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1、姓名：成凯姓名：成凯基于低功耗蓝牙技术的智能物联网监测系统设计与实现基于低功耗蓝牙技术的智能物联网监测系统设计与实现智能系统介绍智能系统介绍目录contentBeacon近距监测近距监测算法算法选题背景与研究选题背景与研究现状现状地理围栏算法地理围栏算法智能系统的设计智能系统的设计与实现与实现结论和展望结论和展望1.背景与研究现状背景与研究现状1研究背景研究背景2研究意义研究意义3研究现状研究现状1.1研究背景研究背景 1999年MIT Auto-ID中心Ashton教授在研究RFID时最早提出了物联网这个概念。2005年ITU在突尼斯举行的信息社会世界峰会上正式确定了“物联网”的概念，并随后
2、发布了ITU Internet reports 2005一一the Internet of things。 “物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。 其定义是:通过无线通信技术、全球定位系统、传感器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。1.1研究背景研究背景 近年来，智能手机呈现出爆炸式的增长态势，一个新兴烦人研究领域是基于智能手机自带的传感器，或者无线网络接入能力在物联网方向中的研究与应用。常见的智能手机上面都包含有磁力计
3、传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、GPS等传感器，此外，无线网络接入支持移动网络、Wi-Fi、Bluetooth4.0、NFC等。1.1研究背景研究背景 低功耗蓝牙(BLE)是物联网的一个关键构件，芯片厂商通过利用BLE进一步降低设备功耗和帮助开发者实现BLE，使BLE更适合应用在物联网环境中。根据蓝牙技术联盟（SIG）估计，在 2018 年 90以上有蓝牙功能的智能手机将支援蓝牙低功耗（BLE）功能。这连同数量越来越多，及能通过不断进步的无线技术连接到互联网的智能手机，可能是实现物联网（IoT）潜力的第一波。 随著手机规模经济的效果，BLE 为工程师和产品设计师提供一个简单和具成本效益的硬
4、件配置，以设计出可以相通到互联网的设备。1.2研究意义研究意义 随着物联网技术的快速发展，人们期待生活在一个高度智能化环境中。但是，目前生活中有很多事物都给人们带来不便。 例如，雨伞是人们生活的重要工具之一，然而，u当室外雨雪天气时，人们从外出的时候总会忘记携带雨伞，这时候不得不回来拿雨伞；u当早上出门的时候还是晴天，可晚上回家的时候却有雨雪，这时候不得不因忘记携带雨伞而苦恼；u当我们去教室等公共场合时，离开的时候我们总会因遗忘而丢失雨伞。1.2研究意义研究意义1.3研究现状研究现状2.同时当你在走出办公室或餐厅时，将雨伞落在了座位上，Oombrella同样会发出提醒你，防止丢失。3. 经典版
5、的Oombrella身长3.1英尺，而折叠版的尺寸为0.82英尺，两个版本的伞骨都使用了凯夫拉材质。目前Oombrella在Kickstarter上的众筹目标为6.5万美元，目前已经筹集了2.8万美元。Oombrella的众筹价格为59欧元（约合人民币430元），如果一切顺利的话，预计在今年10月出货。1. Oombrella内置的传感器可以追踪温度、气压、湿度以及光线，这些数据被用于预测是否马上大雨，如有极高的概率，你就可以通过智能机上的蓝牙和免费的配套应用程序接收到通知。甚至还在顶部安装有摄像头，如果警报的提醒还可以共享到Wezzoo天气社区。其警报预设在出门前15分钟，此外手柄位置还内置
