基于物联网及Android技术的“迷失无忧”服务平台设计

黄轶文　卢世军　陈杰柱　苏桂强

摘要：市场上已经出现了不少跟踪器，这些设备通过与手机的链接，使用定制的APP帮助用户定位丢失的物品，但是这种方式只能解决一对一的跟踪。针对这种情况，设计一种多对多的定位跟踪平台，既满足传统的定位跟踪需要，又能满足社会广大人群的实际要求。

关键字：定位跟踪；智能钥匙扣；APP；数据中心

中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：2095-2163（2015）06-

Abstract： A lot of trackers have emerged in the market.Through the link with the mobile phone， these devices use the customized APP to help users locate the missing items， but this way can only solve one to one tracking. In view of this situation， the paper designs a multi-muliti position tracking platform， which not only meets the needs of the traditional positioning tracking， but also meets the actual requirements of the general population.

Key words： Locating and Tracking； Intelligent Key Chain； APP； Data Center

0引言

我國的儿童由于监护人的疏忽大意而造成的“走丢”现象正屡有发生，现已超过每年20万人次。而我国另一特征人群—患有痴呆症的老人则已超过500万人，人均走失次数也已超过一次。儿童老人的“走丢”已经成为了一个不容忽视的社会现实问题。另一方面，俗称“健忘症”——“忘带钥匙、忘带手机”的现象已经成为现代都市人的日常生活困扰。基于以上现状，人们迫切希望能够研创一种工具，从而简单高效地解决这个问题[1]。

文献[2-5]指出：市场上出现了各式各样的儿童、老人跟踪器， 主要基于RFID或利用GPS技术来设计和实现。基于RFID的跟踪器缺点是适用的范围很小， 一般只有几十米；而基于 GPS 的跟踪器虽然在较大程度上解决了这个问题， 但是 GPS 定位存在一定的盲区， 且受外界环境影响也颇为显著，因而在指定范围外即无法对人群获得实时定位追踪。针对这一领域研究背景， 本文提出了基于物联网及Android技术相结合的定位跟踪平台的设计方案：“迷失无忧”服务平台。

1“迷失无忧”服务平台系统总体设计

1.1系统应用定位

本服务平台的硬件——智能钥匙扣佩戴在儿童或老人身上，用作儿童或老人防丢器。可以及时发现孩子或老人离开，甚至被拐带时也可以追踪其位置。还可以应用到物的跟踪定位，如物品贴上智能芯片，智能芯片通过无线近场通信与手机APP连接，手机APP与数据中心连接，可以为用户提供贴心的服务——贵重物品的防丢等领域功能实现。

1.2 系统规格设计

蓝牙检测距离最大为30米，当距离5米时发出报警，30米内可以通过信号强度来进行度量比较，实现人或物品的追踪、定位。智能钥匙扣电源可重复充电，采用低功耗芯片，电池容量不小于100mA，续航时间不低于240小时。配置太阳能充电模块和USB充电模块。手机APP安装包不超过500KB，心跳频率可调，通信流量不超过20BPS。“多对多”定位，应用APP端的用户数，用户人数越多，人或物品找回的几率越高，统计找到率应超过95%。

1.3. 系统架构设计

“迷失无忧”平台是一个基于移动物联网的寻踪产品应用设计。该平台主要由三部分组成：（1）智能钥匙扣，内嵌低功耗的蓝牙芯片；（2）装有专用APP软件的手机；（3）数据中心平台。系统架构如图1所示。

系统由“两网三物”组成，通过“两网”实现“三物”的物物相连[1]。

1.4 系统逻辑设计

用户注册智能钥匙扣和手机APP，用户的信息、智能钥匙扣和手机APP三者绑定，任何一者的ID都可以追踪到其他两者的信息。系统逻辑实现如图2所示。

该系统实现的过程设计原理可做如下论述：

智能钥匙扣A，定时发射自身的ID，类似心跳机制，手机A接受该心跳信息。如果手机A超过一段时间没有接收到钥匙扣A的心跳，判断钥匙扣已经远离。此时，可能发生物品丢失或儿童老人走失。

手机A通知数据中心平台，“钥匙扣A丢失，拥有该扣的是用户A”。

数据中心平台向全网用户广播“钥匙扣A丢失”。

如果老人儿童带着钥匙扣漫游到了用户B的身边，钥匙扣告诉用户B的手机“我是钥匙扣A”， 用户B的手机立即会报警“您身边可能有一个丢失的老人和儿童，请立即与总台联系”。

数据中心平台同时向用户A发出通知“您的钥匙扣正在用户B的身边，位置是中山路72号，盛佳广场附近”。

2系统硬件设计

系统包含的硬件是智能钥匙扣，位于平台中的信息采集层，采集被定位跟踪的对象信息。

智能钥匙扣采用LM02低功耗蓝牙模块。该模块的芯片集成ble蓝牙4.0协议，采用 TI的 CC2540作为核心处理器。运行在 2.4 GHz ISM band，GFSK调制方式（高斯频移键控），40频道 2 MHz的通道间隙，3个固定的广播通道，37个自适应自动跳频数据通道，物理层可以和经典蓝牙 RF组合成双模设备， 2 MHz间隙能更好地防止相邻频道的干扰。宽输出功率调节 （-23 dBm～4dBm），-93 dBm高增益接收灵敏度[6]。

