室內(nèi)定位技術(shù)在圖書館移動(dòng)服務(wù)中的應(yīng)用

宋凱

摘 要 傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)只能提供室外相關(guān)的服務(wù)，存在著一定的局限性，因此也催生著室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。在圖書館的應(yīng)用環(huán)境中讀者和服務(wù)人員幾乎全部是在室內(nèi)活動(dòng)，隨著智能手機(jī)的普及，通過室內(nèi)定位技術(shù)能夠?qū)D書館的服務(wù)質(zhì)量和效率進(jìn)行有效的提升，同時(shí)也能夠減少圖書館的管理成本，增加圖書館服務(wù)的主動(dòng)性與便捷性。本文對(duì)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位技術(shù)在圖書館移動(dòng)服務(wù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，并對(duì)其進(jìn)行分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞 室內(nèi)定位技術(shù) 圖書館移動(dòng)服務(wù)

中圖分類號(hào)：G250.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.05.083

Application of Indoor Positioning Technology in Mobile Library Services

SONG Kai

（Communication University of China， Beijing 100024）

Abstract Traditional GPS positioning technology to provide services related to the outside， there are some limitations， therefore also expedites the development and application of indoor positioning technology. Readers in the application environment of Library and service personnel is almost entirely in indoor activities， along with the popularity of smart mobile phone， through the indoor positioning technology can effectively improve the quality of service and efficiency of the library， but also can reduce the cost of management of the library， the initiative and the convenience of increase of library service. In this paper， the key technology to realize the indoor positioning technology in mobile service in library is discussed， and carries on the analysis and summary.

Key words indoor positioning technology; mobile library service

0 引言

時(shí)代飛速變遷，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，位置信息服務(wù)質(zhì)量效率提高，受干擾度小，在人們的生活工作及科學(xué)研究中起到了非常重要的作用。傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)只能提供室外相關(guān)的服務(wù)，存在著一定的局限性，因此也催生著室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

首先，在圖書館的應(yīng)用環(huán)境中讀者和服務(wù)人員幾乎全部是在室內(nèi)活動(dòng)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在此情況下無法提供有效的服務(wù)，即室內(nèi)定位難題。①其次，據(jù)L.Thomas的研究，“44%的高校圖書館和34%的公共圖書館員表示，他們已經(jīng)具有為圖書館用戶提供某一類型移動(dòng)服務(wù)的能力，并且約有五分之二的圖書館計(jì)劃進(jìn)一步開展移動(dòng)服務(wù)，②這也是當(dāng)今社會(huì)高水平圖書館開展深層次服務(wù)的大勢所趨。另外，現(xiàn)代圖書館的體量逐漸增大，館舍面積、文獻(xiàn)數(shù)量、數(shù)據(jù)庫及各種多媒體信息資源都呈現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展。③因此，選擇一種精準(zhǔn)的室內(nèi)定位技術(shù)將是向圖書館中的讀者推送有用的、有針對(duì)性的服務(wù)內(nèi)容及信息資源的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，同時(shí)，選擇一種部署最為簡便、功耗性能比較小的定位技術(shù)也是本文研究的目標(biāo)。

室內(nèi)定位技術(shù)非常實(shí)用，具有較大的應(yīng)用拓展空間，其應(yīng)用范圍廣泛，在復(fù)雜環(huán)境下，室內(nèi)定位技術(shù)可以以信息化的方式結(jié)合物理位置實(shí)現(xiàn)對(duì)人員以及物品的快速定位，從而以最便捷、高效的方式給讀者最準(zhǔn)確的信息。例如它可用于在某個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)推送書籍更新的通知信息;或是精確引導(dǎo)讀者在圖書館中找到所需的圖書;④推送該區(qū)域所對(duì)應(yīng)學(xué)科的相關(guān)電子資源等。⑤隨著智能手機(jī)的普及率也越來越高，基于智能手機(jī)功能的多元化，智能手機(jī)已經(jīng)擁有了WIFI、加速度計(jì)、陀螺儀、氣壓計(jì)、電子羅盤等等豐富的硬件將會(huì)使室內(nèi)定位技術(shù)在圖書館中的應(yīng)用推向一個(gè)全新的方向。

本文接下來將介紹室內(nèi)定位技術(shù)在圖書館移動(dòng)服務(wù)中的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 系統(tǒng)基本框架與關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 系統(tǒng)基本框架

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看出基于室內(nèi)定位技術(shù)的移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)主要分為三部分。移動(dòng)端主要是由安卓系統(tǒng)移動(dòng)端和蘋果iOS系統(tǒng)移動(dòng)端組成;而在服務(wù)器端，則主要是由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和防火墻組成。移動(dòng)端和服務(wù)器通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)進(jìn)行互相通信和數(shù)據(jù)的交換。室內(nèi)定位信息端主要是由第三方提供的基于wi-fi方式的定位信息。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用層次結(jié)構(gòu)圖⑥

