基于iBeacon定位技術(shù)的智慧圖書館

摘要：本項目遵循物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，設(shè)計了智慧圖書館整體解決方案。它以iBeacon室內(nèi)定位、3D實境、移動互聯(lián)網(wǎng)、SaaS等技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了圖書館場景下的智能定位與導(dǎo)航服務(wù)、圖書館增強現(xiàn)實位置服務(wù)、3D運行監(jiān)管、角色個性化服務(wù)等功能。針對讀者，可以獲得圖書智能檢索、館內(nèi)定位與導(dǎo)航、消息推送、向工作人員求助等服務(wù)；針對工作人員，使用Unity3D構(gòu)建圖書館場景，實時獲取圖書館內(nèi)讀者與館區(qū)信息，實現(xiàn)圖書館全境動態(tài)監(jiān)管。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/267426.htm

關(guān)鍵字：智慧圖書館；位置服務(wù)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(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽”一等獎

張倬勝（1995-），男，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程、室內(nèi)定位、數(shù)據(jù)挖掘。艾浩軍（1972-），男，博士，研究方向：傳感網(wǎng)目標定位、物聯(lián)網(wǎng)工程和信號處理。薛靜遠（1993-），女，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程、室內(nèi)定位。馬方方（1993-），女，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程、室內(nèi)定位。章尹圣原（1992-），男，碩士，研究方向：信息安全基礎(chǔ)。

引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用普及，圖書館服務(wù)正在從“信息化”向“智能化”演變。本項目通過在圖書館內(nèi)部署室內(nèi)定位系統(tǒng)，從而更好地提供位置服務(wù)，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(wù)水平。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1設(shè)計目標

（1）構(gòu)建位置傳感網(wǎng)，采用高精度定位算法實現(xiàn)室內(nèi)精確定位。

（2）構(gòu)建位置服務(wù)引擎，基于SOA架構(gòu)，采用J2EE框架。

（3）完成Unity3D定位模型和Android終端設(shè)計。

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

（5）實現(xiàn)圖書館3D全境動態(tài)監(jiān)管。

1.2硬件選型

1.2.1 iBeacon基站的構(gòu)成

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

1.2.2主要設(shè)備部署方法

每40平米布置一藍牙信號發(fā)射基站。

1.3系統(tǒng)架構(gòu)

1.3.1軟件架構(gòu)

智慧圖書館根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)M2M的應(yīng)用要求，以SOA作為軟件架構(gòu)，通過SaaS模式對外提供服務(wù)。本架構(gòu)分為四層：分別是傳感器接入層、位置傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)處理層、位置傳感網(wǎng)服務(wù)引擎、位置傳感網(wǎng)應(yīng)用層。如圖1所示。

1.3.2系統(tǒng)硬件部署

圖2為系統(tǒng)硬件部署圖。系統(tǒng)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(wù)器、管理員終端、3D監(jiān)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(chǔ)硬件設(shè)備，用于發(fā)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(quán)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(wù)器發(fā)送服務(wù)請求來獲取相應(yīng)的位置服務(wù)。

（3）智慧圖書館后臺服務(wù)器

存儲、管理與轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)。

（4）管理員終端

當讀者發(fā)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(nèi)容。其他功能與讀者端類似。

（5）3D監(jiān)管終端

實時顯示圖書館的運行情況，包括讀者狀態(tài)與館區(qū)狀態(tài)。

1.4 技術(shù)平臺

1.4.1 Unity3D弓1擎

建立與設(shè)備控制終端的網(wǎng)絡(luò)連接，接收終端傳來的位置信息和服務(wù)信息，建立圖書館的室內(nèi)外模型，利用unity3d引擎，根據(jù)竇時傳來的位置信息控制人物的運動，并實現(xiàn)服務(wù)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(wù)器端建立網(wǎng)絡(luò)連接，通過藍牙4.0與iBeacon基站建立連接。數(shù)據(jù)采集階段，部署好基站后，利用手機中數(shù)據(jù)采集軟件對數(shù)據(jù)進行采集。定位階段，手機接收基站的RSSI信號與建模后的數(shù)據(jù)進行匹配，產(chǎn)生實時位置。

（2）軟件

從服務(wù)器上實時獲取圖書館的參數(shù)信息，繪制出圖書館的場景與定位模型，實現(xiàn)實時定位、智能書籍檢索、圖書館館區(qū)導(dǎo)航、服務(wù)推送以及求助等功能。

1.5系統(tǒng)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(wǎng)

