(yīng)用程序在不工作的狀態(tài)下也能接收到推送消息；② 當(dāng)應(yīng)用程序第一次被安裝在iOS設(shè)備上時，應(yīng)用程序通過iOS設(shè)備與APNs之間的SSL連接在APNs服務(wù)器中注冊一個deviceToken，用來唯一標識安裝該應(yīng)用程序的設(shè)備;③ deviceToken注冊成功后上傳到系統(tǒng)的后臺服務(wù)器，由后臺服務(wù)器管理和維護系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)備；除此，在每次上報獲得的iBeacon藍牙基站廣播消息的同時上報設(shè)備的deviceToken,使系統(tǒng)知道請求是哪個設(shè)備發(fā)送的；④ 將deviceToken和要推送的消息交付給APNs服務(wù)器，APNs服務(wù)器通過查詢deviceToken將消息推送至目的設(shè)備。

圖3 deviceToken在系統(tǒng)中的作用

deviceToken是基于應(yīng)用程序的APP ID(Bundle Identifer)和iOS設(shè)備的UUID注冊生成的，在應(yīng)用程序第1次啟動且接受開啟推送功能時，向APNs服務(wù)器發(fā)送注冊請求，用來唯一識別安裝該應(yīng)用程序的設(shè)備[11-12]，其注冊過程如下：

-(viod)application:(UIApplication*)application didRegisterUserNotificationSettings：(UIUserNotificationSettings *) notificationSettings

{

[application registerForRemoteNotifications];

}

-(viod)application:(UIApplication *) application didRegisterForRemoteNotificationsWithDeviceToken:(NSData *)deviceToken

{

NSLog(@"%@", deviceToken);

}

生成的deviceToken樣例如下：

App ID iot4work-gmail-com-s-noyif-aud

App Token 4c453af16bb0e77c43a7cdb411a7bff2

deviceToken生成后，應(yīng)用程序發(fā)送Http Request請求給后臺服務(wù)器，在后臺服務(wù)器建立對應(yīng)的用戶表。系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)@取到的iBeacon ID和deviceToken向后臺服務(wù)器上報,具體如下：

NSURL *url=[ NSURL URLWithString： @"http://ibeaconti.applinzi.com/index.php"];

NSMutableURLRequest *request=[NSMutableURLRequest requestWithURL:url];

NSString*submitContent=@"UUID=_uuid Major=_major & Minor =_minor & Device Token= _deviceToken";

[request setHTTPMethod:@"POST"];

[request setHTTPMethod: [submitContent dataUsingEncoding:NSUTF8StringEncoding]];

這樣，當(dāng)iBeacon廣播信息傳送至服務(wù)器時，就確定了傳入信息的合法性(查詢deviceToken對應(yīng)的表中是否存在，即deviceToken認證)以及推送消息將到達的目的地(deviceToken)[11]。

3.3 消息推送

對于應(yīng)用程序上報的iBeacon數(shù)據(jù)，服務(wù)器通過對Major、Minor的組合確定推送的具體消息[13-14]，連同device token(向APNs服務(wù)器報告消息發(fā)送的對象)向APNs服務(wù)器打包發(fā)送。服務(wù)器推送消息流程如圖4所示。

消息服務(wù)器與APNs服務(wù)器之間仍采用SSL加密協(xié)議[15-16]。先生成一個專門用于推送的憑證，并在macOS的keychain中輸出,其目的是將產(chǎn)生的密鑰在服務(wù)器和APNs服務(wù)器的SSL加密協(xié)議中使用。本文使用Google開發(fā)的第3方函數(shù)庫JavaPNS來處理SSL加密。消息推送至服務(wù)器過程如下：

圖4 消息推送流程

Fig.4 Message push flow

import javapns.Push

public class ANPTest

{

public static void main(String[] args)

{

try

{

String Token="4c453af16bb0e77c43a7cdb411a7bff2";

String KEYNAME="KEY.p12";

String KEYPWD="Ab119";

Push.alert("歡迎光臨Cool服裝店，種種精彩為你呈現(xiàn)"，KEYNAME,KEYPWD,false,TOKEN);

}

catch(Exception e)

