基于可見光通信的圖書館室內導航服務*

牛　悅　劉秋讓（西北工業大學圖書館 陜西 西安 710072）

基于可見光通信的圖書館室內導航服務*

牛悅劉秋讓（西北工業大學圖書館 陜西 西安 710072）

相對于傳統的藍牙、Wi-Fi室內定位技術，基于可見光通信的室內定位技術具有低能耗、定位精度高和普適性的優點。全新的可見光通信技術能夠滿足圖書館室內導航的應用需求，幫助讀者快速、有效地獲取到所需的圖書資源，提高其找書的效率及服務質量。基于可見光通信的圖書館室內導航服務是將可見光通信室內定位技術和圖書館傳統服務結合起來的首次嘗試，具有重要的研究價值和現實意義。

可見光通信室內定位室內導航LED燈

隨著智能手機和移動互聯網的發展，人們對導航和定位服務的需求日益增大。在圖書館這種復雜而龐大的室內環境中，讀者經常需要確定移動終端與物品在室內的位置信息，并需要圖書館為其提供導航服務。以西北工業大學長安校區圖書館為例，其占地面積32 000平方米，在如此巨大的室內空間內尋找所需要的圖書資料，即使有傳統路標和編目信息的幫助，對讀者來說也不是一件簡單的事情。如果有圖書館室內導航服務，讀者只需要在手機上輸入需要的圖書資料信息，圖書館室內導航服務系統通過對讀者進行室內定位，結合地圖信息，即可在讀者手機上顯示從當前位置到目標圖書資料的路徑信息。使用智能手機和移動互聯網的圖書館室內導航服務系統將會給用戶帶來巨大的便利，具有重要的應用價值。

1　室內導航技術比較

在圖書館室內導航服務系統中，室內定位是關鍵技術。雖然基于全球定位系統（GPS）的室外定位應用非常普遍，但是GPS系統在建筑物內部接收的信號非常弱，因此無法在室內有效應用。目前使用較多的室內定位技術有藍牙技術和Wi-Fi技術。藍牙定位技術通過測量接收信號的強度來進行定位，適合短距離、小范圍的定位[1]。其缺點為設備昂貴、穩定性較差，不適合復雜的室內定位；Wi-Fi定位技術是通過測距方法計算用戶到無線熱點的距離[2]。這種定位方法容易受其他信號的干擾，從而影響定位精度，并且定位器的能耗也比較高，不利于節能環保。

近些年來，可見光通信技術飛速發展，相對于傳統的通信技術（如藍牙和Wi-Fi），其具有低能耗、高速率、無電磁干擾等顯著優點[3-4]。由于室內是可見光通信的天然場所，因此，基于可見光通信的室內定位方法[5-6]得到廣泛關注。使用可見光通信技術進行室內定位具有以下優勢：

（1）低能耗。可見光通信系統的構成之一為使用通斷發光原理傳輸信號的LED燈，LED燈是新一代的綠色照明設備，具有低能耗、使用壽命長、尺寸小和綠色環保等優點；

（2）定位精度高。由于LED燈遍布室內，所以每次可用于定位的LED燈數量較多，因此定位精度較高；

（3）廣泛應用的室內定位技術。基于可見光通信的室內定位技術成本低、實現簡單、無電磁干擾，可應用于復雜的室內環境和人口密集區域。

基于上述優點，可見光通信室內定位技術將會成為下一個研究和應用的熱點。2015年5月21日，飛利浦宣布在家樂福法國的一個旗艦店采用可見光通信實現超市室內導航服務[7]。飛利浦通過在家樂福超市里布置約800個LED燈，實現小于1米精確度的定位服務。通用電器照明也在最近宣布進軍可見光通信室內定位領域[8]。

2　研究的重要意義

數字圖書館在不斷前行，在探索未來發展的道路中，有一點可以肯定，那就是無論信息資源多么發達，電子資源永遠都不能完全取代紙質資源，圖書館的傳統服務不能完全被數字服務所代替。畢竟，用戶對紙質資源的觸感、視覺、取閱當中產生的聲音信號和攜帶的真實感都能夠刺激其感知，這些都是電子資源無法做到的。所以基于可見光通信的室內定位技術有著廣泛的應用空間。