部署在圖書館室內(nèi)空間，具有位置感知能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過室內(nèi)外位置傳感網(wǎng)構(gòu)建定位場，待定位目標與定位場相互作用，位置服務(wù)網(wǎng)關(guān)（LBS-GW）獲取相關(guān)信息后，由實時定位引擎（RTLS）計算產(chǎn)生待定位目標的位置信息。

2.1.1定位場

（1）構(gòu)建室內(nèi)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(nèi)空間模型。

（2）定位設(shè)備部署

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

（3）室內(nèi)地圖語義信息獲取

室內(nèi)地圖語義指事先已在oracle數(shù)據(jù)庫存儲的地圖數(shù)據(jù)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(wù)器數(shù)據(jù)庫中的語義數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)庫中各個參考點指紋對應(yīng)的信號強度RSS均值向量之間的歐式距離

2.3定位精度

經(jīng)過在實驗環(huán)境下隨機選取測試點進行精度計算之后，發(fā)現(xiàn)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(wù)

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(tǒng)內(nèi)所有平臺間的信息交互。

3.1.2 讀者管理

存儲、管理、轉(zhuǎn)發(fā)讀者賬戶信息、移動設(shè)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(xiàn)樓層管理、館區(qū)管理、書籍管理、服務(wù)管理。

3.2 圖書館LBS位置服務(wù)

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(wù)器上加載圖書館場景參數(shù)，繪制出圖書館地圖。如圖6所示。

3.2.2 實時定位與服務(wù)推送

空間位置感知設(shè)計目標是當讀者持智能手機進入圖書館時，打開導(dǎo)航APP，顯示讀者的空間位置。當讀者經(jīng)過某個設(shè)施的附近，系統(tǒng)界面下方將會自動推送該設(shè)施的相應(yīng)介紹和使用狀態(tài)。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(tǒng)界面會顯示書籍所在的位置，并引導(dǎo)讀者至相應(yīng)館區(qū)，實現(xiàn)高效的書籍檢索服務(wù)。如圖8所示。

3.2.4 館區(qū)導(dǎo)航

系統(tǒng)能夠?qū)⒂脩魧?dǎo)航至圖書館中的各個館區(qū)。

當讀者使用導(dǎo)航時，選擇想要到達的館區(qū)，系統(tǒng)界面即可顯示到達該館區(qū)的導(dǎo)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(fā)送求助請求。如圖10所示。

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

3D動態(tài)全境監(jiān)管系統(tǒng)也會在發(fā)出求助請求的讀者上方彈出對話框，顯示請求的內(nèi)容。

3.3 3D全境動態(tài)監(jiān)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(wù)器上獲取讀者、管理員以及館區(qū)的參數(shù)，繪制出3D場景。

3.3.2 3D界面展示

360°全境監(jiān)管圖書館內(nèi)讀者和館區(qū)的狀態(tài)：支持任意角度監(jiān)管，鼠標點擊館內(nèi)用戶可在下方控制面板右側(cè)切換用戶信息。

3.3.3 精確監(jiān)管

根據(jù)圖書館用戶數(shù)量計算出閱覽室、自習(xí)室的人數(shù)，從而在人員密集時實現(xiàn)分流。

4 創(chuàng)新性

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

（2）基于SaaS的軟件架構(gòu)能夠在服務(wù)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(tǒng)采用J2EE框架，在物聯(lián)網(wǎng)感知層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層都提供了相應(yīng)的接口，支持多種設(shè)備的接入，支持圖書館空間信息的加載、用戶注冊。

5 總結(jié)與展望

我們基于SaaS模型，應(yīng)用iBeacon定位技術(shù)，采用J2EE技術(shù)框架，設(shè)計出了完整的智慧圖書館的應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶注冊、設(shè)備管理、定位場管理、位置服務(wù)推送等功能，并提供基于Unity3D的圖書館實時監(jiān)管功能。

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

（1）定位與導(dǎo)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(shù)據(jù)采集速度，但是，其中的數(shù)據(jù)清洗是一項有挑戰(zhàn)性的工作。同時，結(jié)合建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高定位精度和導(dǎo)航的實用性：

（2）與RFID標簽結(jié)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(tǒng)，方便讀者查詢更多的書籍信息、將書籍導(dǎo)航精確到書籍在書架的具體位置，借書的時候經(jīng)過掃描區(qū)自動完成全部書籍的掃描，在整個書籍借閱過程中實現(xiàn)智能化。