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從概念到開發(fā)，基于藍牙的Beacon技術純干貨！

發(fā)布時間：2015-12-08 來源：EDN電子技術設計責任編輯：wenwei

【導讀】隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)代人對移動設備越來越依賴，也有越來越多的活動在室內進行，而GPS這樣的室外導航在室內中有些死角及易受建筑物的干擾，且從精準度和耗電量上不能滿足室內定位的需求。因此，基于藍牙技術的Beacon應運而生，成為理想的室內數(shù)據(jù)解決方案。

基于 Bluetooth 技術的Beacon，最簡單的理解就是一個小型的信息基站，可以應用在室內導航、移動支付、店內導購、人流分析、物品跟蹤等等所有與人在室內流動相關的活動之中。Beacon技術做到的是通過Bluetooth Smart向通信覆蓋范圍內的移動設備捕捉和推送信息。2014年已經有許多機構開展了一些實驗性項目，并有預測指出，2015年Beacon將在全球范圍內將得到大力部署、并帶來更多新型服務。ABI Research預測到2019年市場上的Beacon設備總數(shù)將達到六千萬臺，市場規(guī)模之大，可見一斑。

多數(shù)情況下，通過Beacon可以進行室內定位并提供相應的服務，如在百貨商場及時推送品牌促銷信息、在機場為旅客定位登機口和餐飲設施的位置、或在博物館向游客推送身旁的文物信息等。在這些應用場景中，Beacon的位置是固定的，用戶通過智能手機APP可以獲取這些位置信息。但最近也有一些移動的Beacon應用出現(xiàn)。例如Lighthouse公司推出的一款可穿戴式的Beacon解決方案，對需要特殊幫助的學生進行位置追蹤并保障他們的安全。在中國，每到春運或旅游旺季，總有老人或兒童在擁擠的人流中走散，而未來這種基于移動和可穿戴式Beacon的解決方案可以幫助人們更快速準確地在公共場所找到走失的親人。

規(guī)劃Beacon ID，準確判斷相對位置

Beacon的首要任務就是允許APP確認兩者之間的相對位置，并借助這一位置信息實現(xiàn)更多功能。APP必須擁有相應數(shù)據(jù)的訪問權限，并將藍牙廣告數(shù)據(jù)包中所傳輸?shù)腂eacon ID與實際位置分布信息相對應。位置信息的表達越簡單越好，以便于APP讀取和分析。例如，而對于商場的Beacon應用，根據(jù)店鋪ID規(guī)劃Beacon ID會更合適，這樣APP就能夠判斷出用戶是走進了左邊的這家李寧，還是右邊的那家耐克。

根據(jù)位置信息規(guī)劃Beacon廣告數(shù)據(jù)包中的Beacon ID，是Beacon實現(xiàn)諸多應用的重要前提。Beacon ID 數(shù)據(jù)可以通過設備上安裝的APP在本地進行設置，也可發(fā)送至云端或網(wǎng)絡以便遠程操作。本地數(shù)據(jù)存儲的好處在于它便于訪問，而且沒有網(wǎng)絡也照樣能夠運行。而遠程數(shù)據(jù)存儲的情況下，用戶使用的數(shù)據(jù)是相同的，但網(wǎng)絡訪問難免更耗時，因此要加倍注意確保用戶體驗不受影響。有時最佳的解決方案是采用“混搭”的方式，即將本地數(shù)據(jù)及時進行遠程同步、并存儲在APP的本地數(shù)據(jù)庫中。這樣，在沒有網(wǎng)絡的情況下，APP也能夠使用最新的數(shù)據(jù)了。

APP后臺自動運行，無需用戶干預

對于用戶來說，最好無需特意開啟APP就能夠探測到附近的Beacon。也就是說APP最好能夠自動在后臺運行，而不需要用戶干預。這就需要開發(fā)時注意系統(tǒng)資源（如電源電量）的合理使用。當然，前提是要確保您的智能手機開啟了藍牙功能。

相對距離視情況而定

到底多近才算近，這是所有Beacon應用開發(fā)者需要考慮的問題。實際上，這需要根據(jù)實際情況決定。對一些應用來說，只要有一兩個Beacon (多個Beacon即可定義”區(qū)域“) 的信號，就可以觸發(fā)動作了，例如針對走進商場或店鋪的顧客、機場里走近值機柜臺的旅客等。而對于其他一些應用，可能需要用戶十分靠近特定的Beacon時，才會提示用戶。比如占地較小、陳列物密集的博物館或美術館的導覽系統(tǒng)，就需要在參觀者十分靠近特定的展品時才會提示相應的展品信息。

