室內定位技術在圖書館移動服務中的應用

宋凱

摘 要 傳統的GPS定位技術只能提供室外相關的服務，存在著一定的局限性，因此也催生著室內定位技術的發展和應用。在圖書館的應用環境中讀者和服務人員幾乎全部是在室內活動，隨著智能手機的普及，通過室內定位技術能夠對圖書館的服務質量和效率進行有效的提升，同時也能夠減少圖書館的管理成本，增加圖書館服務的主動性與便捷性。本文對實現室內定位技術在圖書館移動服務中的關鍵技術進行了探討，并對其進行分析和總結。

關鍵詞 室內定位技術 圖書館移動服務

中圖分類號：G250.7文獻標識碼：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

時代飛速變遷，科學技術迅猛發展，位置信息服務質量效率提高，受干擾度小，在人們的生活工作及科學研究中起到了非常重要的作用。傳統的GPS定位技術只能提供室外相關的服務，存在著一定的局限性，因此也催生著室內定位技術的發展和應用。

首先，在圖書館的應用環境中讀者和服務人員幾乎全部是在室內活動，全球衛星導航系統和全球導航衛星系統（GNSS）在此情況下無法提供有效的服務，即室內定位難題。①其次，據L.Thomas的研究，“44%的高校圖書館和34%的公共圖書館員表示，他們已經具有為圖書館用戶提供某一類型移動服務的能力，并且約有五分之二的圖書館計劃進一步開展移動服務，②這也是當今社會高水平圖書館開展深層次服務的大勢所趨。另外，現代圖書館的體量逐漸增大，館舍面積、文獻數量、數據庫及各種多媒體信息資源都呈現了飛躍式的發展。③因此，選擇一種精準的室內定位技術將是向圖書館中的讀者推送有用的、有針對性的服務內容及信息資源的關鍵技術環節，同時，選擇一種部署最為簡便、功耗性能比較小的定位技術也是本文研究的目標。

室內定位技術非常實用，具有較大的應用拓展空間，其應用范圍廣泛，在復雜環境下，室內定位技術可以以信息化的方式結合物理位置實現對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確的信息。例如它可用于在某個特定的區域內推送書籍更新的通知信息;或是精確引導讀者在圖書館中找到所需的圖書;④推送該區域所對應學科的相關電子資源等。⑤隨著智能手機的普及率也越來越高，基于智能手機功能的多元化，智能手機已經擁有了WIFI、加速度計、陀螺儀、氣壓計、電子羅盤等等豐富的硬件將會使室內定位技術在圖書館中的應用推向一個全新的方向。

本文接下來將介紹室內定位技術在圖書館移動服務中的關鍵技術，并對其進行分析和總結。

1 系統基本框架與關鍵技術分析

1.1 系統基本框架

圖1 系統體系結構圖

從圖1中可以看出基于室內定位技術的移動服務系統主要分為三部分。移動端主要是由安卓系統移動端和蘋果iOS系統移動端組成;而在服務器端，則主要是由數據庫服務器、Web服務器和防火墻組成。移動端和服務器通過移動網絡和因特網進行互相通信和數據的交換。室內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 系統應用層次結構圖⑥

由圖2可以看出，基于室內定位技術的圖書館移動服務從功能結構上主要分為3層：（1）IT基礎設施層;（2）應用運行支撐平臺;（3）應用服務層。

IT基礎設施層主要是提供與硬件相關的服務。這一層主要由網絡、服務器/存儲設備結合虛擬化技術和IT運維共同對上一層提供服務。應用運行支撐平臺最關鍵的是身份認證中心、消息服務中心、數據交換中心。其中，身份認證中心主要是對圖書館中的請求移動服務的用戶信息進行身份確認，如果身份能夠得到有效的確認，則可以提供相關服務。數據交換中心主要是服務器端、移動端以及定位端之間的通信。消息服務中心則負責管理移動端與服務器端之間的通信消息，比如移動端請求某個位置圖書信息、圖書館某個物理區域主動向移動端用戶推送消息等。

