BLE 系統在 IoT 上的應用實踐大學資設系 助理教授崑山科大 電通系 兼任講師 許智威 博士

IoT 所採用的無線通訊協定短距離無線傳輸 (10m 50m 100m) ?? 短距離 ??•WirelessHart/ISA100 • Zigbee•ANT•BT/BLE

藍牙 3.0+HS 、 4.0 LE 與多模• 目前市面上最常見的藍牙版本 -- 仍以藍牙 2.0/2.1+EDR 為主• 藍牙 3.0+HS 高速技術有人說 : 藍牙 2.0/2.1+EDR + 藍牙 3.0+HS 高速技術會等於下面• 藍牙 4.0 LE 低功耗技術 -- 其實不全然 省電 (270uA/1MBps/2 年 ) 、綜合 2.x 3.0+HS 協定、 3 種傳輸模式、單模與雙模、距離延伸至 100m 、多模 ( 介接 WiFi, NFC..) 、自動跳頻、支援深度休眠、較長的 128 位元加密 AES-128 CCM 、可形成星狀拓譜定址 32 位元數目• 多模 : WiFi / BLE 共存

常見的藍牙規範• A2DP （ Advance Audio Distribution Profile ）：定義裝置間的立體聲音訊傳輸。• BIP （ Basic Imaging Profile ）：定義裝置間的圖像傳輸，其中又包括圖像遠端瀏覽、進階遙控列印、相機遠端控制等。• CTP （ Cordless Telephony Profile ）：定義家用話機間的通訊傳輸。• HSP （ Headset Profile ）：定義無線耳機的通訊傳輸。• HFP （ Hands-Free Profile ）：定義免持裝置的連接傳輸。• ICP （ Intercom Profile ）：定義通訊裝置間的對講功能。• LAP （ LAN Access Profile ）：定義將藍牙裝置模擬成無線 AP 連網的功能。• FTP (File Transfer Profile) ：定義裝置間的檔案傳輸。• SIM 資料存取、資料同步等等

藍牙產品上市需要認證測試基本上藍牙的認證測試主要可分為三個方面的測試，包括：• 射頻 Radio Frequency ：測試 Transmitter 的電性、功率、調變是否正常、相位轉換是否正確、 Receiver 的敏感度以及抗干擾能力是否符合規範。• 協定層 Protocol ：測試協定層的處理能力，以驗證語言溝通是否正確、下指令時是否會獲得正確回應。• 藍牙規範 Profile ：驗證在不同用途下，應該使用的相關規範和通訊協定以及互通性是否良好。認證實驗室必須是藍牙技術聯盟通過認證的測試實驗室 , 簡稱（ Bluetooth Qualification Testing Facility ， BQTF ）進行執行測試。

藍牙 4.0 多元創新應用 -- 健康檢測

BLE 4.1• SW•HW•AP

BLE (4.x) Based on Nordic  chipset• mesh network topology of BLE• BT 想要具有 Zigbee of Star/Mesh Topology 的網路型態• BLE 的 Star 稱為 Central (coordinator )/ Peripheral (Device)好像沒有 Mesh ?

BLE (4.x) Based on Nordic  chipset• BLE 未來如何取代 ZigBee 或共同 ZigBee 搶下 IoT 的市場 ??• Mesh 好像是不可或缺的 !!

因此 Bluetooth SIG 再制訂 Mesh 的 Spec

廠商 (Nordic, CSR ...) 在 2014 年陸續發佈 Proprietary Mesh 來滿足 Mesh 應用需求

BLE (4.x) Based on Nordic  chipset• 問題是這幾家都是採用 broadcasting 方式 , 可是底層 MAC 是採用 Hopping 方式 , 似乎有點…… . 卡卡 !!

BLE (4.x) Based on Nordic  chipset Broadcasting + Rebroadcasting

Broadcasting + Rebroadcasting 好像 DDoE 阻斷式服務的駭客攻擊 ??!