6、了一个蜂鸣器和指示灯。1.3研究现状研究现状1.4 oombrella VS blebrellaoombrellablebrella传感器类型：温度传感器、气压传感器、湿度传感器、光线传感器和蓝牙发射接收模块BLE（低功耗蓝牙）发射装置提醒机制：传感器检测结合远程气象server，本地预测雨雪天气；设置出门前15分钟提醒用户；远程气象服务器获取，实时监测用户离开室内提醒用户防丢机制：在蓝牙保持连接的通讯范围之内，一般室内15米左右动态设置安全距离适应性：内置在oombrella雨柄部分，有蜂鸣器和LED灯提醒安装在普通雨伞，不收雨伞厂商限制，动态扩展2.智能系统介绍智能系统介绍1功能定义功能定
7、义2气象预处理模块气象预处理模块3地理围栏处理模块地理围栏处理模块4Beacon近距监测模块近距监测模块2.1功能定义功能定义u低功耗蓝牙雨伞提示系统包括： 功低耗蓝牙广播装功低耗蓝牙广播装置置 和移动终端应用软件移动终端应用软件系统系统两部分。2.1功能定义功能定义低功耗蓝牙低功耗蓝牙Beacon发射端：发射端： 是由一个BLE模块内置在雨具中，以每隔1秒的间隔发送Beacon广播数据报文，报文中包含有UUID、Major、Minor、RSSI、TxPower等字段。可以单独做成模块，使普通雨伞升级为blebrella。 此外，低功耗蓝牙模块仅运行在广播模式，随机在三个广播信道上每隔2s（时
8、间间隔支持20ms10.24s）发送一个广播数据报文，一个CR2032纽扣电池能够供电长达两年之久。2.1功能定义功能定义移动终端应用软件系统：移动终端应用软件系统： 是一个运行在移动终端上的Android软件应用程序，需要移动终端的硬件支持低功耗蓝牙芯片、磁力计传感器和加速度传感器，软件包括气象数据预处理，地理围栏监测，雨伞近距监控处理等几部分。2.1功能定义功能定义移动终端应用软件系统：移动终端应用软件系统： 通过网络数据连接请求从远程气象服务器获得实时天气信息，当预测到下雨天气，并且通过地理围栏监测到用户离开室内时，移动终端应用软件系统根据接收到BLE广播装置的广播信息来判断用户是否已经
9、携带雨伞，当用户忘记携带雨伞时，提醒用户携带雨伞。此外，当用户临时放置雨伞时，在离开的时候提醒用户带走雨伞，这样不会因遗忘而丢失雨伞。2.2气象预处理模块气象预处理模块 气象预处理是实时地判断当前天气是否有雨雪，来通知用户外出是否需要携带雨具。全国地理位置包含大量的省、市、县和区地名，因此智能手机端需要设计数据库来存取这些数据。 远程气象服务器返回给手机端的是Json类型的数据结构，包含当前时间，气象数据发布时间，气温范围，天气描述信息等，因此手机端需要解析json数据。缓存到本地，避免在数据连接断开的时候，也能从本地缓存读取气象信息。 为了保证用户每次获取的都是实时最新的气象信息，Andro
10、id手机端应用创建一个长期在后台运行的定时任务，每隔8个小时从远程气象服务器自动请求最新气象信息。判断雨雪天气是时从当前天气描述信息中判断是否包含“雨、雪”字段。2.3地理围栏处理模块地理围栏处理模块 地理围栏处理模型：用一个虚拟的围栏围出一个虚拟的地理边界，当手机进入、离开某个特定的地理区域，或者在该区域活动时候，手机可以接收到自动的通知和警告。 当智能手机离开该区域时，手机可以自动接收到通知，并且从气象预告处理模块中获取是否有雨雪天气，判断用户是否需要携带雨伞。 该模块定义了步频探测算法、步长确定算法、航向确定算法和矢量距离计算。2.3地理围栏处理模块地理围栏处理模块u 当室内环境中GPS
11、信号良好的时候，从GPS芯片读取实时定位信息，当用户离开设置的虚拟的栅栏时，手机自动接收到通知。u 当室内环境中GPS信号不好的时候，智能手机通过处理采集到的加速度传感器和磁力计传感器数值，探测用户移动的步数、步长和航向角；l根据加速度传感器数据，由步频探测算法计算步数；l根据加速度传感器数据，由步长处理算法探测步长；l根据加速度传感器数据和磁力计数据，由航向确定算法计算航向角度；2.3地理围栏处理模块地理围栏处理模块l已知一段时间内移动步数、步长和每一步航向角计算出用户移动的矢量距离，当用户离开设置的虚拟的栅栏时，手机自动接收到通知。2.4 Beacon近距监测模块近距监测模块 Beacon