1.2 關鍵技術與分析

關鍵技術主要由定位技術、消息通信機制、位置信息與信息資源索引和消息實時推送三部分組成。

1.2.1 室內定位技術在圖書館中的應用與分析

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

（1）超聲波技術。超聲波定位系統由一個主測距器和若干個電子標簽組成，定位過程如下：先由上位機發送同頻率的信號給各個電子標簽，電子標簽接收到后又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個電子標簽到主測距器之間的距離，并得到定位坐標。目前，比較流行的基于超聲波室內定位的技術還有下面兩種：一種為將超聲波與射頻技術結合進行定位。另一種為多超聲波定位技術。該技術抗干擾性強，精度高，而且可以解決機器人迷路問題，精度可達厘米級。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部署有較高的成本。

（2）紅外線技術。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相結合也可方便地實現定位功能。用紅外線觸發定位信號使參考點的超聲波發射器向待測點發射超聲波，應用無線定位基本算法（TOA算法），通過計時器測距定位。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傳輸距離短的缺陷。使得紅外技術與超聲波技術優勢互補。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，因此定位系統復雜度較高，有效性和實用性較其它技術仍有差距。

（3）超寬帶無線技術。超寬帶無線技術（UWB技術）是一種傳輸速率高（最高可達1000Mbps以上），發射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術，無載波。正是這些優點，使它在室內定位領域得到了較為精確的結果。

超寬帶室內定位技術常采用TDOA演示測距定位算法，⑧就是通過信號到達的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統包括產生、發射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統?；诔瑢拵Ъ夹g的室內定位系統典型實例為：Ubisense，其定位方法為三邊定位，定位精度為：6～10cm，缺陷：造價較高。

（4）射頻識別技術。射頻識別技術是一種操控簡易，適用于自動控制領域的技術。該系統通常由電子標簽、射頻讀寫器、中間件以及計算機數據庫組成，結構如圖2所示。射頻標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行數據交換的。RFID技術現在已經在一些大型圖書館中開始應用，前景廣泛，但大都停留在紙質文獻及多媒體光盤介質管理方面，如何有效地發揮RFID技術的功效，更好地開展圖書館的信息化服務，則需要無線局域網技術的配合。

（5）兩種基于2.45GHz頻段RFID無線室內定位系統。

①無線局域網技術（Wi-Fi/IEEE 802.11b）?；贗EEE 802.11b標準的無線以太網已經成功進入人類社會生活中，無論校園，工作場合或是公共場所等都廣泛應用了該技術。使用中只需用手機。筆記本電腦或者是PDA等就可以輕松獲取無線信號。無線局域網技術也可輕松運用到室內定位系統中。在無線局域網中的AP接入點或是無線網卡都可以方便測得無線信號的強度，利用這一點可以通過匹配信號強度的方法進行定位。位置指紋法是一種常用的無線局域網室內定位技術，典型的系統是RADAR原型系統，⑨由微軟研發。精度：2～3m。缺陷：采集數據工作量大，而且為了達到較高的精度，固定點AP的位置測算設置比較繁瑣。

②ZigBee/IEEE 802.15.4。ZigBee（又稱紫蜂協議）技術應用于較短距離無線通信，主要面向無線個人區域網（PAN），網絡系統在應用中表現出近距離，低功耗，低成本等特征，這些都可以滿足室內定位系統的要求和條件。應用ZigBee技術的室內定位系統是通過在傳感器網絡中布置參考節點，移動節點構成系統的，參考節點為靜態節點，它們發送位置信息和RSSI值給移動待測節點，該節點將數據寫入定位模塊，分析計算得到自身位置。⑩ZigBee技術定位的精度在2m以內，平均1m，比較適合圖書館的閱覽環境。

總體上說，紅外及超聲波技術在應用中容易受到環境阻隔和干擾，易發生能量損耗，而超寬帶技術花費相對較高。射頻識別技術用在室內定位系統中較為適合，實現起來比較簡單，定位精度讓人滿意，并且價格相對較低。ZigBee技術構造簡單，布置簡便，性能優良，造假成本低廉，而且系統功耗非常小，定位效果也可以方便地達到圖書館環境下的應用需求，因此目前看來ZigBee技術最適合在圖書館應用環境下的室內定位方法。

