基于Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ和ＴＯＡ定位算法的圖書館導(dǎo)航系統(tǒng)

摘 要：目前國內(nèi)各大高校圖書館由于館內(nèi)面積大，書籍分布分散，普遍存在人工查詢低效和找書困難的問題。對此，提出了利用無線技術(shù)自動導(dǎo)航系統(tǒng)取代原來的人工查詢系統(tǒng)的解決方案。本系統(tǒng)利用藍(lán)牙定位技術(shù)，用藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)全面覆蓋圖書館，采用改進(jìn)的TOA算法，并綜合運(yùn)用Web以及數(shù)據(jù)庫作為后臺支持，實(shí)現(xiàn)了讀者使用手持設(shè)備搜索書籍并自動導(dǎo)航到書籍所在位置的一體化功能。通過實(shí)地測試，系統(tǒng)可以在一定程度上輔助讀者，提高尋書效率。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；TOA算法；定位；廣度優(yōu)先搜索算法

中圖分類號：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1710803

Auto-navigation System for Library Based on Bluetooth Positioning and TOA Algorithm

NING Zi，ZHANG Yuzhe

(East China Normal University，Shanghai，200241，China)

Abstract：Owning to the large area of library and decentralized distribution of books，the problems of low efficiency by mankind and difficulty in finding out where the book is，exist in most domestic library of universities.Therefore，a bluetooth auto-navigation system for library to replace the original artificial query system is proposed.This auto-navigation system uses bluetooth positioning technology，and bluetooth signal transmission points comprehensively coverage Library.Meanwhile，the adoption of improved TOA algorithm，and the integrated use of Web and database as a back-office support realizes the integrative function for readers to search books with handheld devices and automatically navigation.Through tests，the system can assist readers to improve the efficiency of searching to a certain extend.

Keywords：bluetooth;TOA algorithm;location;heuristic breadth-first-search

近年來，隨著無線技術(shù)和移動通信的飛速發(fā)展，以及Bluetooth，Wifi，GPRS等無線技術(shù)的日趨成熟，同時，各種無線定位技術(shù)的出現(xiàn)，極大的方便了生活，推進(jìn)了社會的發(fā)展。藍(lán)牙技術(shù) (Bluetooth)作為一種短距離無線通訊技術(shù)，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的無線電空中接口(Radio Air Interface)，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來，使各種3C設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。利用藍(lán)牙設(shè)備近距離范圍內(nèi)相互通信的特性，結(jié)合TOA算法，并全面考慮實(shí)際應(yīng)用中信號衰減、障礙物阻隔等情況，就可以實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的藍(lán)牙定位系統(tǒng)，再進(jìn)一步結(jié)合Web、數(shù)據(jù)庫等后臺支持，可以開發(fā)一套圖書館藍(lán)牙自動導(dǎo)航系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)移動終端書籍自助查詢與導(dǎo)航功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

圖書館書籍定位系統(tǒng)由三部分組成：安裝在用戶手機(jī)上的定位軟件(客戶端)，后臺服務(wù)器以及分布在圖書館里的藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)，如圖1所示。

客戶端實(shí)現(xiàn)了用戶在手持設(shè)備無線查詢書籍以及用戶的定位導(dǎo)航功能。用戶首次登錄軟件后，軟件通過無線網(wǎng)絡(luò)自動從后臺數(shù)據(jù)庫下載地形和藍(lán)牙點(diǎn)分布的XML文件，并根據(jù)文件描述繪制出圖書館地形圖。之后用戶可以在書籍查詢界面以書名，作者，ISBN方式模糊查詢所需要的書籍。用戶選擇書籍后，軟件將所選書籍的位置標(biāo)注在地圖上，同時開啟藍(lán)牙，檢測周邊藍(lán)牙信號點(diǎn)信號強(qiáng)度并進(jìn)行定位。定位成功后軟件自動計(jì)算用戶從當(dāng)前位置到書籍位置的最佳路徑，并標(biāo)注在地圖上。同時，在用戶找書的過程中，系統(tǒng)會實(shí)時測量用戶所在位置，實(shí)時更新最佳路徑，引導(dǎo)用戶找到所需書籍。

后臺服務(wù)器儲存書籍詳細(xì)信息、圖書館地形圖以及各個藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)分布情況。并及時響應(yīng)用戶的不同請求。

藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)分布在整個圖書館內(nèi)，信號范圍覆蓋整個圖書館，每個藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)有自己惟一的ID標(biāo)識號，當(dāng)用戶定位時通過標(biāo)識號即可從配置文件中知道此藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)的位置。

通過三個子系統(tǒng)的分工合作，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了查詢定位導(dǎo)航一體化的高效圖書查詢功能。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 定位系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計(jì)

軟件采用Windows Mobile 6.0作為開發(fā)平臺，多普達(dá)838手機(jī)作為軟件測試平臺，使用C#編程實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)手機(jī)內(nèi)置藍(lán)牙協(xié)議棧，直接調(diào)用Winsock API搜索周圍藍(lán)牙設(shè)備并得到信號強(qiáng)度信息。軟件主要分為四部分：書籍搜索部分;地圖繪制引擎部分;藍(lán)牙定位部分;路徑計(jì)算部分。

