室内定位技术在图书馆移动服务中的应用

摘 要 传统的GPS定位技术只能提供室外相关的服务，存在着一定的局限性，因此也催生着室内定位技术的发展和应用。在图书馆的应用环境中读者和服务人员几乎全部是在室内活动，随着智能手机的普及，通过室内定位技术能够对图书馆的服务质量和效率进行有效的提升，同时也能够减少图书馆的管理成本，增加图书馆服务的主动性与便捷性。本文对实现室内定位技术在图书馆移动服务中的关键技术进行了探讨，并对其进行分析和总结。

关键词 室内定位技术 图书馆移动服务

中图分类号：G250.7 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.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

时代飞速变迁，科学技术迅猛发展，位置信息服务质量效率提高，受干扰度小，在人们的生活工作及科学研究中起到了非常重要的作用。传统的GPS定位技术只能提供室外相关的服务，存在着一定的局限性，因此也催生着室内定位技术的发展和应用。

首先，在图书馆的应用环境中读者和服务人员几乎全部是在室内活动，全球卫星导航系统和全球导航卫星系统（GNSS）在此情况下无法提供有效的服务，即室内定位难题。①其次，据L.Thomas的研究，“44%的高校图书馆和34%的公共图书馆员表示，他们已经具有为图书馆用户提供某一类型移动服务的能力，并且约有五分之二的图书馆计划进一步开展移动服务，②这也是当今社会高水平图书馆开展深层次服务的大势所趋。另外，现代图书馆的体量逐渐增大，馆舍面积、文献数量、数据库及各种多媒体信息资源都呈现了飞跃式的发展。③因此，选择一种精准的室内定位技术将是向图书馆中的读者推送有用的、有针对性的服务内容及信息资源的关键技术环节，同时，选择一种部署最为简便、功耗性能比较小的定位技术也是本文研究的目标。

室内定位技术非常实用，具有较大的应用拓展空间，其应用范围广泛，在复杂环境下，室内定位技术可以以信息化的方式结合物理位置实现对人员以及物品的快速定位，从而以最便捷、高效的方式给读者最准确的信息。例如它可用于在某个特定的区域内推送书籍更新的通知信息;或是精确引导读者在图书馆中找到所需的图书;④推送该区域所对应学科的相关电子资源等。⑤随着智能手机的普及率也越来越高，基于智能手机功能的多元化，智能手机已经拥有了WIFI、加速度计、陀螺仪、气压计、电子罗盘等等丰富的硬件将会使室内定位技术在图书馆中的应用推向一个全新的方向。

本文接下来将介绍室内定位技术在图书馆移动服务中的关键技术，并对其进行分析和总结。

1 系统基本框架与关键技术分析

1.1 系统基本框架

图1 系统体系结构图

从图1中可以看出基于室内定位技术的移动服务系统主要分为三部分。移动端主要是由安卓系统移动端和苹果iOS系统移动端组成;而在服务器端，则主要是由数据库服务器、Web服务器和防火墙组成。移动端和服务器通过移动网络和因特网进行互相通信和数据的交换。室内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。

图2 系统应用层次结构图⑥

由图2可以看出，基于室内定位技术的图书馆移动服务从功能结构上主要分为3层：（1）IT基础设施层;（2）应用运行支撑平台;（3）应用服务层。

IT基础设施层主要是提供与硬件相关的服务。这一层主要由网络、服务器/存储设备结合虚拟化技术和IT运维共同对上一层提供服务。应用运行支撑平台最关键的是身份认证中心、消息服务中心、数据交换中心。其中，身份认证中心主要是对图书馆中的请求移动服务的用户信息进行身份确认，如果身份能够得到有效的确认，则可以提供相关服务。数据交换中心主要是服务器端、移动端以及定位端之间的通信。消息服务中心则负责管理移动端与服务器端之间的通信消息，比如移动端请求某个位置图书信息、图书馆某个物理区域主动向移动端用户推送消息等。