1.2.2 消息通信機制

選定了適合圖書館的定位技術后，就要解決推送消息的通信機制。消息通信機制指的主要是服務器層與圖書館室內定位信息端和服務器端與移動端之間的消息通信機制。因為上述兩個通信之間的數據主要是文字和數據，所以采用JASON格式對交互數據進行封裝。JASON格式能夠提供良好的可擴展性和可閱讀性，同時也能夠將多個數據打包整一個整體，以提升數據解析的效率。服務器層與移動層交互的基本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器端通過與移動端與圖書館室內定位端互相通信獲取到了移動端的物理位置后，根據移動端所在的地理位置開始檢索當前地理位置相關的信息。基于地理信息的相關信息檢索方式以離散的查找方式為主，可以基于Key-Value的LevelDB進行數據的快速有效檢索和存儲。

LevelDB作為一個開源的鍵值對存儲方案，是基于Google的BigTable中的tablet架構設計實現。 其使用數據結構LSM樹對數據進行存儲，并利用內存暫存區設計優化了寫性能，通過將內存中數據和持久化后數據進行多級存儲，簡化了索引對內存產生的開銷。同時，由于LevelDB本身的鍵值對語義與內存緩存使用的map語義十分契合，因而減少了存儲接口轉換帶來的開銷。

1.2.4 消息實時推送

實時消息推送可以采用XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol）。XMPP是一種以XML為基礎的開放式實時通信協議，是經由互聯網工程工作小組（IETF）通過的互聯網標準。XMPP基于XML的協議，它繼承了在XML環境中靈活的發展性。因此，基于XMPP的應用具有超強的可擴展性。經過擴展以后的XMPP可以通過發送擴展的信息來處理用戶的需求，以及在XMPP的頂端建立如內容發布系統和基于地址的服務等應用程序。而且，XMPP包含了針對服務器端的軟件協議，使之能與另一個進行通話，這使得開發者更容易建立客戶應用程序或給一個配好系統添加功能?？蓴U展消息處理現場協議（eXtensible Messaging and Presence Protocol，XMPP）是一種基于可擴展標記語言（eXtensible Markup Language，XML）的近端串流式即時通信協議。它將現場和上下文敏感信息標記嵌入到XML結構化數據中，能夠實現移動端與移動端之間、應用系統之間以及移動端與應用系統之間能即時相互通信。

在圖書館的應用環境中，一旦移動端用戶進入到了某個應用區域以后，服務器端就可以通過XMPP服務向移動端推送信息。

/*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 結論

通過室內定位技術能夠對圖書館的服務質量和效率進行有效的提升，同時也能夠減少圖書館的管理成本，增加圖書館服務的主動性與便捷性。本文對實現室內定位技術在圖書館移動服務中的關鍵技術進行了探討，并對其進行分析和總結。

注釋

① GNSS系統[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算面臨的挑戰[J].圖書與情報，2011（3）：23-28.

④ 范麗莉.我國圖書館文獻傳遞服務研究[D].2004.

⑤ 李俠，樊立娜.淺議索書號的構成.科技情報開發與經濟，2011（10）：66-68.

⑥ 全球首創圖書館尋書導航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[J].電子測量技術，2008：84-85.

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

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

Mautz，R.and Tilch，S.（2011）：“Optical Indoor Positioning Systems”，Proceedings of the 2011International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation（IPIN），September 21-23，2011 in Guimares，Portugal.

Maye，O.，Schaeffner，J.and Maaser，M.（2006）：“An Optical Indoor Positioning System for the Mass Market”，Proceedings of the 3rd Workshop on Positioning，Navigation and Communication（WPNC'06），16 March 2006 in Hanover，Germany，IEEE Xplore，pp.111-115.

Mazuelas，S.，Bahillo，A.，Lorenzo，R.M.，Fernandez，P.，Lago，F.A.，Garcia，E.，Blas，J.and Abril，J.（2009）：“Robust Indoor Positioning Provided by Real‐Time RSSI Values in Unmodified WLAN Networks，”IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing，vol.3，no.5，pp.821-831.