12、近距监控模块用于实时监控用户是否随身携带雨伞。 该模块定义了智能手机端的RSSI近距监控算法和信号发射装置广播数据。u安置在雨具中的低功耗蓝牙模块，以1Hz频率发送广播数据包，智能手机接收到广播数据包中RSSI值通过RSSI近距监控算法判断雨具与手机之间距离，u或者不能接收到任何低功耗蓝牙模块发送的广播数据包表示雨具已经超过RSSI数据包接收范围。3.地理围栏算法地理围栏算法1航迹推算原理航迹推算原理2PDR模型模型3步频步频探测探测4步长估计步长估计5航向航向确定确定6虚拟地理虚拟地理围栏位置计算围栏位置计算3.地理围栏算法地理围栏算法uGPS信号可用：GPS定位uGPS信号不可用：室内定位
13、3.1航迹推算原理航迹推算原理3.1航迹推算原理航迹推算原理u传统惯性导航： 将从加速度传感器获取的加速度值一次积分得到速度大小，二次积分得到位移大小；将从陀螺仪获取的角度变化一次积分得到航向角，或者从磁力传感器直接获取两者的差值得到航向角；u行人航迹推算PDR（Pedestrian Dead Reckoning）： 基于人体步行的生理学运动特性，综合人体步行时身体加速度周期性变化特性，从采样样本中估算行走步数和步长，由步数和步长乘积得到位移大小，从磁力计传感器积分获取航向。3.1航迹推算原理航迹推算原理 在实际应用场景中传统惯性导航，为了减少累计积分计算出来的速度值误差， 对加速度传感器精度
14、要求比较高导致，导致硬件成本比较高， 此外由于累计积分过程，即使很小的精度偏差在经过一段时间的累积也会造成很大的误差。 行人航迹推算PDR在手机定位处理中具有很大的优势：首先，从定位精度来看，在智能手机上，PDR比惯性导航的精度高，惯性导航移动位移误差与加速度的二次方成正比例，在室内复杂环境下，很容易受环境影响，并且定位误差随时间随时间累加，相反，PDR通过步频和步长，再结合方位角在计算位移，定位误差并不会随时间随时间累加，手机摆动不大；其次，在算法处理过程中，惯性导航不仅需要一个提前校准的过程，获取当前的设备姿势，以便准确的计算下一时刻的位移，同时还需要误差动态清零步骤，避免误差累计增长，P
15、DR避免了繁琐的步骤，只需要从周期性变化的波形中统计用户移动的步数、步长和方位角，处理步骤比较简单，但是需要一个训练学习过程。 因此，在本系统中我们采用PDR算法处理地理围栏情景。3.2 PDR模型模型 生理学者对人体行走特征进行深入研究，发现人行走的加速度有如下规律： 正常人行走步态具有周期性，每个步态周期（Gait Cycle）可以分为四个相：脚离地（Push-off）、摆动（Swing）、脚后跟着地（Heel Strike）和站立（Stance），如图所示； 正常人行走的步频在0.52步/秒，步长范围在2070厘米，不同人行走步频和步长差异与个人身高、习惯和路面情况等相关；3.2 PDR
16、模型模型 在步数变化不明显的自然行走中，行人步长变化不大，标准差在5厘米以内； 行人前进和垂直方向的加速度信号波形能够反映出步态的周期性特征； 不同路面的情况下面，适用的步长模型可能不一样，如在平地行走模型不适用与上下坡模型3.2 PDR模型模型3.2 PDR模型模型 基于行人步态的生理学特征，Levi和Judd提出了行人航迹推算PDR的方法。这种方法的基本思想为，利用加速度信号探测用户行走的跨步，采用相关处理模型估算步长和重磁力传感器获得航向角度，推算出行人的位移，速度和方向等信息。PDR模型包含四个子模型：步频探测（Step Detection）、步长估计（Step Length Esti
