基于蓝牙技术的单区/多区物联网的设计与应用

谢 鹏

(西安石油大学 计算机学院,陕西 西安 710065)



基于蓝牙技术的单区/多区物联网的设计与应用

谢 鹏

(西安石油大学 计算机学院,陕西 西安 710065)

组建了面向智能移动客户端且无需在客户端安装APP的低成本无线网络，在最新蓝牙技术产品基础上自主实现了通讯级加密，设计出具有配套电子菜单的蓝牙基站，并投入实际应用。给出了使用该种蓝牙基站的组网方式及其实际的应用场景。

物联网；单区网；多区网；蓝牙

谢鹏.基于蓝牙技术的单区/多区物联网的设计与应用[J].西安石油大学学报(自然科学版)，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

近几年，国家实施“互联网+”行动计划，极大地推动了国内物联网技术及应用研究。目前，这一研究与应用的热点从技术角度看，主要集中在3个方面[1-2]：①对客观世界的感知并实时高效获取前端数据；②网络的互联与信息的互通；③后台的智能化处理。

随着移动客户端的飞速发展，很多物联网应用系统都需要在客户端安装APP实现前后台相连并获取前端数据。客户端安装APP数量的增长不可避免地对客户端造成安全隐患[3]，使得人们对APP的安装产生了抵触，不利于APP的推广，进而影响到应用系统的使用。

为此，本文设计了一种组网方式，依靠具有自主加密的蓝牙基站，移动客户端无需安装APP，当客户端处于蓝牙基站的信号覆盖范围之内时，只需通过微信的“摇一摇”即可实现系统登录，安全地与后台连接，实时完成客户端与应用系统的交互，当客户端离开蓝牙基站的信号覆盖区域时，自动脱离系统，客户端无残留信息，从而杜绝了APP给客户端带来的安全隐患，有利于系统的推广使用。

1 物联网架构

在物联网中，客观世界的对象可以被识别、定位，通过网络的互通互联将数据传送到后台进行处理，这是构成物联网的基本要求。这一基本要求决定了其基本架构是3层：感知层、网络层、应用层，如图1所示。

图1 物联网体系架构Fig.1 Architecture of internet of things

1.1 感知层

物联网中的感知层主要解决现实世界的数据获取问题，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。感知层处于3层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础。感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过智能终端、传感器、摄像头等采集外部物理世界的数据，通过蓝牙、红外、ZigBee、工业总线等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传递数据到网关设备[4]。

1.2 网络层

物联网网络层的主要功能是实现物联网的数据传输，即信息的转发和传送。它将感知层获取的信息传送到远端，为数据在远端进行智能处理和分析决策提供强有力的支持。物联网网络层可以是互联网，也可以是具体的某行业网，如无线通信网、卫星通信网和有线电视网等[5]。

1.3 应用层

应用层是物联网与行业需求结合，实现物联网的智能应用，物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，目前创业创新、协同制造、电子商务、智慧能源、益民服务、便捷交通、绿色农业、城市管理、公共安全等各个行业都有物联网应用的尝试[6]。

本文的蓝牙基站组网方案，在感知层使用的是根据一种低耗能蓝牙技术设计出的蓝牙基站，由该基站发射信号，移动设备定位接收，利用微信平台中的“摇一摇”功能实现物联网的接入，从而实现组网。

2 无线组网技术

2.1 无线局域网的组成结构

无线局域网的物理结构如图2所示，由站(Station，STA)、无线介质(Wireless Medium， WM)、基站(Base Station，BS)或接入点(Access Point，AP)和分布式系统(Distribution System， DS)等部分组成。由无线局域网中移动站无线收发信机及地理环境所确定的通信覆盖区域称为一个基本服务区(Basic Service Area，BSA)，只包含一个BSA的网络称为单区网。

图2 无线局域网的物理结构Fig.2 Structure of wireless LAN

站(点)也称主机或终端，是无线局域网的最基本组成单元。站在无线网中即客户端，它是具有无线网络接口的计算设备或智能手机。

无线介质是无线局域网中站与站之间、站与接入点之间通信的传输介质。

无线接入点(简称接入点)类似蜂窝结构中的基站，是无线局域网的重要组成单元。无线接入点是一种特殊的站，它通常处于基本服务区的中心，固定不动。

一个基本服务区所能覆盖的区域受到环境和主机收发信机特性的限制。为了覆盖更大的区域，需要把多个基本服务区连接起来，分布式系统就是用来连接不同基本服务区的通信信道，它可以是有线信道，也可以是频段多变的无线信道。

2.2 无线局域网的拓扑结构

无线局域网由多个部分组成，它们之间相互作用使得站(点)对上层而言具有移动透明性。从逻辑上分，无线局域网的拓扑结构主要有对等式、非对等式(基础结构集中式)线型、星型和环型等，线型、星型和环型已广为人知，这里只讨论对等式和非对等式2种拓扑结构。

2.2.1 对等式 对等式网络是一种独立的基本业务组(Basic Service Set， BSS)，它至少有2个站，站之间可以直接相互通信，站之间的通信距离因设备或环境的不同而受到限制。对等式网络是一种典型的、以自发方式构成的单区网，在可以直接通信的范围内，该网中的站点之间可以直接通信而无需AP转接，如图3所示。

图3 对等式拓扑结构Fig.3 Toplogical structure of peer-peer-network

2.2.2 非对等式 基础结构集中式非对等式的单区网在无线局域网中更常见，这种单区网包括分布式系统、AP和端口实体，同时，它也是构成整个业务系统网络的最小逻辑单位，其拓扑结构如图4所示。

