藍牙4.0技術在智慧圖書館的應用

李雪虹

（廈門市圖書館，福建 廈門 361000）

智能技術改變了人們的生活環境，尤其是智慧生活理念下，人們對室內高精度定位的要求越來越高。室內設備因為建筑物的阻隔致使衛星定位的精確度下降，因此，使用傳統衛星定位技術管控室內設備顯得捉襟見肘。為此，開發出新的室內定位技術，彌補傳統衛星定位的缺陷成為了重要研究課題。室內定位技術可以彌補衛星定位無法穿透建筑物、地面信號不穩定等問題。常見的室內定位技術有藍牙、Wi-Fi、超聲波以及紅外線等定位技術。相對于傳統的GPS 定位技術來說，室內定位技術快捷方便、成本低、可操作性強，適合大型商場、圖書館以及住宅區等設施使用[1]。在“智慧圖書館”建設中，如何在復雜的圖書館等高層建筑內精確定位圖書位置以及讀者所在室內位置，為讀者提供高質量的導航服務也成為建設智慧圖書館的重要課題。傳統的基于位置的定位服務（ILBS）是一種基于位置信息的定位服務，可以幫助使用者實時獲取位置信息、周邊環境信息、信息推送和路徑導航等信息，從而達到智能化的目的。

1 藍牙技術

1.1 藍牙4.0介紹

在2010 年7 月藍牙4.0 規范得以問世，這是在藍牙技術聯盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）的基礎上發展而來的，除了原有的藍牙技術優勢之外，還將開發出低成本、低功耗、大范圍、高速、高穩定性的藍牙4.0。

在常規情況下，0.6～1.2 ms 藍牙通訊的方法需要使用16～32 個通信通道連接不同的通訊設備，因此藍牙設備即便是在待機狀態也有非常高的能耗。對于藍牙4.0來說其通信所需要的信道數量相較于傳統設備減少了3個，因此其待機能耗更低，單次通訊花費的時間也更短，傳統階段需要22.5 ms，4.0只需要0.6～1.2 ms即可[2]。與藍牙3.0相比，它可以將功耗降低90%以上。藍牙4.0 對能耗需求非常低，即便是普通的紐扣電池也可以保證該設備保持一年以上的待機時間。因為4.0 有能耗方面的優勢，因此，這類設備開始應用在特殊場景中。另外，其信號的傳遞范圍可以達到毫米級，最大可達50 m。

1.2 BLE協議介紹

從通訊協議上看，藍牙4.0 使用BLE 協議棧，其中有控制器和主機2 個部分。L2CAP 上部主要是主機端，HCI 層之下的部分被稱為控制層。自下而上的順序看，協議堆疊層次非常多，從物理層開始經過鏈路層到達安全管理層以及通用屬性剖面等，如圖1 所示。

圖1 協議分層結構

物理層：在物理層，利用FM技術降低了對環境的影響，同時，Bluetooth4.0將2.402 MHz至2.48 MHz的頻率段分成了40 個通道，并設置了2 Mhz 的頻率區間。而Bluetooth RF 通道包含了一個廣播通道和一個數據通道，將RF 通道的0,12,39 表示為一個廣播通道，該通道屬于數據通道，由37個RF組成。

鏈路層：具體來說，鏈路層有5 種不同的狀態，其中包括廣播狀態、連接狀態、就緒狀態等，不同狀態之間相互轉化的關系展示如圖2所示。

圖2 鏈路層狀態

鏈接層默認的情況是處于待機的狀態，在這個情況下，不需要傳輸或者接收信息，一個裝置就可以從其他情況轉換為備用。被廣播的裝置，可發出一條廣播消息，或發出一條掃描應答，以對被主動掃描的裝置作出反應，并偵聽潛在的應答分組。此發明公開了一種具有透明信息的裝置，用于在結束該廣播之后，該裝置可以處于一種準備好的狀況，并在接到該發起方的一種聯接要求后，該裝置便處于聯接狀態。裝置在被掃視的情況下，可以從一個廣播頻道接受信息。在一個聯接的情況下，2 臺裝置能夠互相傳輸資料通道信息包。

2 智慧圖書館

2.1 智慧圖書館的概念

智慧圖書館（Smart Library）從實質上來看，是通過更為智慧的方法，采用新型的信息技術來對館內的資源信息進行相互傳遞，目的是增強信息交互的相應速度以及靈活程度，以此來實現智慧圖書館的所有功能。

所謂的智慧圖書館指的是將人工智能技術和人類的智慧相互結合，賦予傳統圖書館智、大、云和物的特征，也就是智慧（Artificial Intelligence）、大數據（Big Data）、云服務（Cloud Service）和物聯網（Internet of Things）。建設智慧圖書館應當嚴格按照能力檢驗、服務主導等原則進行，確保建設目標的智能化水平，以保證圖書館滿足人們的需求[3]。其最高級的境界就是每一個環節都能被圖書館智能地實現，不需要人為的介入，從而實現“智慧”的境界。