通過Beacon可以推算用戶的相對距離。因為廣告數(shù)據(jù)包中包含了距離與信號強度的對照數(shù)據(jù)（比如距離為一米時，信號強度是多少多少），所以我們就可以通過接收器（比如手機）測量到的信號強度推算出相對應的距離。如果你使用了API（Application Programming Interface, 應用程序編程接口），就會發(fā)現(xiàn)API其實能夠很方便地實現(xiàn)距離測算。但是，必須指出距離是推算的、而非精確計算的結果（雖然測算的準確度已經可以滿足當前大部分應用的需求）。

Beacon廣告數(shù)據(jù)形式多種選擇

關于Beacon的文章已經有很多了，尤其是關于iBeacon的。iBeacon是蘋果的廣告數(shù)據(jù)形式，是蘋果公司的專利。iOS設備對iBeacon提供原生支持，但有些情況下還需要滿足特定的認證要求。關于iBeacon的更多信息可訪問Apple.com。

但是，還有一些其他的Beacon廣告形式規(guī)格，例如Radius Network的AltBeacon。AltBeacon是開源的，可應用于任何平臺而不受限制。它最近還發(fā)布了面向安卓系統(tǒng)的開源API。

如何開啟運用

零售商與市場營銷領域是Beacon的大舞臺，可以為通路營銷與更佳的消費者體驗提供無限的想象空間。可以預見，Beacon的運用將會有光明的前景：通過Beacon將產品和促銷信息發(fā)送給顧客；博物館和美術館等也可以開發(fā)專門的應用，向走進展廳的參觀者發(fā)送展廳主題介紹、或對在展品前駐足的參觀者發(fā)送詳細的展品信息等；機場還可以用Beacon追蹤所有旅客的動向。對于有開發(fā)Beacon應用想法的讀者，可以注冊下載最新的開發(fā)工具Bluetooth Developer Studio，開啟自己的Beacon開發(fā)之旅。

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手把手教你如何開發(fā)AltBeacon安卓APP

前面已經介紹了Beacon的一些基礎知識，以及AltBeacon和它的藍牙廣告形式。下面將用一個實際的開發(fā)案例，指導讀者學習如何用AltBeacon安卓API開發(fā)Beacon原型APP。

運用Beacon進行博物館導覽

將Beacon應用于博物館導覽，這樣當游客靠近展品時，APP可以提示該展品的相關信息，走過路過就再也不會錯過！想象一下，如果故宮有了這款APP, 當游客走到一個不明覺厲的青銅方樽面前，只要拿起手機就能快速了解它的主人、出土信息和花紋的寓意，再也不用擔心被人嘲笑沒文化了。

這個設計的設想是：首先，博物館內安裝的所有的Beacon基站都在APP能夠探測到的范圍內，而且APP能夠默默地在后臺運行并探測附近的Beacon，但只有當游客與Beacon基站的距離靠近至2米范圍內時才會跳出彈窗，提示與這一Beacon相關的展品信息；其次，針對同一展品，APP不會不識趣地反復跳出提示窗；最后，還能夠查閱APP系統(tǒng)日志底層Beacon相關事件。下面請看實地操作！

如果你也是第一次創(chuàng)建Beacon應用APP，看這里！

綁定服務，設定“區(qū)域”

對于首次建立應用程序類別的開發(fā)者，以下幾點需要注意：首先，用AltBeacon API BeaconManager將APP與后臺運行的AltBeacon庫中的服務綁定。另外，要著手設定一個或多個“區(qū)域”。這里所說的“區(qū)域”是指一個或一組Beacon，由AltBeacon Beacon ID 域值來規(guī)定。Beacon ID域將20個八位字節(jié)的標識域分成1個16字節(jié)的主ID、1個2字節(jié)的二級ID、1個2字節(jié)的三級ID。在我的這個APP中，主Beacon是我所關注的，因此只設定了主ID，因此我將二級和三級ID設為空值。

圖1 – 基本初始化步驟

更多干貨往下看！

APP程序類別

針對不同的顯示界面（包括主要展品信息界面、Beacon事件日志界面）的活動類別、以及其他一些輔助性的Java類別，這個APP包括一個自定義應用程序類和一個Actiivity類別。AltBeacon API自身就是一個庫，它負責APP后臺運行彈出，并提供一系列接口來支持與Beacon探測相關的回調函數(shù)。這些都通過自定義應用程序類“GyboApplication.java”執(zhí)行。

