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蓝牙技术

物联网蓝牙组网设计


基于蓝牙技术的单区/多区物联网的设计与应用

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,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。

一、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

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。

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。

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。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。

二、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(BasicService 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

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。

(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

(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

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。

三、基于蓝牙技术的单区网/多区网的设计

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20cm。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。

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

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/C SS3实现。

总结

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。

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