1.2 关键技术与分析

关键技术主要由定位技术、消息通信机制、位置信息与信息资源索引和消息实时推送三部分组成。

1.2.1 室内定位技术在图书馆中的应用与分析

目前常用的室内定位技术主要包括四种，分别是：（1）基于超声波定位技术;（2）基于红外线的定位技术;（3）基于超宽带的定位技术;（4）基于射频识别定位技术。

（1）超声波技术。超声波定位系统由一个主测距器和若干个电子标签组成，定位过程如下：先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签，电子标签接收到后又反射传输给主测距器，从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离，并得到定位坐标。目前，比较流行的基于超声波室内定位的技术还有下面两种：一种为将超声波与射频技术结合进行定位。另一种为多超声波定位技术。该技术抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题，精度可达厘米级。缺陷：超声波在传输过程中衰减明显，从而影响其定位有效范围且在图书馆内部署有较高的成本。

（2）红外线技术。红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波，应用无线定位基本算法（TOA算法），通过计时器测距定位。⑦一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。使得红外技术与超声波技术优势互补。红外线定位的定位精度在5～10m。由于红外线在传输过程中易受物体或墙体阻隔且传输距离较短，因此定位系统复杂度较高，有效性和实用性较其它技术仍有差距。

（3）超宽带无线技术。超宽带无线技术（UWB技术）是一种传输速率高（最高可达1000Mbps以上），发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。

超宽带室内定位技术常采用TDOA演示测距定位算法，⑧就是通过信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。基于超宽带技术的室内定位系统典型实例为：Ubisense，其定位方法为三边定位，定位精度为：6～10cm，缺陷：造价较高。

（4）射频识别技术。射频识别技术是一种操控简易，适用于自动控制领域的技术。该系统通常由电子标签、射频读写器、中间件以及计算机数据库组成，结构如图2所示。射频标签和读写器是通过由天线架起的空间电磁波的传输通道进行数据交换的。RFID技术现在已经在一些大型图书馆中开始应用，前景广泛，但大都停留在纸质文献及多媒体光盘介质管理方面，如何有效地发挥RFID技术的功效，更好地开展图书馆的信息化服务，则需要无线局域网技术的配合。

（5）两种基于2.45GHz频段RFID无线室内定位系统。

①无线局域网技术（Wi-Fi/IEEE 802.11b）。基于IEEE 802.11b标准的无线以太网已经成功进入人类社会生活中，无论校园，工作场合或是公共场所等都广泛应用了该技术。使用中只需用手机。笔记本电脑或者是PDA等就可以轻松获取无线信号。无线局域网技术也可轻松运用到室内定位系统中。在无线局域网中的AP接入点或是无线网卡都可以方便测得无线信号的强度，利用这一点可以通过匹配信号强度的方法进行定位。位置指纹法是一种常用的无线局域网室内定位技术，典型的系统是RADAR原型系统，⑨由微软研发。精度：2～3m。缺陷：采集数据工作量大，而且为了达到较高的精度，固定点AP的位置测算设置比较繁琐。

②ZigBee/IEEE 802.15.4。ZigBee（又称紫蜂协议）技术应用于较短距离无线通信，主要面向无线个人区域网（PAN），网络系统在应用中表现出近距离，低功耗，低成本等特征，这些都可以满足室内定位系统的要求和条件。应用ZigBee技术的室内定位系统是通过在传感器网络中布置参考节点，移动节点构成系统的，参考节点为静态节点，它们发送位置信息和RSSI值给移动待测节点，该节点将数据写入定位模块，分析计算得到自身位置。⑩ZigBee技术定位的精度在2m以内，平均1m，比较适合图书馆的阅览环境。

总体上说，红外及超声波技术在应用中容易受到环境阻隔和干扰，易发生能量损耗，而超宽带技术花费相对较高。射频识别技术用在室内定位系统中较为适合，实现起来比较简单，定位精度让人满意，并且价格相对较低。ZigBee技术构造简单，布置简便，性能优良，造假成本低廉，而且系统功耗非常小，定位效果也可以方便地达到图书馆环境下的应用需求，因此目前看来ZigBee技术最适合在图书馆应用环境下的室内定位方法。

