基于WIFI室內定位技術的移動圖書館服務策略探究

●王智剛（鄖陽師范高等專科學校圖書館，湖北十堰442000）

基于WIFI室內定位技術的移動圖書館服務策略探究

●王智剛（鄖陽師范高等專科學校圖書館，湖北十堰442000）

WIFI；室內定位；移動圖書館；圖書館服務

隨著圖書館的建筑面積和服務職能范圍不斷擴大，圖書館功能結構將變得越來越復雜，急需一種室內位置服務技術。本文介紹了一種基于WIFI室內定位技術的移動圖書館技術，提出了一些新的圖書館服務策略。

1 室內定位系統（IPS）應用于圖書館的背景

現在，GPS芯片、藍牙模塊已經成為智能手機默認必配組件。基于此組件的百度、谷歌地圖服務，凱立德導航系統等已經得到廣泛應用，移動位置服務（Loeation Based Serviee，簡稱LBS）將成為移動互聯網標準配置。然而，雖然從這些十分普及的便攜式導航設備到備受推崇的自動駕駛汽車，甚至是巡航導彈的制導，所有這些應用技術的實現，都是基于全球定位系統（GPS）以及格洛納斯全球衛星導航系統（GLONASS）。顯然，它們都有美中不足的兩個地方：①只能在空曠的地表工作；②只能定位二維世界的設備。［1］

現代圖書館建筑面臨兩個問題：①館舍面積龐大結構復雜；②服務功能逐漸增多。據教育部高等學校圖書情報工作指導委員會公布的《2012年高校圖書館發展報告》［2］顯示，2006～2012年，高校圖書館的館均建筑面積呈持續增長趨勢，新建單體建筑面積逐漸擴大。2012年，高校圖書館已建和在建館舍均建面積都達到2.2萬平方米。如中山大學圖書館10.7萬平方米，廈門大學在建6.8萬平方米的巨無霸館舍。圖書館除了面積在不斷增大，也正在朝著多功能、綜合化的方向發展。現代圖書館不僅是文獻信息中心，同時也是集文化交流、學習科研、休閑場所為一體的多功能綜合服務體。龐大的建筑面積和結構功能的復雜性，加大了讀者利用圖書館的難度，疏離了圖書館與讀者之間的聯系。對于這些復雜的“水泥森林”，GPS設備一旦進入，就會因為建筑物的遮擋，無法與“天上的星星”說話了。在此背景下，人們把定位功能轉向了室內。因此，室內定位系統（Indoor Positioning System，IPS）應運而生。IPS主要有兩種功能：①準確定位移動設備在室內的具體位置；②提供與位置相關的各種信息服務。

2 WIFI的室內定位系統應用于圖書館的原理及實現

目前實現無線室內定位技術主要有射頻識別技術（RFID）、藍牙技術、ZigBee技術、紅外線室內定位技術、超聲波定位技術以及WIFI技術。

2.1 圖書館選擇WIFI室內定位技術的理由

首先，基于WIFI網絡的無線定位技術，由于其設備體積小、成本低廉、使用廣泛、穩定性好、能高速高質量傳輸數據。從表可以看出，WIFI定位技術在眾多IPS技術中優勢明顯。其次，IPS技術要求能提供針對位置的信息服務，也就是需要在服務器與終端之間傳輸數據，WIFI帶寬最高，數據流量產生的費用最低廉。再次，因為WIFI布局成本低廉（單個AP價格最低幾十元），很多圖書館已經WIFI全覆蓋，為WIFI室內定位技術提供了必要條件，不需要再在全館布局設備。最后，由上述CNNIC的統計數據來看，終端設備普及率已經非常高，尤其是在高校，擁有智能手機的青年學生讀者已接近100%，圖書館不需要投入購買終端設備。由此可見，WIFI室內定位技術的優點，加上現在圖書館的現有環境和讀者對象的現有條件，是最適合作為圖書館IPS系統的。

