田林青，余成波，孔慶達，王艷麗
（重慶理工大學 遠程測試與控制研究所，重慶市400054）
摘要：互聯(lián)網(wǎng)和移動終端的普及推動著LBS向ILBS發(fā)展，而藍牙與移動終端良好的契合使其成為室內定位技術的首選。分析了基于藍牙技術的推送系統(tǒng)的原理，實現(xiàn)了以藍牙節(jié)點、移動終端、服務器為三大模塊的推送系統(tǒng)。實驗結果表明，以藍牙4.0設備發(fā)射信號、BluetoothAdapter掃描搜索、HttpURLConnection傳輸數(shù)據(jù)、JPush推送信息、Sae云平臺移植組成的室內定位推送系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、消息推送實時性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。基于此構建的藍牙技術的推送系統(tǒng)在室內定位方面具有很大的市場價值。
關鍵詞：藍牙；ILBS；信息推送
中圖分類號：TP393.0文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.017
引用格式：田林青，余成波，孔慶達，等. 基于藍牙技術的推送系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)［J］.微型機與應用，2016,35（20）：61 64.
0引言
近幾年，LBS(基于位置信息服務)技術已經(jīng)在人們生活中得到廣泛應用，比如通過GPS來獲得位置信息。然而，互聯(lián)網(wǎng)和移動終端的普及和發(fā)展，推動著LBS向ILBS（基于室內位置服務）過渡。一些景點、商場、博物館、機場等公共場所需要室內定位來提供精確的位置信息，而GPS等室外定位技術由于信號在室內衰減快，不能用于室內定位。室內定位技術主要有藍牙、ZigBee、WiFi、射頻識別、超寬帶等。由于藍牙和移動終端的良好契合以及藍牙4.0版本推出以來的低功耗、低成本、高性價比等優(yōu)點，使得藍牙技術成為移動終端室內定位技術的首選。本文基于藍牙技術，選取藍牙4.0設備作為信號發(fā)射節(jié)，BluetoothAdapter用來掃描搜索各節(jié)點信息，HttpURLConnection用來傳輸采集到的所需信息，JPush用來向終端推送消息，以及最后將本地服務器端程序部署到Sae云平臺，從而完成整個推送系統(tǒng)的設計。
1推送系統(tǒng)分析
1.1推送系統(tǒng)工作原理
推送系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。在室內環(huán)境根據(jù)所需部署一定數(shù)量的藍牙節(jié)點AP，攜帶安裝相應APP的移動終端進入定位區(qū)域采集各節(jié)點發(fā)出的信息［1-2］。APP接收各藍牙節(jié)點發(fā)出的設備名和信號強度等信息并將其發(fā)送至服務器端，服務器端結合室內定位算法訪問離線建立的數(shù)據(jù)庫從而得到終端具體位置。最后通過得到的具體位置調用第三方推送服務器完成消息的推送［3］。系統(tǒng)核心部分包括采集模塊、傳輸模塊和推送模塊。而訪問數(shù)據(jù)庫和調用第三方推送服務器的操作都集成在服務器中。
1.2硬件選型
推送系統(tǒng)的硬件部分主要是對藍牙發(fā)射節(jié)點的選取。藍牙4.0是2012年最新藍牙版本，是藍牙3.0的升級版本，較3.0版本具有更省電、成本低、3 ms低延遲、超長有效連接距離、AES128加密等優(yōu)點。與4.0以后的版本比較，4.0的優(yōu)勢則在于其成熟的技術已經(jīng)得到廣泛的應用以及具有更高的性價比，因此藍牙4.0設備是實驗首選的藍牙發(fā)射節(jié)點。本系統(tǒng)采用CC2540作為核心芯片，尺寸為41×41×21(mm)，采用電池CR2477（1000 mAh)，采用工作時間能持續(xù)一年以上的iBeacon作為藍牙發(fā)射節(jié)點。其能提供空曠地大于50 m以上的信號接收以及500 ms的廣播頻率和-0 dBm的廣播功率，滿足系統(tǒng)所需要求。產(chǎn)品如圖2所示。通過產(chǎn)品表面USB接口旁邊的開關即可打開設備。