1.2.2 消息通信机制

选定了适合图书馆的定位技术后，就要解决推送消息的通信机制。消息通信机制指的主要是服务器层与图书馆室内定位信息端和服务器端与移动端之间的消息通信机制。因为上述两个通信之间的数据主要是文字和数据，所以采用JASON格式对交互数据进行封装。JASON格式能够提供良好的可扩展性和可阅读性，同时也能够将多个数据打包整一个整体，以提升数据解析的效率。服务器层与移动层交互的基本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 位置信息与信息资源索引

位置信息与信息资源索引主要是指的服务器端通过与移动端与图书馆室内定位端互相通信获取到了移动端的物理位置后，根据移动端所在的地理位置开始检索当前地理位置相关的信息。基于地理信息的相关信息检索方式以离散的查找方式为主，可以基于Key-Value的LevelDB进行数据的快速有效检索和存储。

LevelDB作为一个开源的键值对存储方案，是基于Google的BigTable中的tablet架构设计实现。 其使用数据结构LSM树对数据进行存储，并利用内存暂存区设计优化了写性能，通过将内存中数据和持久化后数据进行多级存储，简化了索引对内存产生的开销。同时，由于LevelDB本身的键值对语义与内存缓存使用的map语义十分契合，因而减少了存储接口转换带来的开销。

1.2.4 消息实时推送

实时消息推送可以采用XMPP（Extensible Messaging and Presence Protocol）。XMPP是一种以XML为基础的开放式实时通信协议，是经由互联网工程工作小组（IETF）通过的互联网标准。XMPP基于XML的协议，它继承了在XML环境中灵活的发展性。因此，基于XMPP的应用具有超强的可扩展性。经过扩展以后的XMPP可以通过发送扩展的信息来处理用户的需求，以及在XMPP的顶端建立如内容系统和基于地址的服务等应用程序。而且，XMPP包含了针对服务器端的软件协议，使之能与另一个进行通话，这使得开发者更容易建立客户应用程序或给一个配好系统添加功能。可扩展消息处理现场协议（eXtensible Messaging and Presence Protocol，XMPP）是一种基于可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）的近端串流式即时通信协议。它将现场和上下文敏感信息标记嵌入到XML结构化数据中，能够实现移动端与移动端之间、应用系统之间以及移动端与应用系统之间能即时相互通信。

在图书馆的应用环境中，一旦移动端用户进入到了某个应用区域以后，服务器端就可以通过XMPP服务向移动端推送信息。

/*由A传送信息到B的传输过程*/

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 结论

通过室内定位技术能够对图书馆的服务质量和效率进行有效的提升，同时也能够减少图书馆的管理成本，增加图书馆服务的主动性与便捷性。本文对实现室内定位技术在图书馆移动服务中的关键技术进行了探讨，并对其进行分析和总结。

注释

① GNSS系统[EB/OL].[2013-7-18]..

② Thomas L.Mobile Libraries 2012[J].Library Journal，2012.137（2）：26-28.

③ 黎春兰，邓仲华.信息资源视角下云计算面临的挑战[J].图书与情报，2011（3）：23-28.

④ 范丽莉.我国图书馆文献传递服务研究[D].2004.

⑤ 李侠，樊立娜.浅议索书号的构成.科技情报开发与经济，2011（10）：66-68.

⑥ 全球首创图书馆寻书导航APP[EB/OL].http：//www.ccu.edu.tw/newsdb/newspaper_showNews.php id=9826.

⑦ 玉磊，王安健.蒋理兴.一种使用红外线和超声波的定位技术[J].电子测量技术，2008：84-85.

⑧ [美]Siwiak，K.超宽带无线电技术[M].北京：电子工业出版社，2005：56-59.

⑨⑩汪苑，林锦国.几种常用室内定位技术的探讨[J].中国仪器仪表，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.