基于iBeacon定位技術的智慧圖書館

摘要：本項目遵循物聯網技術架構，設計了智慧圖書館整體解決方案。它以iBeacon室內定位、3D實境、移動互聯網、SaaS等技術為基礎，實現了圖書館場景下的智能定位與導航服務、圖書館增強現實位置服務、3D運行監管、角色個性化服務等功能。針對讀者，可以獲得圖書智能檢索、館內定位與導航、消息推送、向工作人員求助等服務；針對工作人員，使用Unity3D構建圖書館場景，實時獲取圖書館內讀者與館區信息，實現圖書館全境動態監管。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/267426.htm

關鍵字：智慧圖書館；位置服務引擎；iBeacon；Unity3D

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.1.007

基金項目：國家科技支撐計劃項目（2012BAH35BOO）

本作品榮獲“2014TI杯全國大學生物聯網設計競賽”一等獎

張倬勝（1995-），男，研究方向：物聯網工程、室內定位、數據挖掘。艾浩軍（1972-），男，博士，研究方向：傳感網目標定位、物聯網工程和信號處理。薛靜遠（1993-），女，研究方向：物聯網工程、室內定位。馬方方（1993-），女，研究方向：物聯網工程、室內定位。章尹圣原（1992-），男，碩士，研究方向：信息安全基礎。

引言

近年來，隨著物聯網（IoT）以及相關技術的發展與應用普及，圖書館服務正在從“信息化”向“智能化”演變。本項目通過在圖書館內部署室內定位系統，從而更好地提供位置服務，給讀者和工作人員帶來更多的便利，極大地增強圖書館的智能化及其服務水平。

1系統總體設計

1.1設計目標

（1）構建位置傳感網，采用高精度定位算法實現室內精確定位。

（2）構建位置服務引擎，基于SOA架構，采用J2EE框架。

（3）完成Unity3D定位模型和Android終端設計。

（4）實現圖書館個性化LBS位置服務功能。例如：圖書智能檢索、館內定位與導航、消息推送、向工作人員求助等服務。

（5）實現圖書館3D全境動態監管。

1.2硬件選型

1.2.1 iBeacon基站的構成

12個CC2541 SensorTag（SensorTag是首款藍牙智能開發套件，專注于無線傳感器應用，同時也是唯一的面向智能手機APP開發人員的開發套件。SensorTag可用作各種智能手機附件的參考設計和開發平臺。）

1.2.2主要設備部署方法

每40平米布置一藍牙信號發射基站。

1.3系統架構

1.3.1軟件架構

智慧圖書館根據物聯網M2M的應用要求，以SOA作為軟件架構，通過SaaS模式對外提供服務。本架構分為四層：分別是傳感器接入層、位置傳感網數據處理層、位置傳感網服務引擎、位置傳感網應用層。如圖1所示。

1.3.2系統硬件部署

圖2為系統硬件部署圖。系統的硬件分為5類：藍牙iBeacon基站、讀者終端、智慧圖書館后臺服務器、管理員終端、3D監管終端。

（1）藍牙iBeacon基站

藍牙iBeacon基站作為智慧圖書館定位的基礎硬件設備，用于發送藍牙RSSI信號，與移動終端進行通信。

（2）讀者終端

采集RSSI信號，通過加權指紋算法與卡爾曼濾波算法實時計算出當前坐標，參照指紋信息庫，解算出讀者位置，向服務器發送服務請求來獲取相應的位置服務。

（3）智慧圖書館后臺服務器

存儲、管理與轉發系統內的數據。

（4）管理員終端

當讀者發送求助請求時，管理員終端能實時顯示出需要幫助的讀者所在的位置以及讀者的求助內容。其他功能與讀者端類似。

（5）3D監管終端

實時顯示圖書館的運行情況，包括讀者狀態與館區狀態。

1.4 技術平臺

1.4.1 Unity3D弓1擎

建立與設備控制終端的網絡連接，接收終端傳來的位置信息和服務信息，建立圖書館的室內外模型，利用unity3d引擎，根據竇時傳來的位置信息控制人物的運動，并實現服務信息的推送。

1.4.2 Android移動終端

（1）硬件

手機端通過wifi和服務器端建立網絡連接，通過藍牙4.0與iBeacon基站建立連接。數據采集階段，部署好基站后，利用手機中數據采集軟件對數據進行采集。定位階段，手機接收基站的RSSI信號與建模后的數據進行匹配，產生實時位置。

（2）軟件

從服務器上實時獲取圖書館的參數信息，繪制出圖書館的場景與定位模型，實現實時定位、智能書籍檢索、圖書館館區導航、服務推送以及求助等功能。

1.5系統運作流程

具體操作如圖3所示。

2定位階段

2.1定位傳感網

部署在圖書館室內空間，具有位置感知能力的傳感器網絡。通過室內外位置傳感網構建定位場，待定位目標與定位場相互作用，位置服務網關（LBS-GW）獲取相關信息后，由實時定位引擎（RTLS）計算產生待定位目標的位置信息。