BLE (4.x) Based on Nordic  chipset • Broadcasting mesh 的缺點就會癱瘓掉整個網路 , 所以就影人提出

version control 概念 ( 先驗證 MSG 版本再決定 Broadcasting)• 加入 Stop criteria 機制 , 這包括有 1. 用 counter / timer 方式 , 停止條件道就停止 2. 裝置自己收到自己 broadcast 的訊息資訊 N 次 , 就停止 3. broadcasting 初期建立出自己周圍的 network topology ?? 這些動作看起來越來越像 ~ coding 的作法 最大的不同是額外記錄 Central 與 device 下一次跳頻的通道數就是 RFC6202 內定義在 Mesh Service 之中的 mesh value pair獨立的 Trickle 演算法

BLE (4.x) Based on Nordic  chipset

BLE (4.x) Based on Nordic  chipset -- HW

BLE (4.x) Based on Nordic  chipset -- HW

藍牙 /WiFi 多元創新應用 – 居家 IoT•與雲端的結合 -- GAE 因為 2G 免費 ( 在大陸 淘寶與天貓新京東商雲 ) 產品履歷回報 , 遠端遙控打掃•打掃兼看門狗 – 裝了 Reaspberry Pi2 + CARM •寵物餵食器•移動式音樂喇叭•監看居家防災缺點 : 好像沒有隱私

HW & SWHW• 1-固定 25 度斜坡傾角偵測電路• 2-PD落地訊號線抗干擾設計• 3- 短毛黑色地毯行走 • 4- 新增一組 SDIO 接頭 [與WIFI 模組對接使用 ]• 5-BLE nRF5182XX• 6-MCU改用 Nuvoton NUC120 SW• 1-固定 25 度斜坡傾角偵測• 2-特殊窄巷行為脫困 • 3-小椅腳清掃 – 3.5cm ~ 7cm• 4-小沿邊與海豚式• 5-狀態學習 ( 用於窄巷脫困 , 椅腳沿邊與浮動電流偵測 )

WiFi module

1 1 SW BLE/WiFi module driver

1 2 SW Robot Clien Config Server 與 WiFi 的連線程式1 3 SW Android APP UI Server 與 Smart phone 的管理程式1 4 SW Robot Clien model Robot to AP model of Role swap

1 5 SW Server DB Linux data base 建置 (id,IP, state, Error, Warning.,)

1 6 HW WiFi module UART/AT Command ; AP model and Clien model

於 Android Market’s 教育軟體

BLE 4.2 : 網路協定支援（ IPSP ） -- 以藍牙 4.1 版功能為基礎• Bluetooth Smart 感測器透過

IPv6/6LoWPAN 直接連上網際網路• 以既有 IP 基礎架構來管理

Bluetooth Smart「邊緣」裝置• 藍牙定位更精準的應用• 傳輸速度提高 2.5倍• UUID 對應一組 URL 也對應一支

iBeacon App

某單位導覽與定位系統Google 的 Eddystone 與 Apple 的 iBeacon 有什麼區別？• UUID 對應一組 URL 也對應一支 iBeacon App ( 像星巴克集點卡要留在 App 集點 )• UUID 對應一組 URL , 或對應一支 UriBeacon ( 像是咖啡杯買完喝完就丟 )

NFC 與 iBeacon 微定位技術的相輔佐• NFC 採用 Reader/Tags 的方式 , 多數操作頻段在 13.56MHz/2cm• NFC 在移動支付領域發展較成熟• iBeacon 技術在移動支付方面還處於概念測試階段•設想 RF 的部分採用 iBeacon 技術 (BLE) , 行動支付採用 NFC (安全加密與第 3 方付費 ) 是否可行 ??

iBeacon 微定位技術有開放原始碼 ??• 這是在 iOS 上 App 的服務 , 所以沒有 opensource但是……… .. Google 在 Physical Web 開放了 UriBeacon標準• 所以可以在 Android 實作相似 iBeacon 的 BLE 網路

