智慧圖書館iBeacon定位技術的系統(tǒng)構建研究

劉 麗

（黑龍江工業(yè)學院圖書館，黑龍江 雞西 158100）

智慧圖書館iBeacon定位技術的系統(tǒng)構建研究

劉 麗

（黑龍江工業(yè)學院圖書館，黑龍江 雞西 158100）

面對信息文明的數(shù)字化浪潮，信息技術的指數(shù)級增長給當前的圖書館智慧服務提供了發(fā)展背景。文章通過分析iBeacon技術原理，提出了構建圖書館智能定位系統(tǒng)的設計目標、系統(tǒng)架構、系統(tǒng)運行流程、定位算法以及位置服務，最后描述了iBeacon定位技術在智慧圖書館服務中的應用前景。

智慧圖書館；智能定位；iBeacon

信息時代的到來，使得圖書館的資源儲備、服務與管理模式都發(fā)生了極大的變化，如今的圖書館已打破傳統(tǒng)的“藏書閣”坐等讀者入館的經營模式以“智慧”的引入，使其能夠憑借豐富的館藏資源以及迅猛發(fā)展的信息網絡和高新技術，為讀者提供更加高效、便捷的服務體驗，不斷滿足用戶的信息需求。

圖書館豐富的館藏資源在為讀者提供肆意暢讀快感的同時，也面臨諸多問題——走在浩瀚的書海中，讀者往往會迷失其中。如何能夠讓讀者步入圖書館的一刻，便能收到圖書館導航，享受輕松便捷的用戶閱讀體驗？如何能夠讓讀者高效、準確地尋找到所需圖書？如何在最短的時間內獲取閱覽室座位信息？當讀者置身圖書館，如何能夠迅速將新上架圖書和近期圖書館活動信息及時推送到讀者手中，讓讀者享受到互動性更強的閱讀體驗？

iBeacon作為通用藍牙技術的變革，借助其低功耗，低成本，普及面大的優(yōu)勢，實現(xiàn)了移動應用從線上服務向線下實體延伸、走向情景化服務的轉變[1]。就圖書館而言，利用iBeacon功能這一極好的近場感知網絡技術，能夠實現(xiàn)精準定位、智能導覽、點對點通訊、簽到投票、即時支付等功能，使讀者在圖書館服務方面提供更多選擇，從而吸引讀者參與圖書館互動，提升圖書館的服務質量。

1 iBeacon技術及其技術原理

1.1 iBeacon技術簡介

iBeacon是蘋果公司于2013年9月發(fā)布的一項通過藍牙進行室內精準定位的技術，它是一種基于低功耗藍牙的通信協(xié)議[2]。其工作方式是，配備有iBeacon協(xié)議的低功耗藍牙設備向周圍發(fā)送自己特有的ID，當智能手機等移動設備靠近iBeacon基站時，設備感應到該ID可用于數(shù)據(jù)傳輸，接收到該ID的應用軟件（APP）會根據(jù)該ID采取一些行動，精確定位用戶在圖書館的位置，為手持智能手機的消費者提供基于位置的相關信息，讓“正確的信息”在正確的時間和地點提供給“正確的用戶”。因此iBeacon需要和擁有低功耗藍牙的設備進行交互，他們的交互通過APP來實現(xiàn)。

圖1 iBeacon技術的工作方式Fig.1 iBeacon Operdtion mode

iBeacon具有設備部署成本低，安卓和ios同時支持，定位精度高，無需布線，部署簡單等優(yōu)勢[3],它的出現(xiàn)讓圖書館的位置定位信息更加精確。如一本書、一張桌子、一把椅子等很多的實際物體都有條件具有了定義自己地理位置標識的能力。

1.2 技術原理

iBeacon是蘋果公司在iOS 7中推出的一種近場定位技術，可以感知一個附近的iBeacon信標的存在。具體來講，由于每一個智能移動設備都有一個唯一的ID(UUID+Major+Minor)。iBeacon利用這種特性，在一個區(qū)域內廣播自己的信號，通過這種方式它就完成了對一個特定的區(qū)域的標記。當用戶拿著手機進入iBeacon的范圍時，手機中的APP將會被喚醒，這樣手機就可以感知到用戶的地理位置發(fā)生了變化，判斷是否要觸發(fā)一些事件。同理，當其退出一個iBeacon信標標識的區(qū)域時，iOS和支持iBeacon的APP就能得知這一信息，從而對用戶發(fā)出相應的通知。那么一個iBeacon設備的BLE數(shù)據(jù)是如何組成的呢？

圖2 iBeacon的數(shù)據(jù)格式Fig.2 iBeacon Data format

我們試著從Estimote beacon攔截一段iBeacon廣告數(shù)據(jù)包[4],下面是截獲的數(shù)據(jù)包，經APPLE修正的數(shù)據(jù)格式，整理如下：