圖2 – AltBeacon API 關鍵接口

測定距離，更新范圍

AltBeacon API支持“監(jiān)測”與“測距”功能。監(jiān)測功能會在APP進入某一個或某一組Beacon區(qū)域時生成事件。這其實是一個二進制的概念，因為只有兩種可能——APP在區(qū)域內、APP不在區(qū)域內。測距功能可以追蹤游客距離某一組Beacon的距離，當兩者近到一定程度時，就可以觸發(fā)功能。

我們還必須對應用程序類別執(zhí)行的RangeNotifier接口中的單實例對象方法“didRangeBeaconsInRegion（Collection beacons, Region region）”進行編碼。AltBeacon庫的后臺藍牙掃描進程能夠發(fā)現(xiàn)附近的Beacon，而“didRangeBeaconsInRegion”每秒鐘調用一次，并提供當次掃描到的Beacon列表。APP絕大多數(shù)功能都在此基礎上實現(xiàn)。

Beacon分類則代表物理意義上的Beacon, 它有著一系列屬性，包括：Beacon類型標示、藍牙MAC地址和名稱、接收信號強度指示器RSSI（Received Signal Strength Indicator）、（制造過程中設定的）校準傳輸?shù)腂eacon發(fā)射功率、與Beacon相對距離的估算值（以米為單位計量、通過RSSI和Beacon發(fā)射功率計算得出）。

定義最近的Beacon，判斷信息推送時間

有了Beacon列表以及每個Beacon與游客的距離估算值，要推算出哪個Beacon離游客最近應該是不成問題的。但是在測試過程中也有一些問題。有的Beacon明知道就在范圍內，卻沒有出現(xiàn)在didRangeBeaconsInRegion方法獲取的Beacon列表中，到底哪里出了問題？經分析，原因可能是Beacon廣播頻率與安卓APP掃描的頻率和持續(xù)時間不匹配，導致有時掃描過程無法接收到實際范圍內所有Beacon的廣告數(shù)據(jù)包。這就引出了另一個問題：如何控制安卓APP里的這些參數(shù)？

當APP收到范圍更新時，就要判斷是否需要執(zhí)行相應的功能。具體來說，就是看哪個Beacon離游客最近、有沒有近到需要向游客提示Beacon所對應的展品信息。如果最近的Beacon發(fā)生了變化，游客會收到提示信息。例如，游客離開剛剛駐足的展品，下一次范圍更新之后，離他最近的Beacon可能就不是之前那一個（組）了。當然，還要判斷距離最近的Beacon是近到什么程度，才能向游客發(fā)送通知信息。實驗中的APP把這一數(shù)值設定為2米。當然你也可以允許用戶手動設置、自定義這一類配置。

掃描配置又是什么？

BeaconManager類允許開發(fā)者對APP進行廣告數(shù)據(jù)包掃描時長、活動間歇時長等參數(shù)進行配置。可以在初始代碼中添加如下的代碼。

圖4 – 掃描配置

想要做好適合APP的掃描配置，需要考慮很多方面。掃描過程的電量消耗是很大的，因此掃描頻次過高或時長過長就會增加電池電量的消耗。但如果掃描頻次跟不上，Beacon探測結果的更新就會延遲，進而影響用戶體驗。

因此，根據(jù)實際應用場景的需要，我們必須在耗電水平和用戶體驗之間進行權衡取舍。例如，一個用來探測路途中經過的店鋪的APP，就需要比博物館導覽APP擁有更快的Beacon廣告探測和反應速度。

還需要考慮Beacon的廣播頻率。如果掃描頻率高于Beacon廣告，有時就會由于最近一次掃描活動中的廣播數(shù)據(jù)包丟失而導致實際范圍內的Beacon沒有出現(xiàn)在API回調的報告中。

現(xiàn)實世界中的Beacon探測

不得不承認，現(xiàn)實世界總是不完美的。為了讓APP能夠更好的為人民服務，程序猿編寫代碼時也不得不考慮現(xiàn)實中的問題種種。在測試過程中，盡管我們很認真地設置了掃描配置，Beacon掃描偶爾還是會有漏網(wǎng)之魚。現(xiàn)實中，由于游客和Beacon之間的物理屏障（如人群、其他物品等）、或Beacon配置與之前設想的不同，也會出現(xiàn)一些紕漏。物理屏障的存在會導致游客在展廳內行走時，APP數(shù)據(jù)回報出現(xiàn)短暫的異常。因此，Beacon應用不應當僅根據(jù)最近一次的數(shù)據(jù)回報就立刻作出回應。認識到這一點讓我們收獲頗多：與其中規(guī)中矩地根據(jù)AltBeacon庫回調的數(shù)據(jù)行事，不如對算法進行適度的“模糊”處理，也許能改善Beacon APP的表現(xiàn)。為了改善算法，我們決定采用更復雜一些的方法來追蹤范圍內的Beacon。

