藍祚霖 謝云州 吳冬梅 楊保海

【摘要】為了防止外出時兒童丟失這類事情發(fā)生，我們設計了基于藍牙和GPS的兒童可穿戴智能看護系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用iBeacon藍牙技術和GPS定位等方式，具有功耗小、覆蓋廣等特點，用戶可以隨時通過客戶的手機查看孩子們的位置，快速定位并找回丟失兒童，降低兒童丟失的幾率。

【關鍵詞】 GPS;iBeacon;藍牙;定位

【基金項目】廣西民族師范學院國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：201910604010）

兒童的出行安全一直是生活中人們所關注的問題。如果兒童走失事件發(fā)生，家人如果錯過尋找的第一黃金時間，尋回的可能性就比較小。青少年兒童不宜攜帶手機，所以便攜式手環(huán)是較為有效的選擇，體積小，耗能低，能實現(xiàn)短距離測距、遠距離定位等功能。

1. 兒童看護系統(tǒng)總體設計

針對現(xiàn)有的技術，設計一種基于藍牙和GPS的兒童智能看護系統(tǒng)，運用iBeacon藍牙技術，利用GPS導航系統(tǒng)進行定位，可準確定位丟失兒童，實現(xiàn)快速定位和一鍵報警，通過后臺監(jiān)控系統(tǒng)將地理位置信息發(fā)送到家長的移動客戶端，幫助家長快速定位和找到兒童，降低兒童丟失的概率。

兒童看護系統(tǒng)由守護卡（便攜標簽）、“守護”移動基站、固定基站和服務器組成?？梢灾苯荧@取攜帶有守護卡的兒童離監(jiān)護人的距離，根據(jù)用戶需求，自動進行預警，并提供與位置相關的服務。當距離比較近時，兒童與監(jiān)護人之間通過藍牙配對直接連接;當距離超過安全守護距離時，系統(tǒng)自動通過手機APP進行震動、聲音報警，并在監(jiān)護人手機APP上顯示兒童與監(jiān)護人之間的方位信息，及時提醒監(jiān)護人注意，避免兒童走丟、被拐等悲劇的發(fā)生;當距離超過藍牙傳輸?shù)挠行Ь嚯x時，藍牙無法配對，系統(tǒng)自動轉為GPS定位，并通過基站將被兒童的定位信息通過服務器傳輸給手機APP，監(jiān)護人隨時可通過地圖進行實時查看兒童的位置信息。

終端守護卡（或守護手環(huán)）向外發(fā)送低頻藍牙無線信號，終端監(jiān)護者通過監(jiān)控器（暫用手機、電腦）與藍牙進行配對，建立連接;依據(jù)接收到的無線信號的強弱來判斷守護卡攜帶者距離守護者的距離，當超出系統(tǒng)設置的監(jiān)護范圍時，監(jiān)控器進行震動、發(fā)聲等進行預警;對接收到的無線信號采用iBeacon藍牙技術，解析出其方位信息，并實時顯示在終端監(jiān)控器;當超過藍牙配對的距離時，終端守護卡自動轉為GPS定位，向外界發(fā)送定位信息及加密后的ID信息?；荆ü潭ò妫﹦t可以終端守護卡及接收基站（移動版）發(fā)送的信息，并根據(jù)

需要把ID信息、定位信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，用戶根據(jù)所分配的權限，可以在數(shù)據(jù)中心的信息服務平臺查詢相應的定位信息，在終端監(jiān)控器上顯示出來。系統(tǒng)結構通信示意圖如圖1所示。

2. 關鍵技術分析

2.1 硬件配置

兒童終端（監(jiān)護手環(huán)）采用傳輸功率極低的芯片，工作在自由頻段，傳輸功率最大時瞬間能達到0.53dBm，相當于1mW（毫瓦），平均傳輸功率為20nW。外用硅膠，防止過敏，具有防塵功能。當工作電壓為3.3v（v）時，傳輸功率最大時瞬間達到0.53dBm。

2.2 低功耗藍牙BLE

相較于經(jīng)典藍牙，低功耗藍牙的有效通信范圍從十米擴展到了一百米，數(shù)據(jù)發(fā)送所需要的時長也從一百毫秒降低到三毫秒，延時也從一百毫秒降低到了六毫秒。雖然相比之下高速藍牙的數(shù)據(jù)傳輸速率更高一籌，但是低功耗藍牙的價值體現(xiàn)在能耗方面得到了極大的提升，因為它能夠讓紐扣電池在最低功耗的情況下待機持續(xù)運作幾年，另一方面成本級低，能夠跨供應商并且相互操作，在未來一段時間內(nèi)，低功耗藍牙將會在可穿戴設備中掀起潮流，成為更好的選擇。