{

System.out.println(e);

}

}

}

消息數(shù)據(jù)樣式如下：

textTpl="〈xml〉

〈ToUserName〉〈![CDATA[%s]]〉〈/ToUserName〉

〈FromUserName〉〈![CDATA[%s]]〉〈/FromUserName〉

〈MsgType〉〈![CDATA[news]]〉〈/MsgType〉

〈ArticleCount〉1〈/ArticleCount〉

〈Articles〉

〈item〉

〈Title〉〈![CDATA[服裝折扣]]〉〈Title〉

〈Description〉〈![CDATA[最新上市的服裝內(nèi)容]]〉〈/Description〉

〈PicUrl〉

〈![CDATA[http:/1.ibeaconti.applinzi.com/01.close.jpg]]〉

〈/PicUrl〉

〈Url〉

〈![CDATA[http:/1. ibeaconti.applinzi.com/Html%20Demo/index.html]]〉

〈/Url〉

〈/item〉

〈/Articles〉

〈/xml〉";

當(dāng)服務(wù)器推送的內(nèi)容到達APNs服務(wù)器后，APNs服務(wù)器依據(jù)deviceToken將消息內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的iOS設(shè)備，從而完成消息的遠程推送。

3.4 功能測試

為測試本文設(shè)計的系統(tǒng)功能，在iOS設(shè)備上進行真機測試[13]。通過給燒寫了不同iBeacon ID的iBeacon藍牙基站上電使其廣播,如圖5所示。

圖5 iBeacon藍牙基站廣播

針對不同的iBeacon藍牙基站觸發(fā)推送不同類型的消息[14]。如圖6所示為在鎖屏狀態(tài)下得到的消息提示，按照圖中的提示“向右滑動消息”顯示如圖7所示的圖文內(nèi)容。

系統(tǒng)功能的保障是及時地向用戶推送消息，因此，后臺服務(wù)器對事件的響應(yīng)速度是極為重要指標。在隨機抽樣的24 h內(nèi)，后臺服務(wù)器接收和響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)如圖8所示。圖中，在線實時查看推送的視頻內(nèi)容最高達到了2 MB以上，后臺服務(wù)器對事件的響應(yīng)速度測試整體符合預(yù)期目標。

圖6 鎖屏下的提示

Fig.6 Prompt on locked screen

圖7 按照提示操作顯示的內(nèi)容

圖8 后臺服務(wù)器實時網(wǎng)絡(luò)流量

4 結(jié) 語

本文基于對Apple公司推出的BLE技術(shù)——iBeacon技術(shù)的認識，結(jié)合遠程消息推送的機制，實現(xiàn)了讓用戶間接地去決定服務(wù)器何時向客戶端推送何種內(nèi)容的消息，在功能上基本實現(xiàn)了推送包括文字、聲音、視頻、圖像在內(nèi)的多種消息內(nèi)容，在一定程度上實現(xiàn)了推送消息的智能化。讓推送的內(nèi)容更合理，能被更多的用戶所采納是今后研究的重點。今后將結(jié)合用戶的使用習(xí)慣、機器學(xué)習(xí)等手段，提高推送消息的質(zhì)量與被采納率，真正實現(xiàn)更具現(xiàn)實意義的消息智能化、自動化。

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Application and Implementation of Message Push Mechanism Based on iBeacon

LIU Hong, HU Xin, MA Tianshi

(School of Electronics Information, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

With message push using iBeacon, application programs running on iOS can accurately deliver messages to indoor users. The system described in this paper uses a low-power Bluetooth technology, iBeacon, as a solution to improve accuracy of indoor message pushing for iOS applications. The system has realized indoor message pushing and improved accuracy of applications under iOS using BlueSations that relies on iBeacon.

iBeacon； iOS application； push notification； low power consumption； bluetooth beacon

2017 -04 -12

：國家自然科學(xué)基金項目資助(61205121)；上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助(A1-5701-17-009-02-63);上海電機學(xué)院學(xué)科建設(shè)項目資助(16YSXK04)

劉紅(1978-)，女，副教授，博士，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，E-mail:liuhong@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2017)03 -0168 - 07

TP 393.093

A