2采集模塊
持有相應APP的移動終端進入藍牙節(jié)點覆蓋區(qū)域，當用戶打開APP并且根據(jù)用戶名和密碼登錄成功之后便可以進行定位。而定位的觸發(fā)是通過定位按鈕來進行開啟定位的。這樣APP就會自動接收來自藍牙節(jié)點的信息，這些信息包括UUID、NAME、RSSI、Major、Minor、MAC等。而采集模塊要做的就是根據(jù)接收到的多個藍牙節(jié)點數(shù)據(jù)，從中獲得所需數(shù)據(jù)，然后將有用的數(shù)據(jù)打包以進行傳輸。通常的做法是利用Android四大組件之一的Broadcast Receiver［4］。先對Receiver進行注冊，然后再在實例化的Receiver中根據(jù)filter過濾廣播。由于實例化的Receiver是一個條件循環(huán)語句，因此便能在其內部處理多個節(jié)點發(fā)過來的信息，從而對有用數(shù)據(jù)進行整理打包。但此方法的弊端在于廣播接收器本身就是一個子線程，而這個子線程持續(xù)的時間不長便會自動結束，因此不能在其中加入訪問網(wǎng)絡等耗時操作，否則子線程關閉時會強制結束在其中加入的操作。然而此系統(tǒng)的定位本身就是一個訪問服務器的網(wǎng)絡耗時操作，還涉及數(shù)據(jù)庫的訪問和消息推送，因此這種方法并不可取。
針對搜索BLE低功耗藍牙設備，Android官方提供了一種專門掃描藍牙設備的方法startLeScan。這種方法通過藍牙適配器BluetoothAdapter啟動，并且需要傳入BluetoothAdapter.LeScanCallback類型參數(shù)，這里將其命令為Scancallback。而其內部的onLeScan方法實現(xiàn)了核心數(shù)據(jù)的接收和處理。核心代碼如下：
public void onLeScan(BluetoothDevice device, int rssi, byte［］ scanRecord) {
int startByte = 2;
boolean patternfound = false;
//尋找iBeacon
while (startByte <= 5) {
if (((int) scanRecord［startByte + 2］ & 0xff) == 0x02 &&((int) scanRecord［startByte + 3］ & 0xff) == 0x15) {
patternfound = true;
break;
}
startByte++;
}
//如果找到藍牙設備
if (patternfound) {
//此處限于篇幅，獲得所需的設備名和信號強度值即可
ibeaconName = device.getName();
mrssi = rssi;
}
}
在onLeScan方法內部就能拿到所需的節(jié)點發(fā)送信息。由于Scancallback是一個循環(huán)，設備會不斷地搜索來自附近的藍牙節(jié)點發(fā)出的信息，并且不會自動關閉此掃描，因此能夠在此循環(huán)中加入耗時操作，很好地解決了室內定位的耗時問題。
3傳輸模塊
經(jīng)過APP搜索得到的藍牙節(jié)點的有用信息要通過聯(lián)網(wǎng)耗時操作傳輸?shù)椒掌鞫耍缓蠓掌鞲鶕?jù)搜索到的信息來進行相應處理。Android通過HTTP訪問網(wǎng)絡通常有兩種方式：Apache的HttpClient和Java的HttpURLConnection［5］。前者是Android SDK集成了Apache的模塊，后者是Java的JDK中自帶的類。盡管HttpClient更加豐富、高效，但是考慮到實時定位要多次地訪問服務器，因此這里選擇性能和穩(wěn)定性更好的HttpURLConnection進行訪問傳輸［6］。核心代碼如下：
//定義訪問服務器地址
String request_url="";
//定義傳輸?shù)膮?shù)，即采集模塊中得到的數(shù)據(jù)
