基于蓝牙和GPS的儿童可穿戴智能看护系统

蓝祚霖 谢云州 吴冬梅 杨保海

【摘要】为了防止外出时儿童丢失这类事情发生，我们设计了基于蓝牙和GPS的儿童可穿戴智能看护系统，该系统采用iBeacon蓝牙技术和GPS定位等方式，具有功耗小、覆盖广等特点，用户可以随时通过客户的手机查看孩子们的位置，快速定位并找回丢失儿童，降低儿童丢失的几率。

【关键词】 GPS;iBeacon;蓝牙;定位

【基金项目】广西民族师范学院国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201910604010）

儿童的出行安全一直是生活中人们所关注的问题。如果儿童走失事件发生，家人如果错过寻找的第一黄金时间，寻回的可能性就比较小。青少年儿童不宜携带手机，所以便携式手环是较为有效的选择，体积小，耗能低，能实现短距离测距、远距离定位等功能。

1. 儿童看护系统总体设计

针对现有的技术，设计一种基于蓝牙和GPS的儿童智能看护系统，运用iBeacon蓝牙技术，利用GPS导航系统进行定位，可准确定位丢失儿童，实现快速定位和一键报警，通过后台监控系统将地理位置信息发送到家长的移动客户端，帮助家长快速定位和找到儿童，降低儿童丢失的概率。

儿童看护系统由守护卡（便携标签）、“守护”移动基站、固定基站和服务器组成。可以直接获取携带有守护卡的儿童离监护人的距离，根据用户需求，自动进行预警，并提供与位置相关的服务。当距离比较近时，儿童与监护人之间通过蓝牙配对直接连接;当距离超过安全守护距离时，系统自动通过手机APP进行震动、声音报警，并在监护人手机APP上显示儿童与监护人之间的方位信息，及时提醒监护人注意，避免儿童走丢、被拐等悲剧的发生;当距离超过蓝牙传输的有效距离时，蓝牙无法配对，系统自动转为GPS定位，并通过基站将被儿童的定位信息通过服务器传输给手机APP，监护人随时可通过地图进行实时查看儿童的位置信息。

终端守护卡（或守护手环）向外发送低频蓝牙无线信号，终端监护者通过监控器（暂用手机、电脑）与蓝牙进行配对，建立连接;依据接收到的无线信号的强弱来判断守护卡携带者距离守护者的距离，当超出系统设置的监护范围时，监控器进行震动、发声等进行预警;对接收到的无线信号采用iBeacon蓝牙技术，解析出其方位信息，并实时显示在终端监控器;当超过蓝牙配对的距离时，终端守护卡自动转为GPS定位，向外界发送定位信息及加密后的ID信息。基站（固定版）则可以终端守护卡及接收基站（移动版）发送的信息，并根据

需要把ID信息、定位信息发送到数据中心，用户根据所分配的权限，可以在数据中心的信息服务平台查询相应的定位信息，在终端监控器上显示出来。系统结构通信示意图如图1所示。

2. 关键技术分析

2.1 硬件配置

儿童终端（监护手环）采用传输功率极低的芯片，工作在自由频段，传输功率最大时瞬间能达到0.53dBm，相当于1mW（毫瓦），平均传输功率为20nW。外用硅胶，防止过敏，具有防尘功能。当工作电压为3.3v（v）时，传输功率最大时瞬间达到0.53dBm。

2.2 低功耗蓝牙BLE

相较于经典蓝牙，低功耗蓝牙的有效通信范围从十米扩展到了一百米，数据发送所需要的时长也从一百毫秒降低到三毫秒，延时也从一百毫秒降低到了六毫秒。虽然相比之下高速蓝牙的数据传输速率更高一筹，但是低功耗蓝牙的价值体现在能耗方面得到了极大的提升，因为它能够让紐扣电池在最低功耗的情况下待机持续运作几年，另一方面成本级低，能够跨供应商并且相互操作，在未来一段时间内，低功耗蓝牙将会在可穿戴设备中掀起潮流，成为更好的选择。

