藍(lán)牙4.0技術(shù)在智慧圖書館的應(yīng)用

李雪虹

（廈門市圖書館，福建 廈門 361000）

智能技術(shù)改變了人們的生活環(huán)境，尤其是智慧生活理念下，人們對室內(nèi)高精度定位的要求越來越高。室內(nèi)設(shè)備因?yàn)榻ㄖ锏淖韪糁率剐l(wèi)星定位的精確度下降，因此，使用傳統(tǒng)衛(wèi)星定位技術(shù)管控室內(nèi)設(shè)備顯得捉襟見肘。為此，開發(fā)出新的室內(nèi)定位技術(shù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)衛(wèi)星定位的缺陷成為了重要研究課題。室內(nèi)定位技術(shù)可以彌補(bǔ)衛(wèi)星定位無法穿透建筑物、地面信號不穩(wěn)定等問題。常見的室內(nèi)定位技術(shù)有藍(lán)牙、Wi-Fi、超聲波以及紅外線等定位技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的GPS 定位技術(shù)來說，室內(nèi)定位技術(shù)快捷方便、成本低、可操作性強(qiáng)，適合大型商場、圖書館以及住宅區(qū)等設(shè)施使用[1]。在“智慧圖書館”建設(shè)中，如何在復(fù)雜的圖書館等高層建筑內(nèi)精確定位圖書位置以及讀者所在室內(nèi)位置，為讀者提供高質(zhì)量的導(dǎo)航服務(wù)也成為建設(shè)智慧圖書館的重要課題。傳統(tǒng)的基于位置的定位服務(wù)（ILBS）是一種基于位置信息的定位服務(wù)，可以幫助使用者實(shí)時(shí)獲取位置信息、周邊環(huán)境信息、信息推送和路徑導(dǎo)航等信息，從而達(dá)到智能化的目的。

1 藍(lán)牙技術(shù)

1.1 藍(lán)牙4.0介紹

在2010 年7 月藍(lán)牙4.0 規(guī)范得以問世，這是在藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，除了原有的藍(lán)牙技術(shù)優(yōu)勢之外，還將開發(fā)出低成本、低功耗、大范圍、高速、高穩(wěn)定性的藍(lán)牙4.0。

在常規(guī)情況下，0.6～1.2 ms 藍(lán)牙通訊的方法需要使用16～32 個(gè)通信通道連接不同的通訊設(shè)備，因此藍(lán)牙設(shè)備即便是在待機(jī)狀態(tài)也有非常高的能耗。對于藍(lán)牙4.0來說其通信所需要的信道數(shù)量相較于傳統(tǒng)設(shè)備減少了3個(gè)，因此其待機(jī)能耗更低，單次通訊花費(fèi)的時(shí)間也更短，傳統(tǒng)階段需要22.5 ms，4.0只需要0.6～1.2 ms即可[2]。與藍(lán)牙3.0相比，它可以將功耗降低90%以上。藍(lán)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(shè)備保持一年以上的待機(jī)時(shí)間。因?yàn)?.0 有能耗方面的優(yōu)勢，因此，這類設(shè)備開始應(yīng)用在特殊場景中。另外，其信號的傳遞范圍可以達(dá)到毫米級，最大可達(dá)50 m。

1.2 BLE協(xié)議介紹

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

圖1 協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

物理層：在物理層，利用FM技術(shù)降低了對環(huán)境的影響，同時(shí)，Bluetooth4.0將2.402 MHz至2.48 MHz的頻率段分成了40 個(gè)通道，并設(shè)置了2 Mhz 的頻率區(qū)間。而Bluetooth RF 通道包含了一個(gè)廣播通道和一個(gè)數(shù)據(jù)通道，將RF 通道的0,12,39 表示為一個(gè)廣播通道，該通道屬于數(shù)據(jù)通道，由37個(gè)RF組成。

鏈路層：具體來說，鏈路層有5 種不同的狀態(tài)，其中包括廣播狀態(tài)、連接狀態(tài)、就緒狀態(tài)等，不同狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系展示如圖2所示。

圖2 鏈路層狀態(tài)