2.1.1定位場

（1）構建室內空間模型

使用Unity3D引擎軟件繪制3D場景，建立具有基本功能的3D室內空間模型。

（2）定位設備部署

定位設備分為手持終端和藍牙信號發射基站兩部分。手持終端被定位人員攜帶即可。藍牙信號發射基站將被有序部署在圖書館各層的閱覽室、書庫、自習室和報告廳等場所。最終需要根據定位效果確定以及調整藍牙信號發射基站部署規模。每40平米布置一藍牙信號發射基站。

（3）室內地圖語義信息獲取

室內地圖語義指事先已在oracle數據庫存儲的地圖數據庫信息，主要為地圖屬性，例如門是可通過的，窗戶是不可通過的。然后可以方便地將存儲在服務器數據庫中的語義數據提取出來加以使用。

2.1.2待定位目標

能夠借助于特定位置傳感網的定位場感知自身位置的目標，包括移動目標和固定目標。

2.2定位算法

近鄰法是確定性匹配算法中最具代表性的一種算法，首先計算實時接收的信號強度RSS樣本向量與數據庫中各個參考點指紋對應的信號強度RSS均值向量之間的歐式距離

2.3定位精度

經過在實驗環境下隨機選取測試點進行精度計算之后，發現在90%的情況下能達到3.25m的定位精度。圖4為定位精度曲線圖。

3位置服務

3.1圖書館后臺管理

如圖5所示。

3.1.1信息交互

完成系統內所有平臺間的信息交互。

3.1.2 讀者管理

存儲、管理、轉發讀者賬戶信息、移動設備信息、讀者坐標軌跡、求助信息。

3.1.3 圖書館場地管理

實現樓層管理、館區管理、書籍管理、服務管理。

3.2 圖書館LBS位置服務

3.2.1 地圖與定位模型初始化

移動終端初次運行的時候即可從服務器上加載圖書館場景參數，繪制出圖書館地圖。如圖6所示。

3.2.2 實時定位與服務推送

空間位置感知設計目標是當讀者持智能手機進入圖書館時，打開導航APP，顯示讀者的空間位置。當讀者經過某個設施的附近，系統界面下方將會自動推送該設施的相應介紹和使用狀態。如圖7所示。

3.2.3 智能書籍檢索

在書籍檢索界面輸入圖書名搜索圖書的時候，系統界面會顯示書籍所在的位置，并引導讀者至相應館區，實現高效的書籍檢索服務。如圖8所示。

3.2.4 館區導航

系統能夠將用戶導航至圖書館中的各個館區。

當讀者使用導航時，選擇想要到達的館區，系統界面即可顯示到達該館區的導航路徑。如圖9所示。

3.2.5 讀者求助

當讀者遇到困難需要向管理員求助的時候，讀者可點擊界面右上方的“求助”按鈕，即可向管理員發送求助請求。如圖10所示。

管理員移動終端上則會顯示出發送求助請求的讀者所在的位置以及讀者發送的求助內容。如圖11所示。

3D動態全境監管系統也會在發出求助請求的讀者上方彈出對話框，顯示請求的內容。

3.3 3D全境動態監管

如圖12所示。

3.3.1 地圖與定位模型初始化

首先初始化3D界面，從服務器上獲取讀者、管理員以及館區的參數，繪制出3D場景。

3.3.2 3D界面展示

360°全境監管圖書館內讀者和館區的狀態：支持任意角度監管，鼠標點擊館內用戶可在下方控制面板右側切換用戶信息。

3.3.3 精確監管

根據圖書館用戶數量計算出閱覽室、自習室的人數，從而在人員密集時實現分流。

4 創新性

（1） 提出的基于iBeacon的加權指紋算法定位精度高于iBeacon三角定位方法，在系統部署和可維護性方面，均優于WiFi定位系統：

（2）基于SaaS的軟件架構能夠在服務層向第三方提供開放的API，采用符合KVP標準的HTTP訪問接口：

（3）系統采用J2EE框架，在物聯網感知層、數據層和應用層都提供了相應的接口，支持多種設備的接入，支持圖書館空間信息的加載、用戶注冊。

5 總結與展望

我們基于SaaS模型，應用iBeacon定位技術，采用J2EE技術框架，設計出了完整的智慧圖書館的應用系統，實現用戶注冊、設備管理、定位場管理、位置服務推送等功能，并提供基于Unity3D的圖書館實時監管功能。

以我們靈活的智慧圖書館位置服務引擎為基礎，根據讀者和工作人員的應用需求，可以持續接入更多的服務，給讀者和工作人員帶來更好的體驗：

（1）定位與導航算法的完善

目前的指紋采集方法需要耗費大量的人力，在未來的研究將基于眾包的思想，加快數據采集速度，但是，其中的數據清洗是一項有挑戰性的工作。同時，結合建筑物的內部結構來提高定位精度和導航的實用性：

（2）與RFID標簽結合，增強書籍檢索功能

給書籍添加RFID標簽，將書籍信息接入我們的后臺系統，方便讀者查詢更多的書籍信息、將書籍導航精確到書籍在書架的具體位置，借書的時候經過掃描區自動完成全部書籍的掃描，在整個書籍借閱過程中實現智能化。