2.3 iBeacon技术

传统的定位技术多用于户外定位，实现的基本途径是依靠GPS来驱动导航等应用。而室内定位这一新兴领域正开始慢慢进入人们的视野。然而，GPS并不适合室内定位，更具优势的是近年来兴起BLE iBeacon技术。在蓝牙低功耗BLE市场中，iBeacon具有巨大潜力，iBeacon采用的方法为小信号采集，依据低功耗蓝牙自身的优势，构建一个小型的信息网络。基于BLE的iBeacon与传统蓝牙的显著区别在于：（1）功耗非常低，与传统蓝牙相比，BLE可以减少90%以上的功耗，基站可以由电池供电。（2）不需要进行配对，数据传输通过广播的方式。

基于iBeacon的定位系统通过基站原理定位，系统中的每个iBeacon基站都通过蓝牙广播自己的身份信息，在覆盖区域中，如果定位的设备进入，将通过检测周围iBeacon基站的信号强度，便会得知它与各个基站的距离。可以组合多个基站信息来计算它们的位置。基本定位原理如图2所示。

2.4 ibeacon定位算法

已知点D（X0，Y0）到A（X1，Y1）、B（X2，Y2）、C（X3，Y3）三点的距离分别为d1，d2，d3，如图3所示。

此时，点D的位置可以由以下任意两个方程求解：

2.5 GPS定位模块

GPS系统定位接收器的位置，是结合多个卫星的数据及位置，通过卫星与用户接收机之间的距离得出。接收器和卫星之间的距离是通过记录的卫星信号来测量的，以光速在两者之间传播所需的时间，但计算的距离不是卫星和接收器之间的实际距离。在GPS卫星正常运行情况下，它将连续发送导航信息。导航信息由1和0二进制码组成的伪随机码，卫星星历、工作条件以及时钟、电离层时延、大气折射校正等内容为主。导航信息的内容主要包括遥测码、转换码、数据块1、2、3，其中星历数据是最重要的。用户通过导航信息中卫星的时间与自身时钟作比较，可得知相互之间的距离，再通过信息中卫星星历的数据来计算卫星的位置。通过距离交汇取点P的三维坐标（xp， yp， zp），数学公式为：

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）为卫星a空间直角坐标，（xb，yb，zb）为卫星b空间直角坐标，（xc，yc，zc）为卫星c空间直角坐标。

GPS技术的主要技术组成部分包括卫星接收系统设备、地面控制系统和空间卫星系统。卫星接收系统的主要组成部分是数据处理软件、接收机和气象仪器。由主站、注入站和监测站组成地面控制系統。主要由24颗卫星组成空间卫星系统，通过轨道面和卫星信号进行分布式传输，提高了系统服务水平。GPS作为最具代表性的技术，在各个领域被广泛的应用，功能和效果愈发突出，越来越多地与导航和防丢失装置相结合。

3. 结语

该系统采用额iBeacon技术在室内定位最为合适，低功耗蓝牙使系统能够在功耗极低的情况下运行，极大地延长了系统寿命。设计的儿童可穿戴智能看护系统可以直接获取携带有守护卡的儿童离监护人的距离，根据用户需求，自动进行预警，并提供与位置相关的服务。系统实现了以下功能：①当距离比较近，时儿童与监护人之间通过蓝牙配对直接连接;②当距离超过安全守护距离时，系统自动通过手机应用进行震动，声音报警，并在监护人手机应用上显示儿童与监护人之间的方位信息，及时提醒监护人注意，避免儿童走丢，被拐等悲剧的发生;③当距离超过蓝牙传输的有效距离时，蓝牙无法配对，系统自动转为GPS定位，并通过基站将被儿童的定位信息通过服务器传输给手机应用，监护人随时通过地图进行实时查看儿童位置信息。

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作者简介：蓝祚霖，广西都安，，广西民族师范学院电子信息工程专业在读。通讯作者：杨保海，河南郑州人，硕士，副教授，研究方向：电子工程教学与研究。