17、mation）、航向确定（Heading Determination）和位置计算（Position Calculation）。3.3 步频探测步频探测常用的步频探测算法有：u峰值探测法（Peak Detection）：针对行走过程中身体上半身加速度信号每步呈现的单峰特征，统计固定时间窗口加速度的最大值来实现步频预测；u零点交叉法（Zero Crossing）：行走时每步总是一个加速和减速的过程，随着脚后跟离开地面而加速，同一只脚脚后跟着地而减速，所以剔除重力加速度后的运动加速度值有正有负，确定其波形的零点即可探测到跨步的开始和结束点；u自相关法：因为加速度信号的周期性，故通过自相关可以实现对跨
18、步的探测；3.3 步频探测步频探测由于智能手机具有特性：u算法的通用性，即步严格限制设备放置在行人身体的位置；u探测算法与步长估计的同步性，探测跨步时，能明确该步的起始和结束时刻，便于统计特征值；u嵌入式系统，硬件资源的有限性；3.3 步频探测步频探测“滑动窗口+峰值探测+零点交叉”算法：平滑处理3.3 步频探测步频探测u峰值探测：加速度必须大于一个峰值阀值，避免身体抖动等假动作造成虚探；正常行人步频13HZ，连续峰值的时间差必须大于一个时间阀值，消除一步多峰值误判；3.3 步频探测步频探测p滑动窗口N大小？p峰值阀值V大小？ 不同场景：上下坡、路面凹凸不平；心情；身体状况； 不同人群： 年龄
19、、性别、区域；3.3 步频探测步频探测u零点交叉： 主要判断加速度波形向上零点交叉的情况(即前一点小于零，当前点大于等于0)，用于确定每步的结束点和下一个跨步的开始点，便于计算该步的统计特征。3.4 步长估计步长估计3.4 步长估计步长估计 考虑到手机嵌入式系统软硬件资源有限，不适合人工智能步长模型；线性步长模型相比于非线性步长模型需要一个在线采样预处理过程，同时在实际的测试结果中表明非线性步长模型比常数/伪常数步长模型精度更高，所有此处采用非线性步长模型处理计算步长。 模型常数K大小？3.5 航向确定航向确定 行人定位系统中，手机有多中多样的摆放位置，其自由度比固定在行人驱干上的传感器要大得
20、多。本文中将显示中的手机被用户携带、使用场景归纳为以下四种情形：u指南针模式：用户稳定的握持着手机保持手机屏幕向上，手机指向用户的前进方向。u打电话模式：用户使用手机打电话，手机靠近用户的耳朵和面颊。u口袋模式：手机被放置在用户的口袋里面。u摆臂模式：用户拿着手机走动，且手机随臂摆动。3.5 航向确定航向确定l指南针模式和打电话模式下，手机传感器的航向角反映了行人的行进方向，并且都是相对稳定的。航向角与行进方向之间只差一个固定的偏移，因此可以计算出航向的相对移动。l而在口袋模式和摆臂模式下，航偏角会随着行人行走的驱动的摆动而变化，即使行人的行进方向没有发生改变，传感器的航向角度也会不断的变化，
21、此时不能直接从传感器的航向角推算行人的行进方向。3.5 航向确定航向确定 每经过一步都可以观测到加速度幅值穿过重力加速度的时刻，在这个时刻行人躯干位置与其在静止站立的位置是基本相同的、即腿和手臂处于树直状态。那么在此时的传感器航偏角就可以作为行进方向的参考，因为其与行人的行进方向之间只差一个固定的偏移。3.6虚拟地理围栏位置虚拟地理围栏位置计算计算 在本文中主要检测在GPS信号不可用的时候，用户是否有离开室内外出活动的倾向，来提醒用户在雨雪天气携带雨伞。通过监测用户是否走出预先设置的虚拟围栏区域，在PDR模型下面，根据用户某个时间段中移动的步数，步长和航向来计算用户移动的矢量位移。 据调查统计
22、发现，室内环境中，由于房间的特性，用户航向可以简化为 90 、 180 ，给计算带来很大的方便。4. Beacon近距监测算法近距监测算法1BLE技术介绍技术介绍2RSSI监测算法监测算法4.1 BLE技术介绍技术介绍 Beacon就是一种通过低功率蓝牙技术（Bluetooth Low Energy）实现精确定位的设备，室内放置一个Beacon信号发射基站，这个基站会创建一个信号区域，无须用户主动进行信息搜索，当用户携带着移动设备进入信号区域的时候相应的程序便会主动提示用户是否需要接入这个信号网络，之后手机中的应用程序把把用户离信号发射装备的距离划分为近（near），适中（medium）和远（