由圖2可以看出，基于室內(nèi)定位技術(shù)的圖書館移動(dòng)服務(wù)從功能結(jié)構(gòu)上主要分為3層：（1）IT基礎(chǔ)設(shè)施層;（2）應(yīng)用運(yùn)行支撐平臺(tái);（3）應(yīng)用服務(wù)層。

IT基礎(chǔ)設(shè)施層主要是提供與硬件相關(guān)的服務(wù)。這一層主要由網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器/存儲(chǔ)設(shè)備結(jié)合虛擬化技術(shù)和IT運(yùn)維共同對(duì)上一層提供服務(wù)。應(yīng)用運(yùn)行支撐平臺(tái)最關(guān)鍵的是身份認(rèn)證中心、消息服務(wù)中心、數(shù)據(jù)交換中心。其中，身份認(rèn)證中心主要是對(duì)圖書館中的請(qǐng)求移動(dòng)服務(wù)的用戶信息進(jìn)行身份確認(rèn)，如果身份能夠得到有效的確認(rèn)，則可以提供相關(guān)服務(wù)。數(shù)據(jù)交換中心主要是服務(wù)器端、移動(dòng)端以及定位端之間的通信。消息服務(wù)中心則負(fù)責(zé)管理移動(dòng)端與服務(wù)器端之間的通信消息，比如移動(dòng)端請(qǐng)求某個(gè)位置圖書信息、圖書館某個(gè)物理區(qū)域主動(dòng)向移動(dòng)端用戶推送消息等。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)與分析

關(guān)鍵技術(shù)主要由定位技術(shù)、消息通信機(jī)制、位置信息與信息資源索引和消息實(shí)時(shí)推送三部分組成。

1.2.1 室內(nèi)定位技術(shù)在圖書館中的應(yīng)用與分析

目前常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要包括四種，分別是：（1）基于超聲波定位技術(shù);（2）基于紅外線的定位技術(shù);（3）基于超寬帶的定位技術(shù);（4）基于射頻識(shí)別定位技術(shù)。

（1）超聲波技術(shù)。超聲波定位系統(tǒng)由一個(gè)主測距器和若干個(gè)電子標(biāo)簽組成，定位過程如下：先由上位機(jī)發(fā)送同頻率的信號(hào)給各個(gè)電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接收到后又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個(gè)電子標(biāo)簽到主測距器之間的距離，并得到定位坐標(biāo)。目前，比較流行的基于超聲波室內(nèi)定位的技術(shù)還有下面兩種：一種為將超聲波與射頻技術(shù)結(jié)合進(jìn)行定位。另一種為多超聲波定位技術(shù)。該技術(shù)抗干擾性強(qiáng)，精度高，而且可以解決機(jī)器人迷路問題，精度可達(dá)厘米級(jí)。缺陷：超聲波在傳輸過程中衰減明顯，從而影響其定位有效范圍且在圖書館內(nèi)部署有較高的成本。

（2）紅外線技術(shù)。紅外線是一種波長間于無線電波和可見光波之間的電磁波。將紅外線與超聲波技術(shù)相結(jié)合也可方便地實(shí)現(xiàn)定位功能。用紅外線觸發(fā)定位信號(hào)使參考點(diǎn)的超聲波發(fā)射器向待測點(diǎn)發(fā)射超聲波，應(yīng)用無線定位基本算法（TOA算法），通過計(jì)時(shí)器測距定位。⑦一方面降低了功耗，另一方面避免了超聲波反射式定位技術(shù)傳輸距離短的缺陷。使得紅外技術(shù)與超聲波技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)。紅外線定位的定位精度在5～10m。由于紅外線在傳輸過程中易受物體或墻體阻隔且傳輸距離較短，因此定位系統(tǒng)復(fù)雜度較高，有效性和實(shí)用性較其它技術(shù)仍有差距。

（3）超寬帶無線技術(shù)。超寬帶無線技術(shù)（UWB技術(shù)）是一種傳輸速率高（最高可達(dá)1000Mbps以上），發(fā)射功率較低，穿透能力較強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果。

超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測距定位算法，⑧就是通過信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統(tǒng)包括產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號(hào)的無線電系統(tǒng)?；诔瑢拵Ъ夹g(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)典型實(shí)例為：Ubisense，其定位方法為三邊定位，定位精度為：6～10cm，缺陷：造價(jià)較高。