2.2 WIFI室內定位系統的原理

WIFI室內定位技術，是基于計算機802.11b/g/n/ac無線標準，在不需要額外添加硬件設備（如芯片、天線等），就可以實現建筑物室內定位系統。基于WIFI的室內定位系統，主要有終端側定位和AP側定位兩種方式。AP側定位方式由建筑物內分布的基站，采集移動終端上傳的信號，通過定位算法計算接收到的終端信號強度，進而獲得終端位置信息；移動終端側定位方式，是由移動終端采集各個基站下傳的信號作定位運算，從而獲得位置信息。最早基于WiFi室內定位系統是微軟開發的RADAR系統，它采用射頻指紋匹配方法，從指紋庫中查找最接近的K個鄰居，取它們之間坐標的平均值作為坐標估值。［3］RADAR系統基于RSSI信號的統計特性，采用貝葉斯公式，通過計算目標位置的后驗概率分布進行定位。WIFI定位過程一般由以下幾個步驟完成。

（1）RSSI測距。接收信號強度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）測距是利用已知位置的接收機來測量目標發射機的信號強度，根據已知信道衰減模型及發射信號值來估算收發射機之間的距離而實現定位。首先，無線信號衰減和傳播距離之間是有一定關系的。WIFI所用頻段為微波頻段，因此，可以利用微波工程技術分析WIFI信號與距離的關系。WIFI無線信號傳輸衰減和距離的關系公式如下：

表三種IPS技術指標比較

由公式（1）可以得知，自由空間同一AP的電波，其電波信號衰減只與工作頻率（f）和傳播距離（d）有關。當頻率或距離增大一倍時，電波傳輸衰減（Lfs）將增加6dB。因此，根據此原理，可以測算出移動WIFI設備與無線AP之間的距離。

在實際應用環境中，由于障礙物、反射、多徑等環境因素，無線電波傳輸路徑損耗與理論值相比有些變化。所以在應用中，一般會采用對數-常態分布模型（公式（2）），計算AP收到移動端設備路徑的信號衰減。

公式（2）中，PL（d）為WIFI信號經過距離d后的路徑損耗（dB）;d0為參考距離（單位為m）；X6為平均值為0的高斯分布隨機變數，其標準差范圍為4～10；n為路徑損耗指數，是一個與環境相關的值，其范圍在2到5之間。這樣，根據公式（2）可以得出未知移動設備接受AP信號時的信號強度為：RSSI=發射功率+天線增益-路徑損耗（PL（d））。

圖1RSSI測距模型與實際距離對比

圖1 是一份研究人員用RSSI測距模型試驗測試結果曲線圖。由圖3可以看出，實際應用中的實測結果與RSSI模型非常接近，移動設備與AP越近，誤差越小，定位越準確。

（2）三角質心算法定位。RSSI測距能夠測算出未知WIFI移動設備離每個AP的距離。3個固定的AP能夠確定一個面，如果能夠依據RSSI測距原理，分別算出未知WIFI設備離這三個AP的距離，就能夠依據幾何原理，推算出未知WIFI設備的具體坐標。這就是目前被廣泛引用于GPS等各類定位系統的三角定位原理（原理圖2如下）。［4］

圖2 三角定位算法

假設已知三個WIFI的坐標為A（Xa，Ya）、B（Xb，Yb）、C（Xc，Yc），與未知節點的距離分別為ra，rb，rc，可通過數學公式求出Moble的坐標，從而實現定位。

（3）定位算法優化進一步提高精確度。目前，研究WIFI室內定位技術機構有很多，但大體上都是先依據RSSI測距原理，測算AP與移動設備間的距離，然后用三角質心算法定位。為了進一步提高精度，很多研究機構都在思考用不同的數學建模算法，在此基礎上進一步提高精確度。常見的有貝葉斯濾波優化算法，GDGC-TCL算法等。［5］

2.3 WIFI室內定位系統構架

在以上研究成果的基礎上，我們可以搭建基于WIFI的室內定位系統（見圖3）。

（1）圖書館建筑內部WIFI系統。首先，圖書館建筑內要有一個符合要求的WIFI無線網絡。根據研究人員反復的RSSI測距試驗得出的結論，距離越遠，測距精度越低。一般說來，WIFI信號強度高于-65dB時，才能夠得到較為滿意的定位精度。所以，首先，在布置AP時，要保證室內所有位置的WIFI信號強度滿足這一要求；其次，因為采用三角定位算法，還得保證室內需要定位的位置，至少能夠搜索到3個AP。