String params="";
//拼接
URL url = new URL(request_url + params);
//開啟連接
HttpURLConnection connection=(HttpURLConnection) url.openConnection();
//連接超時時限設置(根據(jù)需要設置)
connection.setConnectTimeout(5*1000);
//POST方式較GET方式更安全
connection.setRequestMethod("POST");
//表示訪問網(wǎng)絡時需要傳入?yún)?shù)
connection.setDoInput(true);
//利用狀態(tài)碼判斷訪問服務器是否成功
if (connection.getResponseCode() == 200) {
//構造方法，傳入?yún)?shù)。從服務器端拿到相應json數(shù)據(jù)
returninputStream2String(connection.getInputStream());
}
4推送模塊
服務器將傳輸來的數(shù)據(jù)結合數(shù)據(jù)庫和室內定位算法進行處理，得到位置坐標，此處用x和y表示，然后根據(jù)此坐標進行相應的消息推送。PUSH（推送）技術相對于PULL（拉取）技術而言，其獲得信息的實時性和針對性更強，是一種由服務器主動推送消息的服務機制。實現(xiàn)推送的方式大致分為四類：C2DM(谷歌提供)、MQTT協(xié)議(非開源)、XMPP協(xié)議、第三方推送平臺［7］。考慮到資源的可利用性以及第三方平臺的逐漸成熟、免費、開發(fā)周期短等優(yōu)點，選擇極光推送JPush作為第三方推送服務器進行消息推送。利用JPush實現(xiàn)服務器向客戶端推送消息需要部署兩個核心點：Android端和服務器端。而這種部署方式在JPush官方文檔中已經(jīng)做了大致說明，現(xiàn)將其總結如下。
(1)Android端
①導入官網(wǎng)提供的的推送所需jar包和3個so文件；so文件需在main目錄下新建一個名為jniLibs的文件夾用來存放，這樣jar包才能通過文件名讀取so文件。
②向APP的配置文件AndroidManifest.xml中加入推送所需權限；應用程序包名package應和官方創(chuàng)建應用時的包名一致；配置文件中name="JPUSH_APPKEY"一項的value值應該填入官網(wǎng)創(chuàng)建應用后生成的AppKey，這樣JPush服務器才會根據(jù)此key值推送消息到嵌入此key值的客戶端。
③在應用程序根目錄下創(chuàng)建繼承application的類，在其方法中加入JPushInterface.init(this)語句來初始化JPush的SDK。
(2)服務器端
①導入相應jar包和3個依賴包。
②在服務器端寫入相應相應邏輯。關鍵在于創(chuàng)建JPushClient對象，傳入創(chuàng)建應用時產(chǎn)生的參數(shù)AppKey和Master Secret；再創(chuàng)建PushPayload對象，傳入想傳輸?shù)南essage；最后通過jpushClient.sendPush(payload)即可以通過服務器向JPush服務器推送消息，此消息再經(jīng)過JPush服務器推送到客戶端APP。
5本地服務器搭建測試和云部署
相應邏輯和室內定位算法的實現(xiàn)幾乎全在服務器端。服務器是收發(fā)消息的中轉站，訪問數(shù)據(jù)庫并調用JPush推送消息。項目最初是通過搭建本地服務器進行調試，調試成功之后再將項目代碼部署到云服務器上。
5.1本地服務器搭建測試
搭建：MyEclipse10.7+MySQL5.6+TomCat7.0構成本地服務器核心環(huán)境；連接數(shù)據(jù)庫時注意數(shù)據(jù)庫的用戶名、密碼和訪問端口應與安裝MySQL服務器中一致。