2.3 iBeacon技術

傳統(tǒng)的定位技術多用于戶外定位，實現(xiàn)的基本途徑是依靠GPS來驅(qū)動導航等應用。而室內(nèi)定位這一新興領域正開始慢慢進入人們的視野。然而，GPS并不適合室內(nèi)定位，更具優(yōu)勢的是近年來興起B(yǎng)LE iBeacon技術。在藍牙低功耗BLE市場中，iBeacon具有巨大潛力，iBeacon采用的方法為小信號采集，依據(jù)低功耗藍牙自身的優(yōu)勢，構建一個小型的信息網(wǎng)絡?；贐LE的iBeacon與傳統(tǒng)藍牙的顯著區(qū)別在于：（1）功耗非常低，與傳統(tǒng)藍牙相比，BLE可以減少90%以上的功耗，基站可以由電池供電。（2）不需要進行配對，數(shù)據(jù)傳輸通過廣播的方式。

基于iBeacon的定位系統(tǒng)通過基站原理定位，系統(tǒng)中的每個iBeacon基站都通過藍牙廣播自己的身份信息，在覆蓋區(qū)域中，如果定位的設備進入，將通過檢測周圍iBeacon基站的信號強度，便會得知它與各個基站的距離?？梢越M合多個基站信息來計算它們的位置?；径ㄎ辉砣鐖D2所示。

2.4 ibeacon定位算法

已知點D（X0，Y0）到A（X1，Y1）、B（X2，Y2）、C（X3，Y3）三點的距離分別為d1，d2，d3，如圖3所示。

此時，點D的位置可以由以下任意兩個方程求解：

2.5 GPS定位模塊

GPS系統(tǒng)定位接收器的位置，是結合多個衛(wèi)星的數(shù)據(jù)及位置，通過衛(wèi)星與用戶接收機之間的距離得出。接收器和衛(wèi)星之間的距離是通過記錄的衛(wèi)星信號來測量的，以光速在兩者之間傳播所需的時間，但計算的距離不是衛(wèi)星和接收器之間的實際距離。在GPS衛(wèi)星正常運行情況下，它將連續(xù)發(fā)送導航信息。導航信息由1和0二進制碼組成的偽隨機碼，衛(wèi)星星歷、工作條件以及時鐘、電離層時延、大氣折射校正等內(nèi)容為主。導航信息的內(nèi)容主要包括遙測碼、轉換碼、數(shù)據(jù)塊1、2、3，其中星歷數(shù)據(jù)是最重要的。用戶通過導航信息中衛(wèi)星的時間與自身時鐘作比較，可得知相互之間的距離，再通過信息中衛(wèi)星星歷的數(shù)據(jù)來計算衛(wèi)星的位置。通過距離交匯取點P的三維坐標（xp， yp， zp），數(shù)學公式為：

Sap2=[（xp-xa）2+（yp-ya）2+（zp+za）2]

Sbp2=[（xp-xb）2+（yp-yb）2+（zp+zb）2]

Scp2=[（xp-xc）2+（yp-yc）2+（zp+zc）2]

式中（xa，ya，za）為衛(wèi)星a空間直角坐標，（xb，yb，zb）為衛(wèi)星b空間直角坐標，（xc，yc，zc）為衛(wèi)星c空間直角坐標。

GPS技術的主要技術組成部分包括衛(wèi)星接收系統(tǒng)設備、地面控制系統(tǒng)和空間衛(wèi)星系統(tǒng)。衛(wèi)星接收系統(tǒng)的主要組成部分是數(shù)據(jù)處理軟件、接收機和氣象儀器。由主站、注入站和監(jiān)測站組成地面控制系統(tǒng)。主要由24顆衛(wèi)星組成空間衛(wèi)星系統(tǒng)，通過軌道面和衛(wèi)星信號進行分布式傳輸，提高了系統(tǒng)服務水平。GPS作為最具代表性的技術，在各個領域被廣泛的應用，功能和效果愈發(fā)突出，越來越多地與導航和防丟失裝置相結合。

3. 結語

該系統(tǒng)采用額iBeacon技術在室內(nèi)定位最為合適，低功耗藍牙使系統(tǒng)能夠在功耗極低的情況下運行，極大地延長了系統(tǒng)壽命。設計的兒童可穿戴智能看護系統(tǒng)可以直接獲取攜帶有守護卡的兒童離監(jiān)護人的距離，根據(jù)用戶需求，自動進行預警，并提供與位置相關的服務。系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：①當距離比較近，時兒童與監(jiān)護人之間通過藍牙配對直接連接;②當距離超過安全守護距離時，系統(tǒng)自動通過手機應用進行震動，聲音報警，并在監(jiān)護人手機應用上顯示兒童與監(jiān)護人之間的方位信息，及時提醒監(jiān)護人注意，避免兒童走丟，被拐等悲劇的發(fā)生;③當距離超過藍牙傳輸?shù)挠行Ь嚯x時，藍牙無法配對，系統(tǒng)自動轉為GPS定位，并通過基站將被兒童的定位信息通過服務器傳輸給手機應用，監(jiān)護人隨時通過地圖進行實時查看兒童位置信息。

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作者簡介：藍祚霖，廣西都安，，廣西民族師范學院電子信息工程專業(yè)在讀。通訊作者：楊保海，河南鄭州人，碩士，副教授，研究方向：電子工程教學與研究。