（2）定位分析軟件。無論是GPS導航系統，還是基于射頻識別技術（RFID）、藍牙技術、ZigBee技術、紅外線室內定位技術的定位系統，都是物理技術手段，最終都得有一套相應的軟件系統來使用這些硬件設備和技術。例如，目前，已經商用的WIFI室內定位系統，就由相應的軟件組成，如：圖聚（Palmap+）、西門子Wi-Fi Positioning等。［6］

（3）服務器系統。服務器系統主要由控制網絡的服務器、定位分析系統服務器、客戶端使用的web服務器、數據庫服務器以及實現圖書館基于位置信息服務的服務器組成。

（4）移動客戶端系統。移動終端利用WIFI室內定位系統，首先要實現的是定位功能，所以，客戶系統首先要能夠接收定位分析軟件反饋的位置信息，然后要能使用圖書館基于位置服務的信息。

圖3 WIFI定位系統架構

3 嵌入移動圖書館的WIFI定位服務類型

現在，大多數高校圖書館已經有了自己的移動圖書館。無論你的移動圖書館是基于C/S模式，或是基于B/S模式，圖書館WIFI室內定位系統嵌入其中，將是一個明智的選擇。一方面能夠防止讀者因為厭煩而放棄使用WIFI室內定位系統，另一方面，因為用戶黏度的原理，能夠增加移動圖書館或者是WIFI室內定位系統的使用率。再者，它與移動圖書館整合，能夠實現更多的服務類型（見圖4）。嵌入移動圖書館的WIFI室內定位系統，能實現的主要功能有七個。

圖4 移動圖書館應用服務架構

（1）簽到服務。傳統的圖書館管理，讀者進入圖書館，無論是傳統的手工簽到，還是光筆掃描讀者證記到，亦或是現代化的門禁系統記到，都是大多數圖書館為了統計讀者流量的方法。依據圖書館WIFI室內定位系統，服務器后臺能夠輕而易舉地獲取讀者的到館信息。

（2）圖書館導航和引導服務。圖書館可以依據館舍建筑結構圖制作圖書館導航地圖，上傳至移動圖書館，讓攜帶移動WIFI設備的讀者明白自己所處的位置，以及此處附近的服務設施，包括飲水機、自助打印機、衛生間、館舍布局等。依據導航地圖，讀者可以選擇最近的線路，引導讀者快速到達目的地。突發自然災害，如地震和火災時，讀者還可以依據導航線路快速逃生。

（3）跟蹤及圖書館服務營銷。依據WIFI室內定位系統，我們可以確定讀者的具體位置和運動軌跡，依據讀者的歷史運動軌跡數據，可以分析出讀者感興趣的圖書館服務場所。然后，可以結合讀者使用移動圖書館（如書目查詢，個人賬戶個性化設置，讀者借閱史等）的歷史數據，分析出讀者獲取信息內容的喜好。當讀者步入圖書館某一區域時，我們可以根據讀者的喜好推送此區域內讀者感興趣而又未使用過的信息資源，從而提供個性化服務。另外，系統還可以將圖書館新提供的服務或是新書信息等，推送給附近讀者。

（4）社區交流。目前，國內微信、陌陌等即時通信軟件，用LBS實現查找附近的人并建立聯系功能，受到眾多年輕人的青睞，并給這些新生軟件帶來了眾多客戶群。圖書館WIFI室內定位系統可以依托移動圖書館，開發基于位置的社區交流平臺。圖書館的資源結構有其規律性，不同的區域有不同的學科資源，進入同一區域的讀者，往往有相似閱讀興趣的，可以通過社區交流平臺，讓這些興趣相同的讀者聯系在一起，形成一個個學術微群，建立虛擬信息共享空間。