23、far），精确的对用户进行定位，并且依据用户处于的特定情境向他传达相应的信息。 所以Beacon的实施需要两个部分的设备，一是Beacon信号基站，二是用户手机上的接收装备，这需要一款安卓4.3以上或者苹果4s以上并配备蓝牙4.0硬件的手机，同时还需要开发一款APP软件并安装到用户的手机中。Beacon的信息推送并非是Beacon基站完成的，基站只提供位置情况，而信息则是通过手机里面安装的APP来完成传达的。4.1 BLE技术介绍技术介绍 低功耗蓝牙（BLE）是2011年蓝牙技术联盟（ BT SIG）发布的一种全新的蓝牙4.0技术，是当 前可以 用来设计和使用的功耗最低的短距离无线通讯技 术。
24、 低功耗蓝牙与传统蓝牙技术有着本质的不同， 它为健身医疗、车联网、物联网等领域的无线应用带来了突破。以尽可能降低功耗方面优化，尽管降低了数据传输速率，但是只需使用一个纽扣电池，BLE便可以连接并扩展各类个人局域网设备和新一代传感器，令其可靠的运行若干年。 目前为数百万个电子装置提供低功率连线功能，例如智慧型手表、健身追踪器、智慧型手机配件和医疗监测器。 透过即将推出的技术改进，BLE 将更加广泛地运用在新一代消费性电子产品与新兴物联网中。4.1.1 BLE体系结构体系结构主机应用各种应用程序控制器主机控制接口链路层物理层通用访问规范通用属性规范属性协议安全管理器逻辑链路控制和适配协议BLE体系
25、结构体系结构4.1.2 广播与扫描广播与扫描 两个低功耗蓝牙设备之间的最基本通讯模型就是广播（brocasting）和观察（observing）模型。两者采用广播和扫描来传输数据。4.1.3 广播广播主机使用LE Set Advertising Parameters命令来设置广播参数。配置参数包含广播的最小时间间隔和最大时间间隔，范围从20ms10.24s。另外，广播类型一共有四种，他们分别是：u可连接的非定向广播：这是一种常见的广播类型，包括广播数据和扫描响应数据，它表示当前设备可以接收其他任何设备的连接请求；u可连接的定向广播：表示设备仅仅接收某一特定设备的连接请求，不过不包含广播数据；u
26、可扫描的非定向广播：发送广播数据和扫描响应数据，用来激活扫描者；u不可连接的非定向广播：仅仅发送广播数据。4.1.4 被动扫描被动扫描要接收对端设备的广播数据，可以使用被动扫描。如图，可以使用LE Set Scan Parameters命令来进行设置控制器的扫描参数，参数如下：l扫描类型：可设置为主动或者被动扫描；l扫描间隔：控制器每隔多次时间扫描一次；l扫描窗口：每一次扫描持续时间间隔；l扫描策略：接收任何的广播或者仅仅接收白名单设备的广播数据包。 主机可以使用LE Set Scan Enabled命令启动扫描。扫描过程中，如果控制器接收到的符合过滤策略和其他规则的广播数据包，则发送一个LE
27、 Advertising Report事件给主机。4.1.4 被动扫描被动扫描 除了广播者的设备地址UUID外，报告事件中还包含广播数据包中的数据Major和Minor，以及接受广播数据包时的信号强度RSSI和发送功率TxPower。 我们可以根据信号强度以及位于广播数据包中的发射功率，共同确定信号的路径损耗，从而给出大致的范围。4.1.5 主动扫描主动扫描 主动扫描不仅可以捕捉到设备的广播数据包，还可以捕捉到可能的扫描响应包。4.1.6 广播数据广播数据u标识：有限可发现模式、通用可发现模式、不支持BR/EDR和设备同时支持LE和ER/EDR模式；u服务：广播类型；u发射功率等级：TXPow
28、er；u从设备连接间隔时间：u服务请求：u服务数据：u制造商指定数据：uRSSI数值：4.1 BLE技术介绍技术介绍 Beacon就是一种通过低功率蓝牙技术（Bluetooth Low Energy）实现精确定位的设备，室内放置一个Beacon信号发射基站，这个基站会创建一个信号区域，无须用户主动进行信息搜索，当用户携带着移动设备进入信号区域的时候相应的程序便会主动提示用户是否需要接入这个信号网络，之后手机中的应用程序把把用户离信号发射装备的距离划分为近（near），适中（medium）和远（far），精确的对用户进行定位，并且依据用户处于的特定情境向他传达相应的信息。 所以Beacon的实施