2.2 智慧圖書館的特點

按照組成結構分析，智慧圖書館分成3 個不同的層次，包括感知層、應用層及網絡層，這3 個層次缺一不可，是智能化核心。其中，傳感層的作用是對目標進行數據收集和對象辨識，對閱讀過程中獲取的書籍信息、環境溫度、濕度和讀者個人信息等經過處理。應用層則是具體的應用模塊，也是智慧圖書館功能實現的基礎，其目的是為了達到智能化管理和人性化服務。這3 個方面互相依賴，又相互作用，這樣才可以確保讀者擁有更高的讀書體驗。具體來說，智慧圖書館具備3個方面的優勢。

2.2.1 深度感知

在現實應用中，物聯網取得了不錯的成績，圖書館領域中也有很多物聯網技術應用的案例。比如將傳統圖書館和物聯網技術相互結合可改變工作人員手工統計的方式，借助門禁系統自動記錄進出人員的信息，讀者只需要通過RFID 一卡通就能夠獲得進入圖書館的權限，同時刷卡的時候個人信息也會錄入到門禁系統，這為工作人員科學管理讀者信息提供了便利。目前，除RFID閱讀器外，還有溫、濕、有害氣體等感應器。

2.2.2 互聯互通

與傳統圖書館對比，智慧圖書館的自由性更高、開放程度更大、共享能力更強。智慧圖書館綜合了云平臺、現代計算機、4 G、Wi-Fi 等新型技術，智慧圖書館能夠讓館內各個地區之間相互聯系起來，也能夠實現圖書館內外數據共享，有助于加速數據融合，確保圖書館以及讀者之間相互溝通。智慧圖書館內不僅可以存放大量書籍，還能夠精確管理每一本圖書的信息。

2.2.3 智慧服務

智慧圖書館最明顯的特征就是具有較高的智能化?？傮w上看，智能圖書館通過網絡信息技術精確定位圖書館內的資源，實現資源整合和精確推送等能力。比如智能圖書館中引進了RFID 技術，通過該技術可以自動完成借書、還書的操作。這種智能化技術還可以為讀者提供更高質量的服務，進而提高讀者的閱讀效率。智能圖書館還可以在智能代理技術的推動下幫助用戶快速完成閱讀所需。這種技術可以自動為用戶提供個性化服務，有精準推送的功能。比如清華大學機器人“小圖”和南京大學的“圖寶”等都可以利用大數據分析技術整理圖書館內讀者的信息，并且可以判斷用戶的實際需求，還可以利用大量的科研數據保證用戶服務的個性化水平。智能圖書館也可以借助云計算和數據挖掘等先進技術智能化分析用戶的信息，進而為用戶提供更理想的服務體驗。比如華東師范就引進了大數據分析技術[4]。

3 藍牙4.0技術在智慧圖書館的應用

3.1 基于藍牙4.0技術的室內定位

目前，國內有許多建筑規模較大的圖書館，如南京理工大學建設的圖書館占地面積超過45 000 m2，復旦大學醫學中心的10 033 m2，南京大學還建設有社夏圖書館，武漢理工大也有規模較大的圖書館，2個大學的圖書館面積分別是51 223.8 m2和80 000 m2，廈門市的圖書館有60 000 m2，地上有6層，地下有2層。借助于Bluetooth導航，能迅速找到電梯、廁所、飲水機、學習交流室等。隨著各個大型圖書館的大力推行，其職能日益復雜化，劃分日益細化。對于低頻次進入到圖書館的讀者來說，如何為這些讀者提供快速和便捷的圖書信息就成為了當前圖書館進一步升級的關鍵。隨著當前的定位技術越發完善，室內定位技術分成了2 種不同的發展方向。一種是廣域視角上的室內定位，另一種則是局域范圍的室內定位[5]。前者有GPS、地面數字通信等尖端科技；無線保真、藍牙、Zigbee、RFID 等局部室內定位技術。對Bluetooth技術的效能和難度進行比較，見圖3。

圖3 定位技術性能—難易對比圖

從圖3可以看出，從性能和精度的角度來看，使用Bluetooth 更適合于室內定位?，F在市面上大部分的智能機都配備了Bluetooth4.0功能，這對于普及來說是非常方便的。

藍牙4.0 的核心算法為三角形定質心位算法，這種算法以A（xa，ya）、B（xb，yb）以及C（xc，yc）為3個信標節，將目標節點M的坐標設定為（x，y），就像在圖4中看到的那樣。