（5）圖書檢索及智能“尋書”服務。圖書館從卡片目錄時代進入OPAC書目檢索時代，是一個革命性的過程。OPAC書目檢索能夠很好地定位書刊館藏的書庫位置。但是，讀者對于繁瑣的圖書分類法往往總是一知半解，很難很好地運用。加之現在的開架書庫越來越大，即便讀者通過OPAC檢索到了書刊所在的書庫位置，往往也會在書庫中花很長的時間來“定位”自己的目標。通過嵌入WIFI室內定位系統的移動圖書館，讀者可以通過圖書館導航地圖，生成導航線路，直達目標所在的書庫。更重要的是，工作人員在制作圖書館導航地圖數據庫時，將每個房間內書架信息進一步細化，按圖書排架順序制作成導航地圖，實現智能尋書。

（6）訂座服務。圖書館自習室占座問題困擾著眾多圖書館管理者。有些圖書館借鑒實驗室預約系統開展訂座服務。但這種單向的訂座服務因缺乏有效監管容易造成“訂”而不“坐”的情況發生，會產生空位情況，無法充分利用資源，從根本上解決占座問題。結合WIFI室內定位系統，預約訂座服務能夠很方便地監控讀者是否在座位上，從而杜絕占位現象發生。

（7）讀者數據分析和管理。為了更好地服務讀者，提高服務效率，圖書館往往會跟蹤讀者數據進行分析。傳統的讀者分析數據主要來源于到館次數、流通量、借閱頻率和借閱排行等。而通過嵌入WIFI室內定位系統的移動圖書館，我們可以深入地挖掘讀者利用圖書館的行為數據。WIFI室內定位系統可以跟蹤每一位讀者在圖書館的行動軌跡。首先，這有利于我們監控館內通道流量，預防安全事故的發生；其次，可以據此改造圖書館功能布局，優化館藏布局結構，提升服務質量。

4 存在的問題與對策

4.1 技術問題

WIFI室內定位系統的基本原理，是依據微波信號定位。但除了WIFI，目前藍牙、UMB、RFID、ZigBee等多種技術均使用的是2.4GHz無線頻率。當大量使用這些技術的設備同時工作時，如何保證室內定位的用戶體驗是一大難題。目前業界正在研究使用2.4GHz和5GHz的雙頻產品以及使用2.4GHz、5GHz和60GHz的三頻WiFi產品來解決這一問題。［7］另外，WIFI室內定位系統的定位精度還不高，最大誤差有時能達到8米，這對于智能尋書等服務是一個挑戰。不過，研究人員的定位算法在不斷優化，也可通過進一步改善無線AP布局，能夠進一步提高定位精度。而且，現有商用軟件聲稱，最大誤差能控制在1米以內。這些都為WIFI室內定位精度的提高提升了信心。

4.2 安全隱私問題

信息安全問題，現有的WiFi室內定位技術不需要用戶連接到指定的WiFi網絡，只需要用戶打開WiFi開關就可以獲得用戶的位置。因此，這些未經授權的位置服務會損害讀者的切身利益。圖書館在實際應用時，首先，要設計合理的機制來維護讀者的信息安全；其次，要開發適當的應用模式，充分尊重讀者自身意愿，以保證讀者在使用IPS的同時實現自主授權，確保恰當地分享合適的信息。

［1］王雪莉，等.無線定位技術及其在地下礦山中的應用［J］.金屬礦山，2009，4：121－125.

［2］教育部高等學校圖書情報工作指導委員會.2012年高校圖書館發展報告［EB/OL］.［2013－03－15］. http://www.scal.edu.cn/sites/default/files/attachment/zxdt/ 2012fzbg.pdf.

［3］雷地球，等.一種基于WiFi的室內定位系統設計與實現［C］//第19屆全國多媒體學術會議（NCMT 2010）論文集.2010：6.

［4］盧恒惠，等.基于三角形與位置指紋識別算法的WiFi定位比較［J］.移動通信，2010（10）：72－76.

［5］姜莉.基于WiFi室內定位關鍵技術的研究［D］.大連：大連理工大學，2010.

［6］董曉霞，等.基于物聯網的智能圖書館設計與實現［J］.圖書館雜志，2011（3）：65－68.

［7］魏縱橫.射頻識別室內定位技術及應用研究［D］.廣州：華南理工大學，2010.

G250.78；G252.8

A

1005－8214（2015）06－0102－04

王智剛（1978－），男，鄖陽師范高等專科學校圖書館網絡工程師。

2014－10－20［責任編輯］李金甌