图4 基础结构集中式网络拓扑结构Fig.4 Infrastructure centralized network topology

不同的单区网又可通过线型、星型、环型等结构构成涵盖多业务的多区网。

3 基于蓝牙技术的单区网/多区网的设计与应用

经过近20年研究，到2014年7月，蓝牙技术已发展到4.2版。蓝牙技术4.2版实现了BLE(低功耗蓝牙)耗电延展技术，并强化了短链接通讯信道安全性。通过蓝牙设备标记经纬度坐标，利用蓝牙通讯，可以将任意物体、人体精准定位，误差仅为20 cm。如今，移动互联网极其丰富，蓝牙技术已成为移动终端的标准配置，联网后可将管理信息精确送达目标，并进行有效互动[7-8]。

3.1 组网设计

基于蓝牙的单区网组网结构与图4所示结构相同。该单区网中的AP采用的是具有自主加密算法的蓝牙基站。

基于蓝牙的多区网的一种组网结构如图5所示。

图5 蓝牙基站安装在公交站牌或公交车上作为AP的组网方式Fig.5 Networking mode of Bluetooth base station as AP in bus or bus station

图5这种多区网组网方式，将蓝牙基站安装在公交站牌和公交车上，能以很低的成本高效地建立一个覆盖城市主要商业网点的物联网。该多区网的AP采用具有自主加密的蓝牙基站，自主完成基站和移动设备之间通讯级的加密以及开发完成的电子菜单，菜单用HTML5/CSS3实现。

3.2 应用实例

(1)商业企业的应用

在商业企业营业场所(如餐馆、购物广场、影城等)组网后，其应用过程如图6所示(以城市公交网为例)。

图6 餐厅应用过程示意图Fig.6 Schematic diagram of the restaurant application

当用户进入到蓝牙基站的覆盖范围，智能手机的“微信”的“摇一摇”界面的左下角会出现“周边”小天线图标，通过摇动手机即可出现营业场所的电子菜单(图6中以“摇吧点餐”为例)，在选择桌号后，带图片的点菜单会推送到用户的手机，同桌的客人都可以在各自的手机上点菜，并能对生成的菜单进行编辑，确认菜单后即可下单，用餐后可用选择的付款方式完成消费。

在购物广场或影城等场所，使用的过程与图6所示类似。与传统的消费模式相比，一方面提升客户的消费体验，另一方面降低商家的人力成本、推动商家的业务变革、提升商家的竞争力。

(2)政府服务窗口单位的应用

在政府服务窗口单位(如报税大厅等)组网后，智能手机持有者进入服务大厅，只需通过“微信”中的“摇一摇”或扫描二维码便可接入物联网，进入排队状态，此时，办理各种业务的流程和表格就被推送到客户的手机上，客户即可在排队的过程中在线填写相应表格或文档，待到排队结束提交相应文档，既大大地提高办事效率，又提升客户的满意度。

(3)运营商的应用

国内的运营商在经历了其第一代的语言业务和第二代的短信/彩信业务后，现在为用户提供的都是其第三代业务产品——数据流量包。不同运营商之间的产品“同质化”问题非常突出。运营商通过蓝牙技术组网，即可为用户提供“定制化”的产品服务。

上述3类应用场景与图5所示的组网方式相结合，又会衍生出新的运营平台。

4 结 语

可以预见，物联网的建设、发展、应用有着极其广阔的发展前景。在未来，各种无线网络通信技术如蓝牙、WiFi、ZigBee、超宽带等和移动通讯(3G、4G或更高技术)等都将融合到互联网中，形成稳定高速的物联网环境，各种应用软件和智能家电也必将对人们的工作、学习和生活产生极大的影响。

[1] 中华人民共和国国务院.国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见[EB/OL].(2015-07-04).http://new.xinhuanet.com/politics/2015-07/04/c_1115815944.htm.

[2] 刘延吉.物联网技术研究综述[J].价值工程，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.移动Android APP安全监测分析与研究[J].信息安全与技术，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] 张春红,裘晓峰，夏海轮，等，物联网技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2012. ZHANG Chunhong,QIU Xiaofeng,XIA Hailun.The Internet of Things Technology and Application[M].Beijing:Posts & Telecom Press,2012.

[5] 吴成东，徐久强，张云洲.物联网技术与应用[M].北京：科学出版社，2012. WU Chengdong,XU Jiuqiang,ZHANG Yunzhou.The Internet of Things Technology and Application[M].Beijing:Science Press,2012.

[6] 汪涛.无线网络技术导论[M].2版.北京：清华大学出版社，2014. WANG Tao.Introduction to Wireless Network Technology[M].2nd ed.Beijing:Tsinghua University Press,2014.

[7] 钱志鸿，杨帆，周求湛.蓝牙技术原理开发与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006. QIAN Zhihong,YANG Fan,ZHOU Qiuzhan.Bluetooth Technology Principle Development and Application[M].Beijing:Beihang University Press,2006.

[8] 钱志鸿，刘丹.蓝牙技术数据传输综述[J].通信学报，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.

责任编辑：张新宝

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

陕西省工业科技攻关项目(编号：2015GV104)

谢鹏(1964-)，男，硕士，讲师，主要从事客户关系管理、ERP、物联网等方面的技术与应用研究。 E-mail：xie_peng@vip.sina.com

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

TP393.094

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

A