模糊的Beacon追蹤

我們的方法簡單而有效——保留了最近15秒的報告中提示位于范圍內的Beacon的相關數(shù)據(jù)緩存，以及每個Beacon最近一次被探測到的精確時間。通過計時器任務，把最近15秒內沒有被探測到的Beacon視為“過期”、移除緩存。

在可以稱得上“重中之重”的didRangeBeaconsInRegion方法中,我們更新了Beacon數(shù)據(jù)緩存和回調的Beacon對象列表，然后評估全部的緩存數(shù)據(jù)，以判定目前距離最近的Beacon。于是測試的結果有了改善。這類似于數(shù)據(jù)平滑處理，相關代碼片段如下圖。

圖5 – GyboApplication.java中的Beacon緩存設置和使用

圖6 –BeaconEvent類別

圖7 –負責終止BeaconEvent對象的計時器任務

最后的最后，提醒用戶！

一旦實際執(zhí)行了獲取范圍內Beacon報告的代碼、采取了某種方式追蹤Beacon、并根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)判斷哪一個Beacon離游客最近，那么就只剩最后一步了：在合適的情況下提示游客Beacon所關聯(lián)的展品信息。怎樣判斷是否“合適”呢？主要看最后一次生成的通知是否為同一Beacon相關的，因為沒有必要反復提示用戶同一個展品的信息。還需要將估算的Beacon距離與既設的（觸發(fā)行為的）最小距離值進行對比，判斷游客是否足夠靠近Beacon（也就是展品），然后決定是否發(fā)送展品信息。

如果APP是在前臺運行，提示游客的方法就很簡單：更新主要展覽信息頁面、顯示最近的展品介紹。我們使用內存中有關Beacon及其對應展品的數(shù)據(jù)結構，每個Beacon都有自己的ID，就可以分別對應各自的展品信息，并在APP本地映射了這些數(shù)據(jù)的對應關系，但正如第一篇中所講到的，對于除了原型以外的任何APP，最好從遠程服務器上獲取相關數(shù)據(jù)，根據(jù)位置或其他信息配置Beacon。

圖8 –Beacon Information類別

圖9 –ThingOfInterest類別

通知列表下拉菜單中的通知，并將其鏈接到定義展品信息頁面的Activity。

圖10 – 安卓系統(tǒng)通知，提示附近發(fā)現(xiàn)Beacon

下圖是安卓通知的代碼。

圖11 – 創(chuàng)建通知

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量身定做自己的專屬Beacon

前面已經介紹了Beacon應用開發(fā)的概念和AltBeacon廣播形式，并詳細講解了如何利用AltBeacon安卓API開發(fā)博物館導覽APP原型。下面將向大家介紹如何測試這一博物館導覽APP。

選擇藍牙開發(fā)板，啟動你的專屬Beacon！

我們暫時還沒有現(xiàn)成采用AltBeacon形式的Beacon，但手上有不少藍牙開發(fā)板。藍牙開發(fā)板是具有智能藍牙功能的微控制器（MCU），其內部一般都內置了藍牙協(xié)議棧。由于開發(fā)板一般都具有豐富的外設接口和引線，因此開發(fā)板通常用來搭建產品的原型可以將編譯生成的固件直接燒入到開發(fā)板當中，甚至可以直接做成產品功能展示，或是單純用于試驗或學習。我決定用自己手上既有的幾塊開發(fā)板來創(chuàng)建Beacon應用，然后測試一下安卓博物館導覽APP。

我使用的是Bluegiga DKBluetooth Low Energy開發(fā)套件和英特爾Edison開發(fā)板。Bluegiga開發(fā)板的編程采用BGScript腳本語言。英特爾Edison運行的是則Linux，編程語言有多項選擇。我習慣用由JavaScript框架驅動的Node.js，這樣能找到適用的智能藍牙的功能包或是庫文件。