02 01 06 1A FF 4C 00 02 15: iBeacon prefix (fixed)

B9 40 7F 30 F5 F8 46 6E AF F9 25 55 6B 57 FE 6D: proximity UUID (here: Estimote’s fixed UUID)

00 49: major

00 0A: minor

C5: 2’s complement of measured TX power

Proximity UUID（16個字節(jié)，B9 ...6D）：這是將你所有的beacon與其他人的beacon設備區(qū)別開的id，用于區(qū)分不同廠商或重大版本更新。例如，圖書館里某閱覽區(qū)分布的為顧客提供特定信息服務的多個beacon，會形成一條“鏈帶”，當用戶步入這條“鏈帶”，則歸屬于同一條“鏈帶”的beacon將分配到相同的proximity UUID。為這條“鏈帶”設計的專用應用程序將會在后臺使用這個UUID掃描到這條“鏈帶”中的beacon設備。

Major編號（2個字節(jié)，00 49）：用于將相關的beacon標識為一組。例如，圖書館每個閱覽區(qū)里所有的beacon將會分配到相同的major編號。通過這種方式，應用程序就能夠知道用戶顧客位于哪一層，哪一閱覽區(qū)。

Minor標號（2個字節(jié)，00 0A）：用于標識特定的beacon設備。例如圖書館里的每一個beacon設備都擁有唯一的minor編號，這樣你才能夠知道用戶位于圖書館的具體位置。

最后一個值，TX power（C5=197，根據(jù)2的補碼測得256-197=-59dBm），用于校準iBeacon距離測量結果，可以獲取精確到米的距離。然而，在實際應用中，由于墻壁、人體或者其它通信阻礙物都有可能削弱信號，因此這個距離只是一個估算值。

2 圖書館智能定位系統(tǒng)的構建

目前，iBeacon因其精確的室內定位導航功能，已經越來越多地被應用于醫(yī)院、博物館、學校、商場等領域。筆者以智慧圖書館為例，利用iBeacon技術對圖書館智能定位系統(tǒng)進行目標設計和系統(tǒng)架構。

2.1 定位系統(tǒng)的設計目標

（1）在GPS信號不能達到的區(qū)域，如閱覽室等室內場所中發(fā)揮它精準實時的定位能力。

（2）通過管理后臺的管理和配置，實時、動態(tài)地實現(xiàn)基于線下微位置的各種應用，定位和獲取數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計。

（3）通過針對不同需求讀者的個性化推送信息給予讀者更好的服務。

（4）通過室內定位技術的導航吸引更多的讀者。

（5）利用智能終端實現(xiàn)交流互動、彈幕評論等互動活動。

（6）讀者在不同區(qū)域和樓層，不同時間段可以收到不同的閱讀推介或活動消息。

（7）基于記錄的用戶動線軌跡，觸發(fā)不同的消息推送。

（8）提供數(shù)據(jù)報表，分析讀者閱讀傾向、駐留時間和閱讀關聯(lián)性等。

2.2 系統(tǒng)架構

在iBeacon之前，智能設備幾乎無法感知環(huán)境，用戶或許可以用搜索的方式尋找到一個位置，但當你到了這個位置時你的設備卻一無所知。而Beacon可以以一個很低的硬件成本在網絡上分配智能資源，一個Beacon作為一個網絡的節(jié)點，能夠接收所有符合某個APP規(guī)則的事務的數(shù)據(jù)。同時，Beacon的ID都是獨一無二的，類似IP，所以可以認為Beacon為現(xiàn)實世界的一個個地點打上了URL。

在整個Beacon架構中，Beacon基站起到在前臺收發(fā)信號的作用，大量的信息處理、數(shù)據(jù)分析在后臺完成。這就需要強大的云計算與大數(shù)據(jù)做為支撐。也就是說，Beacon基站主動推送信息的同時，用戶的ID信息也同時上傳，基站不會處理這些信息，最終還是要跟云計算對接。 根據(jù)ID，可以分析用戶的喜好，系統(tǒng)會推薦合適的信息。這有點類似于淘寶的“猜你喜歡”。在現(xiàn)實中，讀者在圖書館瀏覽或借閱一次圖書后，當他再次來到圖書館，云平臺的大數(shù)據(jù)就可以通過以往的查詢解約信息，推測其閱讀習慣，并向讀者推介可能感興趣的信息或者近期館內活動等。如果讀者經常借閱某一學科領域的圖書資料，通過智能分析，系統(tǒng)會推送一些該專業(yè)或相關專業(yè)的信息資源，以供讀者選擇使用。也可以認為，如果沒有云計算的支持，那么Beacon基站只是一個孤立的節(jié)點。這也正是Beacon應用發(fā)展最關鍵的一點，云計算做得不夠好，則不足以支撐Beacon應用真正的到來。