本文將提出基于可見光通信的圖書館室內導航服務系統和具體的定位方法。這種將室內定位導航和圖書館服務相結合的嘗試在圖情領域尚屬首次，其將網絡通訊新技術很好地運用到實際工作當中，契合數字圖書館的發展方向，并能夠提高用戶體驗質量。這種創新性的嘗試和舉措可以很好地提高工作效率，給用戶帶來全新的體驗方式。因此，基于可見光通信的圖書館室內導航服務研究具有重要的現實意義。

3　基于可見光通信的圖書館室內導航服務流程

本文提出的基于可見光通信的圖書館室內導航服務流程如圖1所示。整個流程需具備如下設備：

（1）LED燈。LED燈為安裝在圖書館室內已知位置的照明設備，每一個LED燈使用一個小的集成電路，可通過通斷電控制，讓其發出唯一的閃爍光，對應唯一的編碼信息。LED燈發出的閃爍光大于120Hz，所以人眼無法看到這種閃爍，但是手機攝像頭使用卷簾快門[9]可撲捉到這種閃爍。LED燈發射出的光，對應唯一的編碼信息，并且對應唯一的位置信息。編碼信息和位置信息的對應關系表存儲在圖書館的導航服務器中。

（2）用戶手持設備。用戶在手持設備（如手機）中輸入目標圖書資源后，使用手持設備攝像頭拍攝LED燈；然后，手持設備上的應用程序對LED進行解碼，得到對應的編碼信息；接下來，手持設備通過無線網絡與圖書館導航服務器進行連接，查詢導航服務器中的關系表，獲取LED燈位置；最后，服務器上的應用程序使用室內定位算法得到手持設備的位置信息，并返回給手持設備，結合手持設備上的地圖，將需要的導航信息顯示到手機屏幕上。

（3）圖書館導航服務器。圖書館導航服務器存儲LED燈編碼和位置的對應信息、地圖信息等。服務器強大的計算能力可輔助用戶手持設備進行相關計算。例如，室內定位的計算涉及比較大的計算量，這部分的計算可以放到服務器中，用戶手持設備只需要接收最后的結果。

基于可見光通信的圖書館室內導航服務流程包括以下幾個步驟：

步驟一：輸入目標資源。用戶在手機屏幕上輸入需要的目標圖書資料，通過查詢服務器中的地圖，得到目標圖書資源的具體位置信息，作為導航目的地。

步驟二：拍攝。用戶使用手持設備拍攝最近的若干個LED燈，攝像頭使用卷簾快門獲得這些LED燈的閃爍信息。

步驟三：解碼。采用圖像處理技術，手持設備或服務器可以對拍攝到的閃爍信息進行解碼，得到對應的編碼信息。

步驟四：獲取LED燈的位置信息。服務器端的應用程序在服務器上的編碼位置對應表中進行查找，得到這些LED燈的位置信息。

步驟五：室內定位。圖書館導航服務器基于被拍攝的若干個LED燈的位置信息，以及它們在手持設備攝像頭中的成像信息，借鑒機器人定位的解決思路[10]，采用基于多個LED燈的定位方法，得到手持設備的位置和拍攝角度信息，作為導航的起點和方向。

步驟六：導航。圖書館導航服務器使用路徑尋找算法，得到從起點到目的地的導航信息，這些信息將會被發送到用戶的手持設備上，結合手持設備中的加速度傳感器，為用戶提供導航服務。

4　結　語

在網絡數字化時代，數字化圖書館在不斷嘗試日新月異的變革和發展，以滿足讀者需求為主導模式。圖書館正在轉變為能夠提供各種信息服務的信息空間，以跨入以信息資源共享為目標的全新領域。如何能夠借助于網絡通信技術幫助讀者全方位、快速獲取到所需要的圖書資源，滿足其基本的服務需求，這是一項最基本且重要的工作。圖書館應利用現代化信息技術，不斷完善和發展導航服務體系，以資源和信息作為對象，以創新服務手段為橋梁，構建完善、高效的信息服務機制。伴隨移動互聯網時代的到來，圖書館信息技術進入了一個新的階段，即由資源導向發展為用戶導向。