（4）射頻識(shí)別技術(shù)。射頻識(shí)別技術(shù)是一種操控簡易，適用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù)。該系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫器、中間件以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。射頻標(biāo)簽和讀寫器是通過由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。RFID技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)在一些大型圖書館中開始應(yīng)用，前景廣泛，但大都停留在紙質(zhì)文獻(xiàn)及多媒體光盤介質(zhì)管理方面，如何有效地發(fā)揮RFID技術(shù)的功效，更好地開展圖書館的信息化服務(wù)，則需要無線局域網(wǎng)技術(shù)的配合。

（5）兩種基于2.45GHz頻段RFID無線室內(nèi)定位系統(tǒng)。

①無線局域網(wǎng)技術(shù)（Wi-Fi/IEEE 802.11b）。基于IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線以太網(wǎng)已經(jīng)成功進(jìn)入人類社會(huì)生活中，無論校園，工作場合或是公共場所等都廣泛應(yīng)用了該技術(shù)。使用中只需用手機(jī)。筆記本電腦或者是PDA等就可以輕松獲取無線信號(hào)。無線局域網(wǎng)技術(shù)也可輕松運(yùn)用到室內(nèi)定位系統(tǒng)中。在無線局域網(wǎng)中的AP接入點(diǎn)或是無線網(wǎng)卡都可以方便測得無線信號(hào)的強(qiáng)度，利用這一點(diǎn)可以通過匹配信號(hào)強(qiáng)度的方法進(jìn)行定位。位置指紋法是一種常用的無線局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)，典型的系統(tǒng)是RADAR原型系統(tǒng)，⑨由微軟研發(fā)。精度：2～3m。缺陷：采集數(shù)據(jù)工作量大，而且為了達(dá)到較高的精度，固定點(diǎn)AP的位置測算設(shè)置比較繁瑣。

②ZigBee/IEEE 802.15.4。ZigBee（又稱紫蜂協(xié)議）技術(shù)應(yīng)用于較短距離無線通信，主要面向無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN），網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在應(yīng)用中表現(xiàn)出近距離，低功耗，低成本等特征，這些都可以滿足室內(nèi)定位系統(tǒng)的要求和條件。應(yīng)用ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)是通過在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置參考節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成系統(tǒng)的，參考節(jié)點(diǎn)為靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，它們發(fā)送位置信息和RSSI值給移動(dòng)待測節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)寫入定位模塊，分析計(jì)算得到自身位置。⑩ZigBee技術(shù)定位的精度在2m以內(nèi)，平均1m，比較適合圖書館的閱覽環(huán)境。

總體上說，紅外及超聲波技術(shù)在應(yīng)用中容易受到環(huán)境阻隔和干擾，易發(fā)生能量損耗，而超寬帶技術(shù)花費(fèi)相對(duì)較高。射頻識(shí)別技術(shù)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中較為適合，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，定位精度讓人滿意，并且價(jià)格相對(duì)較低。ZigBee技術(shù)構(gòu)造簡單，布置簡便，性能優(yōu)良，造假成本低廉，而且系統(tǒng)功耗非常小，定位效果也可以方便地達(dá)到圖書館環(huán)境下的應(yīng)用需求，因此目前看來ZigBee技術(shù)最適合在圖書館應(yīng)用環(huán)境下的室內(nèi)定位方法。

1.2.2 消息通信機(jī)制

選定了適合圖書館的定位技術(shù)后，就要解決推送消息的通信機(jī)制。消息通信機(jī)制指的主要是服務(wù)器層與圖書館室內(nèi)定位信息端和服務(wù)器端與移動(dòng)端之間的消息通信機(jī)制。因?yàn)樯鲜鰞蓚€(gè)通信之間的數(shù)據(jù)主要是文字和數(shù)據(jù)，所以采用JASON格式對(duì)交互數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。JASON格式能夠提供良好的可擴(kuò)展性和可閱讀性，同時(shí)也能夠?qū)⒍鄠€(gè)數(shù)據(jù)打包整一個(gè)整體，以提升數(shù)據(jù)解析的效率。服務(wù)器層與移動(dòng)層交互的基本JSON格式 如下所示：

{

"fullname"："Sean Kelly"，

"org"："CUC"，

"emailaddrs"：[

{"type"："work"，"value"："kelly@seankelly.biz"}，

]，

"telephones"：[

{"type"："work"，"pref"：1，"value"："+1 214 555 1212"}，

]，

"addresses"：[

{"type"："format"，

"value"："0xFFCE953C"}，

]，

}

1.2.3 位置信息與信息資源索引

位置信息與信息資源索引主要是指的服務(wù)器端通過與移動(dòng)端與圖書館室內(nèi)定位端互相通信獲取到了移動(dòng)端的物理位置后，根據(jù)移動(dòng)端所在的地理位置開始檢索當(dāng)前地理位置相關(guān)的信息?；诘乩硇畔⒌南嚓P(guān)信息檢索方式以離散的查找方式為主，可以基于Key-Value的LevelDB進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速有效檢索和存儲(chǔ)。