圖4 三邊測量法圖示

選擇3 個信標節點，以這些點作為圓心，這樣，得到不同點到目標點M的距離ra、rb、rc就能夠精確定位M點，其計算方式如式（1）所示。

3.2 基于藍牙4.0室內定位在智慧圖書館的應用

為了適應高層建筑內的物品定位需求，室內定位技術受到重視，并且出現了三維導航、圖書導航和提前預約等技術，同時當前的室內定位技術有著較大的發展潛力。

3.2.1 3D導航

當讀者走入圖書館的時候，可以用自己的手機，在里面找到一個三維的導航。當用戶開啟藍牙時，圖書館內置的藍牙基地臺會精確地鎖定用戶目前所處的地點，并將此時此刻的地點顯示在移動終端上。3D 導航功能，可以滿足讀者的導航需求，讓讀者能夠快速地、準確地游覽館內信息。

3.2.2 座位預約系統

智慧圖書館的建設除了為讀者提供良好的讀書環境之外還需要滿足讀者的多元化需求，因此在智慧圖書館中應當配置休閑娛樂、電子閱覽及培訓等不同的功能區域。在圖書館各功能區域，座椅的使用規定也各不一樣，座椅預定制度有助于圖書館員對座椅進行科學的安排。座位預定有2 種模式，一種是主動預定，另一種是外圍推送。當讀者在圖書館中，任何時候都想要找到一個可以坐下來的地方，只要用自己的手機進行藍牙定位，該系統就會根據距離的先后順序，將用戶所處周圍的空閑位置自動地推給他們，這樣就可以讓他們能夠更快地獲得最好的空閑座位。

3.2.3 圖書導航

當前，許多大學圖書館和公共圖書館的藏書數量龐大，想要在復雜的樓層中更好地尋找到自己需要的書籍，可以利用藍牙4.0的室內定位技術，與圖書館3D 導航相結合。由于圖書館內有足夠多的藍牙基站，能夠確保在室內的位置準確率在1 m 之內，這樣就能夠給予讀者提供更加精確的導航路線。

3.2.4 信息推送

現階段互聯網技術進入到快速發展期，大部分用戶開始普及智能手機，人們能夠很容易地獲得大量的資訊。近期，很多圖書館都開始重視線上業務的重要性，紛紛開發出微信公眾號或者是小程序，主動地向讀者推薦信息。在智慧圖書館中，只要讀者打開智能手機的藍牙功能就能夠借助公眾號快速登錄個人信息，也可以及時了解圖書館內的資訊和其他新書信息。

3.3 圖書館無線辦公網絡的路由機制

通過藍牙4.0可以打造出更加完善的無線辦公環境。建設這一機制的基礎有如下幾個方面：首先，應當共享圖書館內的各類智能化設備，實現文件和設備共享。其次，使用藍牙設備對內部網絡和局域網進行無線接入。最終，在辦公室網中，利用某種路由方式，使不同的微微網相互連接起來。按照使用者的具體需求構建多個微微網組合在一起的無線網絡通信機制，保證這個網絡內的不同主體可以高效互通。網絡內的各主體通信只能在辦公網絡中通信，而不是在局域網中進行，因此，必須要有一種特定的路由，以確保不同的微微網之間可以正常連接和互動。合適的路由能夠增強通信范圍，還可以降低通信帶來的網絡負荷。通過藍牙連接LAN 的訪問接口，采用RJ45 插頭，為了實現藍牙功能，在計算機和各類電子產品上都需要配備一個普通的藍牙硬件。通過該硬件和不同的終端連接，但是應當注意的是，建立通信通道的2 個設備的物理距離需要保持在100 m 范圍內，并且一個藍牙設備最多可以同時連接7個其他設備。

3.4 圖書館藍牙4.0局域網的網關功能

在辦公室內使用的藍牙移動終端，它利用無線保護本地網和互聯網，其局域網的網關有如下作用：（1）實現通信協議轉化，確保TCP∕IP 和藍牙2種協議相互轉化，從而實現辦公網絡中藍牙移動終端的無線上網。（2）基于安全原則，通過使用自己的IP地址和TCP接口，精確定位和識別無IP地址的藍牙設備，比如打印機等。（3）按照路由分配機制精確定位和追蹤移動類型的藍牙設備，以確保網絡內的移動設備始終保持通暢連接，保證這類設備可以順利接入到LAN 或其他微微網內的藍牙移動終端。（4）通過2 臺分別隸屬于2 臺微型網絡的藍牙手機，實現了藍牙手機的漫游和轉接。其中，藍牙網關起到了藍牙網橋的功能，起到了一個中繼器的功能。

4 結語

隨著數字技術的廣泛運用，“智能”的新形態正在向“智能”“綠色”和“共享”三個方向發展。讓讀者享有與時代相適應的新業務，使讀者獲得愉快的智慧體驗；在擺脫枯燥的重復工作之后，圖書館館員能夠花費更多的時間去提高自己的信息素質，提高自己的服務水平，從而為讀者提供更深層次的服務；新時期，為了滿足新的需求，圖書館對傳統建筑和管理觀念進行了轉變，從而可以更好地為讀者提供智能化的服務，加強了圖書館文化主陣地的功能。