2.3 系統(tǒng)運行流程

（1）進行iBeacon硬件的部署，并要求與之感應的手機等移動終端要求為藍牙4.0、ios7以上或安卓4.3以上的系統(tǒng)。

（2）每臺iBeacon設備就像一部小型電腦，發(fā)送小的數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包可以承載任何我們想要的數(shù)據(jù)，智能移動設備啟動監(jiān)聽，感知到附近有Beacon 設備，建立圖書館室內地圖與服務平臺之間的連接，通過iBeacon來連接線上線下用戶。也就是說，當圖書館的藍牙基站感知到用戶已進入其信號范圍內，服務提供者立即向手機APP端提交申請，并將其映射到申請者提供的服務上。

（3）智能設備搭載的APP隨后計算與iBeacon設備的距離（immediate,near,far)進行定位。

（4）當智能移動設備進入或者離開iBeacon信號輻射不同范圍時，可以觸發(fā)APP形成各種應用，進而展示在終端應用頁面上。這個信息推送是移動終端APP里的定制應用，用戶只有安裝了該應用，才能具備接受推送的能力。

2.4 定位算法

iBeacon是一個基于BLE(低功耗藍牙技術)的2.4G射頻技術，根據(jù)射頻場強隨距離衰減的模型計算距離，其定位精度可以達到米級。因為射頻信號傳播本身就受環(huán)境干擾大不穩(wěn)定。因此分成Immediate，Near，F(xiàn)ar三個級別。[5]而利用iBeacon可以判斷出用戶是否在某個位置附近，以及大致的距離。下面看看利用iBeacon進行定位的一些算法：

（1）單點定位：在識別設備位置時，如果有Near范圍內的iBeacon，則取該iBeacon點的坐標。采用這種方式來進行室內定位的話，可以通過密集部署iBeacon定位設備來達到比較高的精準定位，比如圖書館功能區(qū)的定位。也可以實現(xiàn)精度要求比較低的室內定位，如圖書館導航識別現(xiàn)在的位置，可接受的精度應該在3-5米范圍內。

（2）兩點定位：一條直線，部署兩個點。用戶在兩點之間的某一點時，通過RSSI信號來計算距離比例，判斷用戶的位置。X/Y = n；用戶的范圍是一條雙曲線，然后根據(jù)距離用戶最近的iBeacon點的Accuracy值判斷用戶位置。

（3）多點定位：尋息的實踐中，還可以記錄每一個點的坐標，然后根據(jù)測得的RSSI值進行復雜的計算，得出用戶的坐標位置。這種方案對部署要求較高，需要較準確地標記設備的坐標，這種定位設置適合于閱覽區(qū)圖書到定位。

在這三種方式中，多點定位的算法難度是最高的，而且也是大多室內定位應用中采用的方法，可以實現(xiàn)精準定位。因此iBeacon直接測距不準，但是如果室內空間內有多個beacons，并且拓撲合理，倒是能達到比較好的室內定位效果。

2.5 位置服務

一般來說，一個Beacon基站可以覆蓋50米半徑的距離，但也因情況而定。一是手機感應到藍牙信號，這個距離可以做到50-100米；第二是手機端的APP，它認可的信號要在更近的距離內。也就是說它并非檢測到信號，就認定為用戶在那里，一定要離得更近才會確認。舉一個例子，假設把Beacon信號做到半徑為一公里的范圍都能感應到，這并不代表手機必須對感應到的信號做出反應，必須在信號夠強時，如在距離10米的時候，APP才認可你到了Beacon基站附近[6]。而對于設計者來說，我們希望讀者隨身攜帶的便攜移動設備距離Beacon基站3米的時候，才能找到他需要的圖書。該技能可以在應用里做一個強制性限制，因為如果信號覆蓋的半徑范圍太大，即使在圖書館外的教師或宿舍就能找到圖書，但是沒有達到讀者觸手可及的效果，對于讀者來說，可謂是一種“望梅止渴”的遺憾。

另外，Beacon基站發(fā)出的信號也會受到例如墻壁、柱子、金屬物等的阻擋而衰減。這就需要在前期進行人工的現(xiàn)場校準和勘察。而理論上Beacon基站布放，只需做一個三角定位就可以確定位置。但實際上，需要大量的人力去校準和維護整個布放環(huán)境。