本文提出的借助于當前全新的可見光通信技術來實現圖書館室內導航，可幫助讀者快速、有效地獲取到所需的圖書資源，提高了找書的效率與服務的質量。這是將可見光通信技術和圖書館傳統服務結合起來的首次嘗試，旨在更好地服務于讀者，提高讀者在圖書館的用戶體驗。本文提出的新設計思路為圖書館下一步的研究方向提供了有價值的參考。

[1]RaffaeleB, Delmastro F.Design and Analysis of a Bluetooth-Based Indoor Localization System[C].Delft： Personal Wireless Communications Ifip Tc6 International Conference Pwc ,2003: 711-725.

[2]Cheng Y C, Chawathe Y, Lamarca A, et al.Accuracy Characterization For Metropolitan-Scale Wi-Fi Localization[C].Seattle :Mobisys Proceedings of International Conference on Mobile Systems Applications & Ser ,2005:233-245.

[3]Haruyama S.Progress of Visible Light Communication[C].Santiago:Optical Fiber Communication Collocated /National Fiber Optic Engineers Conference Confer ,2010:1-3.

[4]Rajagopal S, Roberts R D, Lim S K, et al.IEEE 802.15.7 Visible Light Communication: Modulation Schemes and Dimming Support[J].IEEE Communications Magazine, 2012, 50(3):72-82.

[5]Liu Ming, Qiu Kejie, Che Fengyu, et al.Towards Indoor Localization Using Visible Light Communication for Consumer Electronic Devices [C].Chicago:Intelligent Robots and Systems (IROS 2014), 2014 IEEE/RSJ International Conference on IEEE, 2014.

[6]劉讓龍.可見光通信中的室內定位技術研究[D].北京：北京郵電大學信息與通信工程學院, 2013:1-58.

[7]Wright M.Philips Lighting deploys LED-based Indoor Positioning in Carrefour Hypermarket[EB/OL].[2015-06-05].http://www.ledsmagazine.com/articles/2015/05/philips-lightingdeploys-led-based -indoor-positioning-in-carrefourhypermarket.html.

[8]Wright M.SSL Location Services: Acuity and GE Lighting Launch Plans at LightFair[EB/OL].[2015-06-05].http://www.ledsmagazine.com/articles/2015/05/ssl-location-servicesacuity-and-ge-lighting-launch-plans-at-lightfair.html.

[9]Danakis C, Afgani M, Povey G, et al.Using a CMOS Camera Sensor for Visible Light Communication[C].California :Globecom Workshops (GC Wkshps), 2012 IEEE, 2012:1244-1248.

[10]Dean M C.Bearings-Only Localization and Mapping[D].Pittsburgh:Carnegie Mellon University Robotics Institute, 2005: 1-148.

牛 悅 女，1981年生，碩士，主要研究方向為圖書館信息服務發展、學科服務建設、未來數字圖書館的發展。劉秋讓 男，1967年生，碩士生導師，副教授，主要研究方向為圖書館信息服務發展、數字圖書館發展建設，已發表論文十余篇。

Library Indoor Navigation Service Based on Visible Light Communication

Comparing with traditional Bluetooth and Wi-Fi indoor localization methods, indoor localization method based on Visual Light Communication (VLC) has the advantages of low power consumption, high precision and ubiquity.The brand new visiual light communication technique can meet the library indoor navigation application needs, help readers quickly and effectively to get the books they want, and improve the efficiency of the reader to find books and the service quality.This work is the first attempt to combine VLC-based indoor localization and traditional library services, so it has an important research value.

Visual light communication; Indoor localization; Indoor navigation; LED lamp

G252

A

* 本文系西北工業大學政策研究基金項目“基于海量語義數據處理平臺LarKC的圖書館信息服務研究”的成果之一，項目編號：ZYY201414。

2015-06-15 ]