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iBeacon 藍芽室內定位系統透過佈建在展品旁的 iBeacon 來得知遊客是否靠近展品

iBeacon

iBeacon

iBeacon 裝置

遊客乙 網路閘道器

iBeacon 應用伺服器

iBeacon 定位資料庫 展品介紹內容資料庫遊客甲

定位距離精度約 40cm

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整體功能描述 導覽機

– 可預錄所有展品的介紹內容– 追蹤定位資訊– 傳送 / 接收應用伺服器的資訊– 定位導引地圖

目的位置引導– 多媒體互動

靠近展品時，導覽機自動介紹展品

後台智慧導覽系統– S1: 根據定位資訊， 指示導覽機播放

對應的介紹內容– S1: 盲胞導覽協助– S2: 人群集散分布圖及統計系統– S3: 團員協尋系統– S4: 公共設施導引協助– S5: 文青日誌，電子留念簿– S6: 導覽機防竊

定位應用伺服器– 2D 圖資系統建置與定位裝置規劃佈建

室內 /外圖資建立系統 定位資料庫的建置規劃 展品介紹內容資料庫的建置規劃

– 導覽機 / 行動裝置追蹤 導覽機追蹤 定位資訊與展品介紹內容的對應 與導覽機互動

– 媒體伺服器 推播媒體資訊給導覽機

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S1: 靠近感知與自動介紹系統靠近展品時，導覽機自動介紹展品

定位 裝置

盲胞乙 網路閘道器

定位應用伺服器

定位資料庫 展品介紹內容資料庫遊客甲

照顧弱勢族群

iBeacon 貼附於展品基座

主動推薦！最懂遊客的導覽秘書 提供館內展區導覽服務，以親切的語言向遊客解說館藏內容，並可預先優化導覽動線，可讓遊客選擇避開人群、或直接前往人潮熱點，同時也可依照遊客先前的偏好分析（停留時間），主動推薦不容錯過的展覽品與商品。

S2: 人群集散分布圖及統計系統

錦繡繽紛院藏亞洲織品展

草木人情亞洲茶文化展

佛陀形影院藏亞洲佛教藝術之美

高麗王朝青瓷特展 11-13 世紀

揚帆萬里日本伊萬里瓷器特展

院藏伊斯蘭玉器特展

藍白輝映院藏明代青花瓷展

奔流不息嘉義發展史展

250 人

519 人

98 人 127 人

112 人

610 人

598 人

652 人

四、 根據這些統計資料 , 博物館方可改變展品的陳列位置與方式來避免人潮的過度集中 .

Weak zoneFocus zone

喜好類型

預計停留時間2-3hrs 半日 二日一日

中華文化 XXX宗教藝術

數種服務模式啟用：一、人潮聚集點主動提示 ( 數字與顏色）二、當期展覽及熱門展品推薦 / 導引三、使用者偏好設定

當著迷於某展品而停留太久，導致脫隊時。團員協尋系統將幫您找到他們 !

S3: 團員協尋系統

You

其他團員

“S3: 團員協尋系統使用情境 團員設定

團員追蹤與呼叫

人員協尋 ( 加值功能 )

導遊Group 025

025-01

025-02

025-03 025-04

025-05

025-06 077-01

077-02

077-03 077-04

077-05

077-06

導遊Group 077

•服務台將導覽機遞給導遊•導遊帶開後分發導覽機•導遊登錄團員協尋系統•後台系統給導遊一個團號 (eg. 025)•團員以這個團號登錄即可入團•系統會自動分發一個 ID給團員

服務台

後台管理系統

•當遊客站在展品前，室內定位系統會給一個 iBeacon 編號與展品編號。系統知道每個人的位置•導遊透過系統來追蹤 / 呼叫 / 引

導團員歸隊

團員協尋系統

協尋通知性別： Boy年齡： 5特徵： ****•發現小孩 (沒帶導覽機 )失蹤，服

務台可發出協尋通知予導覽機

S4:公共設施導引協助

1F 實驗室、樓梯、廁所 成果展示溫室

電梯、訓練教室室外樓梯、圖書館(2

F) 國際會議廳 ( 室外入口 )

21m

64m102m

35m

58m

72m

57m

45m

29m

服務台 國際會議廳訓練教室

N您設定的目的地：展示 A廳

!

可協助找廁所