29、需要两个部分的设备，一是Beacon信号基站，二是用户手机上的接收装备，这需要一款安卓4.3以上或者苹果4s以上并配备蓝牙4.0硬件的手机，同时还需要开发一款APP软件并安装到用户的手机中。Beacon的信息推送并非是Beacon基站完成的，基站只提供位置情况，而信息则是通过手机里面安装的APP来完成传达的。4.2 Beacon近距监测算法近距监测算法 BLE为近距监控物体，提供了极大的便利，在室内能够实时监控50m内的物体。不同于Wi-Fi，RFID，ZigBee等技术，低功耗蓝牙具有硬件成本低，系统布置简易，维护成本小，智能手机都支持蓝牙具有应用性广等特点，因此，我们只需要在雨伞装置内置一
30、个BLE模块，即可在终端智能手机监控用户是否随身携带雨伞。4.2 Beacon近距监测算法近距监测算法 发送器和接收器之间的射频信号将随着通信距离的增加而逐渐衰减。射频信号的传播会受到多路径、非视距等诸多因素的影响，衰减量也会因传输环境的不同而发生变化。在考虑到这些因素的情况下，信号传播可以按照对数正态分布进行建模。在建模方面，Shadowing 模型可以精确地描述实际信号传播，并且已经应用于许多定位系统中。4.2 Beacon近距监测算法近距监测算法u获取获取RSSI AltBeacon每秒广播一个数据包，智能手机接收到发射装置的数据包之后，解析RSSI和TxPower，估算出Beacon与
31、智能手机之间的距离4.2 Beacon近距监测算法近距监测算法u采样 当Beacon发射装置和智能手机之间的距离保持不变时，智能手机接收到的信号强度随时间之间的变化曲线。为了减小噪声和误差，我们一般用一个固定时间窗口内取N个RSSI数值通过Kalman滤波来估算4.2 Beacon近距监测算法近距监测算法u降噪 用切比雪夫原理中的切比雪夫异常值检测移除技术，过滤掉这些噪声。在实际的验算中，当等式中k=2时证明有比较好的效果。按照等式处理结果，所有数据中，至少有3/4（或75%）的数据位于平均数2个标准差范围内所有数据中。4.2 Beacon近距监测算法近距监测算法u滤波 用卡尔曼滤波器来估算均
32、值，在实际中表明RSSI数值更加稳定，有很好的效果。u离散化 从上一步处理结果中，预算出最接近实际距离的数值。我们一般认为在预算短距离时，数值比较小处理起来更加困难。 例如，我们估算所有的数值在0.76和1.25到1之间，和所有的数值在1.26和1.75到1.5之间等。离散化能够很好的处理这种情况，同时个别误差对最终的结果并不会有太大的影响5. 系统的设计与实现系统的设计与实现1硬件设计硬件设计2软件设计软件设计3成果及测试成果及测试5.1 硬件设计硬件设计5.2 软件设计软件设计5.3 成果及运行成果及运行5.3 成果及运行成果及运行5.3 成果及运行成果及运行6 结论和展望结论和展望主要主
33、要工作：工作：u提出一种智能雨伞的方案，解决雨雪天气提醒携带雨伞和提醒用户不丢失雨伞；u对室内导航技术的研究，考虑到不依赖基站设施，结合智能手机传感器特点，选择行人航迹推算PDR（Pedestrian Dead Reckoning）作为室内GPS信号信号无法接受时提供的辅助定位算法，来监测用户是否离开虚拟地理围栏。改进算法，通过在线监督训练确定模型参数，来精准定位。u通过对低功耗蓝牙技术的研究，利用低功耗蓝牙在通讯距离短，功耗低，成本低，等的优势，探测雨伞和手机之间的实际距离，通过设置安全距离来判断用户是否随身携带雨伞。 但是，本文提出的PDR定位算法，在导航场景适应性，运动模式多样化和导航信息未维度等方面还需要进一步研究。后续工作，可以考虑结合人工神经网络算法。6 结束结束