Bluegiga變身AltBeacon

Bluegiga的BGScript腳本語言簡單易懂，且配有Bluegiga框架所提供的豐富的功能庫。用BGScript創(chuàng)建Bluegiga應用涉及用文本編輯器創(chuàng)建腳本文件和其他項目配置文件。通過Bluegiga SDK中的軟件更新工具，就可以直接通過USB將編譯生成的固件燒入到開發(fā)板上。

腳本包括變量和數(shù)組聲明、事件處理器回調函數(shù)。回調是編程模型的重要部分，調用標準Bluegiga功能函數(shù)會促發(fā)相關的回調函數(shù)。同樣，框架也可以調用事件處理器，以回應腳本之外的情況。

在任何平臺上實現(xiàn)Beacon都涉及與通用訪問配置文件（Generic Access Profile, GAP）協(xié)作，要求設置廣播數(shù)據(jù)包內容、配置廣播參數(shù)。

Bluegiga AltBeacon實施的要素如下圖：

先從變量聲明開始。

圖11 – 數(shù)組聲明

廣播的設置可以在Bluegiga標準事件處理器“system_boot”中完成，開發(fā)板接通電源或重置之后，系統(tǒng)會調用“system_boot”。我先設置了包含F(xiàn)lags字段數(shù)組，F(xiàn)lags字段包括許多位，從每一位都能看出Bluetooth Smart和／或Bluetooth BR/EDR的支持方式。

廣播數(shù)據(jù)包中可能包含的字段稱為廣播數(shù)據(jù)類型（ADV data types），藍牙核心規(guī)格附錄的A部分（數(shù)據(jù)類型規(guī)格）對其有明確定義。廣播數(shù)據(jù)類型的標準結構，包括一個單一字節(jié)長度字段 (它的值不包括長度字段本身占有的字節(jié))、一個單一字節(jié)數(shù)據(jù)類型字段。GAP編號文檔中定義了數(shù)據(jù)類型值。

下面是初始過程的首部分代碼：

圖12 –在system_boot事件處理器中定義flags廣播類型

在本系列文章的第一篇中，我介紹了AltBeacon形式并解釋了GAP 制造商特定數(shù)據(jù)廣播字段中編碼的數(shù)據(jù)。我在同一數(shù)組內的后20字節(jié)中填入了這些數(shù)據(jù)。

圖13 – 定義制造商特定數(shù)據(jù)字段中的AltBeacon數(shù)據(jù)

然后為Beacon設備設置名稱，這一名稱今后可以顯示在Central設備（主要是智能手機）返回的掃描結果中。它的值是另一個廣播類型，因此我將它設立在它自己的數(shù)據(jù)里。可以看到，指定的本地名稱就是AltBeacon。

圖14 – 建立用于掃描響應的本地名稱

配置廣播參數(shù)包括調用Bluegiga的一些功能、數(shù)組。

圖15 – 配置GAP 廣播

這樣，我的Bluegiga定制AltBeacon準備就緒。

圖16 –藍兆科技DKBLE上的AltBeacon

另一種選擇：英特爾Edison上的AltBeacon

Node.js是模塊化設計，有多種用途的模塊供選用。對于Node.js來說，模塊與庫類似。“Bleno”模塊能夠為擔任藍牙GAP外設的應用提供諸多功能，如GATT配置文件的定義和實施。它是開源的，由Sandeep Mistry創(chuàng)建。SandeepMistry還創(chuàng)建了Noble模塊，可以用來創(chuàng)建GAP中央模式設備的相關軟件。Bleno和Noble都位于github上。

Bleno的標準分布不支持AltBeacon形式，但卻支持iBeacon。因此，我復制了Noble github 倉庫并改寫了Bleno，這樣就可以生成AltBeacon形式的GAP廣播了。下面就跟大家介紹一下是怎么改寫的。

我在標準的bleno.js源文件上添加了新功能，然后就可以根據(jù)node.js應用的一系列既設參數(shù)啟動廣播了。新功能代碼就長以下這個樣子：

圖17 –bleno/lib/bleno.js中的新功能

這一代碼基本上就是將必須的AltBeacon數(shù)據(jù)填充到緩沖區(qū)，然后調用添加至Linuxbindings.js源文件中其他功能。Bleno可以與Linux上的BlueZ藍牙協(xié)議棧協(xié)作，當在基于Linux的平臺上執(zhí)行功能時，Bleno所引出的用于多種應用的功能最終被映射到針對BlueZ功能的調用。我只好對Bleno中Linux相關的部分作一些修改，這樣才能支持AltBeacon。