LevelDB作為一個(gè)開源的鍵值對(duì)存儲(chǔ)方案，是基于Google的BigTable中的tablet架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 其使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LSM樹對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并利用內(nèi)存暫存區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化了寫性能，通過將內(nèi)存中數(shù)據(jù)和持久化后數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)存儲(chǔ)，簡化了索引對(duì)內(nèi)存產(chǎn)生的開銷。同時(shí)，由于LevelDB本身的鍵值對(duì)語義與內(nèi)存緩存使用的map語義十分契合，因而減少了存儲(chǔ)接口轉(zhuǎn)換帶來的開銷。

1.2.4 消息實(shí)時(shí)推送

實(shí)時(shí)消息推送可以采用XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol）。XMPP是一種以XML為基礎(chǔ)的開放式實(shí)時(shí)通信協(xié)議，是經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)工程工作小組（IETF）通過的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。XMPP基于XML的協(xié)議，它繼承了在XML環(huán)境中靈活的發(fā)展性。因此，基于XMPP的應(yīng)用具有超強(qiáng)的可擴(kuò)展性。經(jīng)過擴(kuò)展以后的XMPP可以通過發(fā)送擴(kuò)展的信息來處理用戶的需求，以及在XMPP的頂端建立如內(nèi)容發(fā)布系統(tǒng)和基于地址的服務(wù)等應(yīng)用程序。而且，XMPP包含了針對(duì)服務(wù)器端的軟件協(xié)議，使之能與另一個(gè)進(jìn)行通話，這使得開發(fā)者更容易建立客戶應(yīng)用程序或給一個(gè)配好系統(tǒng)添加功能。可擴(kuò)展消息處理現(xiàn)場協(xié)議（eXtensible Messaging and Presence Protocol，XMPP）是一種基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（eXtensible Markup Language，XML）的近端串流式即時(shí)通信協(xié)議。它將現(xiàn)場和上下文敏感信息標(biāo)記嵌入到XML結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中，能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)端與移動(dòng)端之間、應(yīng)用系統(tǒng)之間以及移動(dòng)端與應(yīng)用系統(tǒng)之間能即時(shí)相互通信。

在圖書館的應(yīng)用環(huán)境中，一旦移動(dòng)端用戶進(jìn)入到了某個(gè)應(yīng)用區(qū)域以后，服務(wù)器端就可以通過XMPP服務(wù)向移動(dòng)端推送信息。

/*由A傳送信息到B的傳輸過程*/

gloox：：Tag*m=new gloox：：Tag（"message"）;

m->addAttribute（"to"，f_str）;

m->addAttribute（"from"，t_str）;

m->addAttribute（"id"，id）;

gloox：：Tag*r=new gloox：：Tag（m，"received"）;

r->addAttribute（"xmlns"，gloox：：XMLNS_RECEIPTS）;

r->addAttribute（"id"，id）;

m_router.handleIncomingTag（m）;

2 結(jié)論

通過室內(nèi)定位技術(shù)能夠?qū)D書館的服務(wù)質(zhì)量和效率進(jìn)行有效的提升，同時(shí)也能夠減少圖書館的管理成本，增加圖書館服務(wù)的主動(dòng)性與便捷性。本文對(duì)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位技術(shù)在圖書館移動(dòng)服務(wù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，并對(duì)其進(jìn)行分析和總結(jié)。

注釋

① GNSS系統(tǒng)[EB/OL].[2013-7-18].http：//www.scttwy.com/gnss.html.

② Thomas L.Mobile Libraries 2012[J].Library Journal，2012.137（2）：26-28.

③ 黎春蘭，鄧仲華.信息資源視角下云計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)[J].圖書與情報(bào)，2011（3）：23-28.

④ 范麗莉.我國圖書館文獻(xiàn)傳遞服務(wù)研究[D].2004.

⑤ 李俠，樊立娜.淺議索書號(hào)的構(gòu)成.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2011（10）：66-68.

⑥ 全球首創(chuàng)圖書館尋書導(dǎo)航APP[EB/OL].http：//www.ccu.edu.tw/newsdb/newspaper_showNews.php id=9826.

⑦ 厡玉磊，王安健.蔣理興.一種使用紅外線和超聲波的定位技術(shù)[J].電子測量技術(shù)，2008：84-85.

⑧ [美]Siwiak，K.超寬帶無線電技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：56-59.

⑨⑩汪苑，林錦國.幾種常用室內(nèi)定位技術(shù)的探討[J].中國儀器儀表，2011（2）：54-57.

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