藍牙BLE 4.2 低功耗在iBeacon與物聯網上的應用說明及相關技術討論.

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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。

6. 藍牙4.0多元創新應用 -- 健康檢測

7. BLE 4.1
• SW
• HW
• AP

8. 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 ?

9. 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

10. 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!!

11. BLE (4.x) Based on Nordic chipset
Broadcasting + Rebroadcasting
Broadcasting + Rebroadcasting 好像 DDoE 阻斷式服務的駭客攻擊 ??!

12. 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

13. BLE (4.x) Based on Nordic chipset

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

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

16. 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

17. 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)

18. 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

20. 於 Android Market’s 教育軟體

21. 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

22. 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)

23. 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??

24. 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

28. 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

29. 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

30. “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

31. S4:公共設施導引協助
您設定的目的地：展示A廳
!
可協助找廁所