測試：服務器端邏輯采用基本的MVC模式。室內定位算法擬采用基于藍牙4.0的接近度分類室內定位算法進行實現(xiàn)［8-9］。這種非參數(shù)化的室內定位算法需要事先在定位范圍內采集數(shù)據(jù)并放入數(shù)據(jù)庫中，然后設置好數(shù)據(jù)庫的連接，用TomCat啟動程序即可。定位范圍擬采用6 m×6 m空間，在空間內4個角布置4個藍牙節(jié)點，客戶端根據(jù)需要設置固定時間間隔訪問服務器進行定位。為方便觀察定位結果，將接收的信號強度值、設備名稱和定位坐標分開調試并輸出到服務器控制臺顯示。調試結果分別如圖3和圖4所示。
其中flag作為登錄和定位的標識，而返回的json作為是否訪問成功的標識，結果為1表示訪問成功。調試結果表明能夠根據(jù)所搭建環(huán)境和擬采用的算法進行實時定位。
5.2云部署
應用要得到廣泛的應用，其應用范圍就要不受距離的限制。將本地服務器代碼部署到云服務器上，讓所有安裝相應APP的用戶能夠通過網(wǎng)絡就能獲得相應服務是必然的選擇［10］。Sae是新浪提供的云服務器，其在國內云提供商中發(fā)展時間最長，功能相對完善，文檔全面完整，且支持PHP、Python、Java等語言。
（1）工程文件上傳：將本地寫好的工程文件利用MyEclipse導出war包，且war包名要和Sae官網(wǎng)創(chuàng)建的應用名稱相同，這里用bluetooth表示。注意本地JDK版本的匹配，選1.6最好。
(2)數(shù)據(jù)庫連接配置：云服務器自帶數(shù)據(jù)庫服務，這和本地MySQL類似，一樣可以利用JDBC進行訪問，修改其中的用戶名、密碼和端口號即可。
//URL中的AppName需要替換成相應的AppName
URL="jdbc:mysql://w.rdc.sae.sina.com.cn:3307/app_AppName";
USERNAME="SaeUserInfo.getAccesskey()";
PASSWORD="SaeUserInfo.getSecretkey()";
AppName="SaeUserInfo.getAppName()";
其中SaeUserInfo類需要到Sae官網(wǎng)去下載。代碼上傳后，利用Web端網(wǎng)頁進行用戶名、密碼登錄測試。當成功訪問云服務器數(shù)據(jù)庫后應該返回json格式的數(shù)據(jù)1，測試結果如圖5所示。
在URL處輸入所要訪問的鏈接來檢驗代碼是否上傳成功。通過訪問所傳war包中的登錄模塊，返回json={“result”：1}，結果與圖3、圖4中的本地服務器測試返回的json一致，因此代碼上傳成功。
6系統(tǒng)測試與效果分析
設計app，實現(xiàn)基本的登錄、注冊功能，并在登錄成功后提供定位推送功能，通過登錄成功界面的定位按鈕進行定位。
為了更加清楚地觀察收發(fā)過程核心數(shù)據(jù)的變化，設計一個界面（圖6所示）作為點擊定位按鈕后來實時地顯示藍牙節(jié)點數(shù)據(jù)。圖6中接收的數(shù)據(jù)會傳輸?shù)椒掌鞫耍?jīng)過提前寫好的室內定位算法并且訪問數(shù)據(jù)庫從而完成相應的推送（圖7所示）。
推送的結果是源于對定位區(qū)域6 m×6 m的四等分。經(jīng)多次定位區(qū)域內隨機測試，客戶端能根據(jù)終端位置變化實時地接收到推送的消息。
7結論
本文研制了一種基于藍牙4.0技術的推送系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由藍牙節(jié)點、移動端APP、服務器Server三大部分組成。并且根據(jù)系統(tǒng)的核心難點對各部分的關鍵模塊做了分析，其中包括采集模塊、傳輸模塊和推送模塊。最后將寫好的本地服務器代碼部署到云服務器，完成了整個系統(tǒng)的設計。經(jīng)測試，該推送系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和實時性，能夠依賴于室內定位算法提供較準確的定位，在室內定位應用領域具有巨大的市場價值。
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