該平台可迅速桥接电子产品和智能移动设备，模块启动后会自动进行广播，已打开特定 APP的手机会对其进行扫描和对接，成功之后便可以通过 BLE协议对其进行监控。系统硬件设计如图3所示。

3系统软件设计

该平台的软件形态为手机APP，应用了Android4.5， 支持多种无线网络连接方式， 如 GPRS、WiFi、蓝牙等[7]。软件APP包括几个部分：会员管理模块、蓝牙通讯模块、网络通讯模块、GPS定位模块、告警模块、版本自动更新模块和日志模块。系统软件设计如图4所示。

由图4可知，系统软件设计中各模块的实现功能可概述如下：

（1）会员管理模块。提供用户注册、设备注册、用户资料修改、用户密码修改、钥匙扣绑定、实时监控页面、参数设备等功能。每个智能钥匙扣都有对应的一个设备ID，因此用户在新购置钥匙扣并在数据中心填写好对应的诸如该物品的类型、名字等信息后，点击添加设备ID，可以将设备注册。

使用者可以轻松地查看所选定需要监听的身边物品的状态，当物品离开使用者身边太远的时候，应用会通过手机铃声通知使用者。而信号强度代表该物品与使用者的距离。

（2）蓝牙通讯模块。采用近场通讯协议，定时扫描周边的蓝牙设备，检测蓝牙设备的ID是否符合平台规范。

（3）网络通讯模块。使用socket机制，实时从钥匙扣中获取心跳信息。并把ID号等信息通过TCP/IP上传到数据中心平台。

（4）GPS定位模块。计算经纬度，转换为数字格式。

（5）告警模块。发出声光报警，发送振动指示给操作系统。

（6）版本自动更新模块。作为后台值守程序在操作系统层运行，同步服务器上的软件版本信息，如果版本更新，提示或自动下载最新版本。

（7）日志模块。记录设备与用户的所有日志，并给予数据加密。日志数据可用于故障定位、排除纠纷等。

4数据中心平台设计

数据中心平台是系统的核心，包括四大模块，分别是：数据交换模块、用户行为分析模块、用户管理模块、日志模块。除此之外，还设有两个存储单元。如图5所示。

由图5可知，数据中心平台中各设计组件的实现功能可做如下分析：

（1）数据交换模块。对应手机的通信模块，采用socket机制，用于与手机APP进行数据交换。

（2）用户行为分析模块。通过分析用户的位置信息、手机和钥匙扣告警的时间等数据，相应地为用户作出信息提示。

（3）用户管理模块。定制实现用户的注册、登录、身份验证，每个钥匙扣都具有唯一的编号，凭此直接有效识别用户的身份。

（4）日志模块。记录用户的操作日志和系统运行日志。

（5）Mysql数据库。用于存储整个系统的业务数据，使用开源的数据库MYSQL。

（6）Hbase数据库。用于存储包括日志在内的所有数据，为系统提供用户行为分析、预测的功能。HBase利用开源MapReduce平台Hadoop，提供了可伸缩数据库实现。MapReduce是用来运行大规模并行计算的框架。采用MapReduce 的应用恰如一个人提交的批处理作业，但是这一批处理作业却都不是运行在单个服务器上，而且其中的应用和数据都是分布在多个服务器上。

本平台的突出特点是“多对多”定位，就是应用APP端的用户数，其用户人数越多，人或物品找回的几率越高。用户和物品是N x N的关系，当用户数量是万级别时，两者关系就达到了亿级别，传统的关系型数据库已经无法从大量的用户行为中分析和预测用户使用习惯，而Hbase则卓具实效地解决了这一问题。在编程实现上也很简单，只需要使用MapReduce提供的接口即可完成这一需求[8]。

5结束语

目前市场已有的定位跟踪器等，只能是一对一的模式，跟踪距离有限。而“迷失无忧”服务平台，通过发展广大手机用户应用“迷失无忧”手机APP，形成一张无形的安全网，能有效防止小孩和痴呆老人走失，并且不再限制相隔距离。综合物联网、Android和云平台技术，实现“物物相连，人人相连”。

参考文献：

[1] 黄轶文，龚霖迪，黎莉. 基于视频监控大联网的儿童老人看护系统前景可期[J].中国公共安全：学术版， 2014（15）：108-110.

[2] 明凯. 儿童定位跟踪器及其定位跟踪方法： 中国， 200910162983. 8[P]. 2009-08-21.

[3] 潘斌， 郭红霞. 短信收发模块TC35i的外围电路设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2004（7）： 38-41.

[4] 陈瑞鑫， 邹传云. 有源RFID定位系统设计与实现[J]. 电子技术应用， 2010， 36（10）： 114-116.

[5] 杨霞. 基于GPS 和GPRS的小型追踪器[J]. 现代电子技术， 2007（21）： 190-192.

[6]深圳市亮明科技有限公司.亮明科技LM02蓝牙模块规格协议[Z]. 深圳：亮明科技有限公司，2014.

[7]张大伟.深入理解Android：卷Ⅲ[M].北京：机械工业出版社，2015.

[8]马延辉，孟鑫，李立松. HBase企业应用开发实战[M].北京：机械工业出版社，2014.