書籍搜索 用戶在搜索界面里(圖2)選擇搜索條件(書名，ISBN，作者)輸入關(guān)鍵字進(jìn)行搜索，數(shù)據(jù)包利用HTTP協(xié)議通過無線網(wǎng)絡(luò)以POST請求方式發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器解析出關(guān)鍵字(Query Word)后查詢數(shù)據(jù)庫得到書籍詳細(xì)信息，并序列化(Serialization)為標(biāo)準(zhǔn)XML文檔通過HTTP協(xié)議返回到用戶手機(jī)。軟件反序列化(Deserialization)這些信息并呈現(xiàn)給用戶。

地圖繪制引擎 在獲得圖書館地形描述的XML數(shù)據(jù)后，繪制引擎解析文檔中的地形輪廓、書架位置以及藍(lán)牙點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶選擇地圖界面時，繪制引擎生成地圖，并將人物當(dāng)前位置、計(jì)算好的最佳路徑繪制到地圖上，最后顯示在PictureBox中(圖3)。

藍(lán)牙定位 定位系統(tǒng)每隔2 min搜索周圍藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)，并把ID號有效的10個藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)存入隊(duì)列中。每10 s從隊(duì)列中選取6個點(diǎn)并且三三組合測試信號強(qiáng)度并利用TOA算法估算出用戶所在位置，最后從得到的20個點(diǎn)中計(jì)算中心位置作為當(dāng)前用戶位置。

路徑計(jì)算 系統(tǒng)得到用戶位置后，路徑計(jì)算系統(tǒng)通過啟發(fā)式搜索算法計(jì)算出用戶到書籍的最短路徑，并儲存在內(nèi)存中。

圖2 用戶搜索界面 圖3 導(dǎo)航界面

2.2 定位系統(tǒng)服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器端使用Asp.net 開發(fā)，具備以下3項(xiàng)主要功能：在線書籍查詢;在線幫助服務(wù);客戶端配置更新。

當(dāng)接收到客戶端書籍查詢請求時，在線書籍查詢根據(jù)請求類型查詢數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)并以XML文檔的形式返回結(jié)果。書籍信息包括書名，作者，所在的書架，這樣通過書架位置就可以大致確定書的確切位置。所有數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，極大地方便了用戶。

圖書館地形信息以及藍(lán)牙點(diǎn)分布圖的數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中。地形信息包括圖書館的形狀以及各個書架的位置、長度，以數(shù)據(jù)庫表的形式存放。藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)分布圖包括每個藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)位置，惟一標(biāo)識符(ID)。手機(jī)客戶端可以通過客戶端自動更新模塊獲得這些信息。

3 關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與研究

3.1 藍(lán)牙定位原理

3.1.1 傳統(tǒng)測量算法

(1) 通過傳播時間測量方法

它通過在已知傳播速度的情況下，無線電波傳播的距離與它傳播的時間成正比。但上述方法存在兩個問題，影響了方法的使用性：

時鐘精度 因?yàn)樗{(lán)牙信號的傳播速度很快，又考慮到各種延遲，所以為了減小測量誤差必須使用高精度的時鐘，時間單位采用ns，這對硬件的要求過高，不實(shí)用。

時鐘同步 參與同一個定位過程的參考點(diǎn)之間必須保證時鐘的同步，這樣才能保證測量結(jié)果的正確性和精度。

(2) 信號衰減測量方法

在理想的傳播環(huán)境下，無線信號的衰減與1/r2成正比(其中r為傳播距離)。但實(shí)際上，無線信號在空間傳播時能量的衰減是多種因素共同作用的結(jié)果，而不單單與傳播距離有關(guān)。在一個地形地物較為復(fù)雜的環(huán)境中，無線信號傳播時的衰減會受到反射、折射、多徑效應(yīng)等多種因素的影響，所以這種利用能量衰減測量距離的方法不如傳播時間測量方法精度高。

3.1.2 改進(jìn)的TOA算法

從可行性和精度兩個方面綜合考慮之后，我們決定采用依靠經(jīng)驗(yàn)的定位方法：它同樣是基于無線電波能量來定位的，不同的是它不是根據(jù)能量衰減與距離平方的正比關(guān)系來計(jì)算距離，而是通過一個數(shù)據(jù)庫來記錄一定數(shù)量的參考位置的信號強(qiáng)度，然后把待測物體檢測到的信號強(qiáng)度與之相比而得到待測物體的信號強(qiáng)度。如果參考位置足夠多的話，這種方法具有很好的精度，并且不受實(shí)際地理位置的影響，因?yàn)閰⒖嘉恢谜菑膶?shí)際的測量中來的。這種方法的一個缺陷是它要求每次實(shí)施時要測量大量的參考位置上的信號強(qiáng)度，并且隨著時間推移，地理環(huán)境必定會有所改變，這時又要對所有的參考位置重新進(jìn)行測量。

如圖4所示，系統(tǒng)從檢測到的有效藍(lán)牙點(diǎn)(通過ID判斷)選取三個點(diǎn)利用圖3所示方法定位。我們檢測到的信號強(qiáng)度值在263~230，隨著距離增大而減小，但不是線性變化。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)0~3 m，3~6 m，6~9 m區(qū)間內(nèi)可以近似成三個線性區(qū)間。于是分別測量并統(tǒng)計(jì)了一些藍(lán)牙點(diǎn)0，3，6，9 m的信號強(qiáng)度值，用來輔助計(jì)算。藍(lán)牙信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖5所示。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文