3 iBeacon定位技術在智慧圖書館服務中的應用

3.1 智能導航

當你帶著一部智能機走進圖書館，這意味著你已經進入了覆蓋全館的iBeacon信號區(qū)域，iBeacon基站便可以向你的iPhone傳輸各種信息，APP將會彈出窗口提示，在地圖上顯示當前所在的樓層和所處的閱覽室位置，甚至可以獲取到閱覽室的詳細信息。

3.2 信息推送

當你走到某排書架前時，iBeacon還會提供個性化的書目信息推介，它可以監(jiān)測讀者光顧某一地理位置的次數(shù)，根據(jù)讀者的閱讀傾向，記住“老讀者”，從而為您量身定制“您可能喜歡閱讀的書目”信息。

3.3 活動推介

當你步入圖書館各功能區(qū)時，iBeacon將向您做所在位置的功能介紹以及圖書館近期將舉行的各項活動等信息，并在傳感信號提示下自動為您播放視頻介紹。

3.4 便捷支付

當你需要支付圖書滯納金或污損丟失賠書款時，iBeacon的布置，使你不必到收款處，你的手機直接就會彈出賬單界面，你只要輕觸“一鍵支付”，即完成了付款。

3.5 簽到互動

進入圖書館的讀者通過手機攝像頭掃描到位置二維碼信息獲得簽到提示框，讀者只需點擊“確認簽到”按鈕，通過iBeacon定位系統(tǒng)，將讀者所處的位置指紋與二維碼信息一同上傳至服務器端，再將結果返回客戶端，提示讀者“簽到成功”。

3.6 自助服務

在iBeacon定位系統(tǒng)覆蓋范圍內，圖書、書架、iBeacon節(jié)點的位置互相映射，實時定位讀者當前所處的位置，當讀者在移動終端的APP上檢索到所需圖書時，系統(tǒng)會顯示出該書籍所在位置，并進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，以減少讀者在書架間的尋路時間，指導讀者找到所需圖書，從而提高讀者閱讀體驗。

3.7 互助求助

當讀者在圖書館進行閱讀體驗遇到問題，需要館員協(xié)助時，讀者可以開啟在線咨詢模式與館員進行互動，或發(fā)出求助信息，館員可通過求助者的位置定位，第一時間找到該讀者，對其進行現(xiàn)場指導，以此提升館員形象，提高讀者滿意度。

4 結語

物聯(lián)網技術的飛速發(fā)展，再一次煥發(fā)了圖書館服務轉型和服務創(chuàng)新的生機與活力。線上、線下、數(shù)據(jù)、技術、服務的完美結合，誕生了一種新的圖書館位置定位系統(tǒng)。新技術的應用與發(fā)展必然推動圖書館的有機生長，我們希望借助iBeacon技術，成為一種加速物聯(lián)網落地、加速智慧圖書館落地，加速圖書館服務升級并使其智慧化的有利武器。

[1]黃悅深,劉敏.Beacon在基于位置的移動圖書館服務中的應用[J].圖書情報工作，2015（3）：73-77.HUANG Yueshen,LIU Ming,Beacon Application in Mobile Library Location Baed Service[J].Library and Information Service,2015(3): 73-77.(in Chinese)

[2]邵波、連朝曦、劉嘯.基于iBeacon的圖書館智能定位系統(tǒng)構建[J].圖書館學研究，2016(9): 12-17.SHAO Bo,LIAN Zhaoxi,LIU Xiao.The library positionmg sytem Based on iBeacon[J].Research on Library Science,2016(9): 12-17.(in Chinese)

[3]iBeacon Brief Introduction.[EB/OL].http://wenku.baidu.com/link?url=jP6XUsqatUcPMnNFG25yMg8QlPwYv5itAug WCJzqam2k9zq1NKbnw5YhLy6ulLecp8Ex_07RItDBjeLV2 JvH2r09n3uYrL1CEt1EC6pB40W.

[4]IBeacon detuiled anrotation.[EB/OL]: http://wenku.baidu.com/view/11012782be23482fb5da4cb7.html.

【責任編輯：高潮】

Research on the System Construction of iBeacon Positioning Technology in the Smart Library

LIU li
（Heilongjiang Institute of Technology Library,Jixi 158100,China）

In the face of the wave of inform ation civilization,the exponential growth of inform ation technology has provided the background f or the development of library smart services.Through the analysis of the principle of iBeacon technology,this paper puts forward the cons truction of library intelligent pos itioning system design objectives,systemarchitecture,system operation process,the algorithm of positioning and location services,and finally describes the application prospect of iBeacon technology in smart library service.

smart library; intelligent positioning ;iBeacon

G250.7

A

1672-6332（2017）03-0040-05

2017-4-10

劉麗（1980-），女(漢），山西代縣人，館員，碩士，主要研究方向：數(shù)字圖書館的發(fā)展。E-mail: Liuliuokok@163.com