鏈接層默認(rèn)的情況是處于待機(jī)的狀態(tài)，在這個(gè)情況下，不需要傳輸或者接收信息，一個(gè)裝置就可以從其他情況轉(zhuǎn)換為備用。被廣播的裝置，可發(fā)出一條廣播消息，或發(fā)出一條掃描應(yīng)答，以對被主動掃描的裝置作出反應(yīng)，并偵聽潛在的應(yīng)答分組。此發(fā)明公開了一種具有透明信息的裝置，用于在結(jié)束該廣播之后，該裝置可以處于一種準(zhǔn)備好的狀況，并在接到該發(fā)起方的一種聯(lián)接要求后，該裝置便處于聯(lián)接狀態(tài)。裝置在被掃視的情況下，可以從一個(gè)廣播頻道接受信息。在一個(gè)聯(lián)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(shí)質(zhì)上來看，是通過更為智慧的方法，采用新型的信息技術(shù)來對館內(nèi)的資源信息進(jìn)行相互傳遞，目的是增強(qiáng)信息交互的相應(yīng)速度以及靈活程度，以此來實(shí)現(xiàn)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(shù)和人類的智慧相互結(jié)合，賦予傳統(tǒng)圖書館智、大、云和物的特征，也就是智慧（Artificial Intelligence）、大數(shù)據(jù)（Big Data）、云服務(wù)（Cloud Service）和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）。建設(shè)智慧圖書館應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照能力檢驗(yàn)、服務(wù)主導(dǎo)等原則進(jìn)行，確保建設(shè)目標(biāo)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(gè)環(huán)節(jié)都能被圖書館智能地實(shí)現(xiàn)，不需要人為的介入，從而實(shí)現(xiàn)“智慧”的境界。

2.2 智慧圖書館的特點(diǎn)

按照組成結(jié)構(gòu)分析，智慧圖書館分成3 個(gè)不同的層次，包括感知層、應(yīng)用層及網(wǎng)絡(luò)層，這3 個(gè)層次缺一不可，是智能化核心。其中，傳感層的作用是對目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和對象辨識，對閱讀過程中獲取的書籍信息、環(huán)境溫度、濕度和讀者個(gè)人信息等經(jīng)過處理。應(yīng)用層則是具體的應(yīng)用模塊，也是智慧圖書館功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，其目的是為了達(dá)到智能化管理和人性化服務(wù)。這3 個(gè)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(yàn)。具體來說，智慧圖書館具備3個(gè)方面的優(yōu)勢。

2.2.1 深度感知

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)取得了不錯(cuò)的成績，圖書館領(lǐng)域中也有很多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的案例。比如將傳統(tǒng)圖書館和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合可改變工作人員手工統(tǒng)計(jì)的方式，借助門禁系統(tǒng)自動記錄進(jìn)出人員的信息，讀者只需要通過RFID 一卡通就能夠獲得進(jìn)入圖書館的權(quán)限，同時(shí)刷卡的時(shí)候個(gè)人信息也會錄入到門禁系統(tǒng)，這為工作人員科學(xué)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(yīng)器。

2.2.2 互聯(lián)互通

與傳統(tǒng)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(qiáng)。智慧圖書館綜合了云平臺、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、4 G、Wi-Fi 等新型技術(shù)，智慧圖書館能夠讓館內(nèi)各個(gè)地區(qū)之間相互聯(lián)系起來，也能夠?qū)崿F(xiàn)圖書館內(nèi)外數(shù)據(jù)共享，有助于加速數(shù)據(jù)融合，確保圖書館以及讀者之間相互溝通。智慧圖書館內(nèi)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(wù)

智慧圖書館最明顯的特征就是具有較高的智能化。總體上看，智能圖書館通過網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)精確定位圖書館內(nèi)的資源，實(shí)現(xiàn)資源整合和精確推送等能力。比如智能圖書館中引進(jìn)了RFID 技術(shù)，通過該技術(shù)可以自動完成借書、還書的操作。這種智能化技術(shù)還可以為讀者提供更高質(zhì)量的服務(wù)，進(jìn)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(shù)的推動下幫助用戶快速完成閱讀所需。這種技術(shù)可以自動為用戶提供個(gè)性化服務(wù)，有精準(zhǔn)推送的功能。比如清華大學(xué)機(jī)器人“小圖”和南京大學(xué)的“圖寶”等都可以利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)整理圖書館內(nèi)讀者的信息，并且可以判斷用戶的實(shí)際需求，還可以利用大量的科研數(shù)據(jù)保證用戶服務(wù)的個(gè)性化水平。智能圖書館也可以借助云計(jì)算和數(shù)據(jù)挖掘等先進(jìn)技術(shù)智能化分析用戶的信息，進(jìn)而為用戶提供更理想的服務(wù)體驗(yàn)。比如華東師范就引進(jìn)了大數(shù)據(jù)分析技術(shù)[4]。

3 藍(lán)牙4.0技術(shù)在智慧圖書館的應(yīng)用

3.1 基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的室內(nèi)定位

目前，國內(nèi)有許多建筑規(guī)模較大的圖書館，如南京理工大學(xué)建設(shè)的圖書館占地面積超過45 000 m2，復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的10 033 m2，南京大學(xué)還建設(shè)有社夏圖書館，武漢理工大也有規(guī)模較大的圖書館，2個(gè)大學(xué)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(dǎo)航，能迅速找到電梯、廁所、飲水機(jī)、學(xué)習(xí)交流室等。隨著各個(gè)大型圖書館的大力推行，其職能日益復(fù)雜化，劃分日益細(xì)化。對于低頻次進(jìn)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(dāng)前圖書館進(jìn)一步升級的關(guān)鍵。隨著當(dāng)前的定位技術(shù)越發(fā)完善，室內(nèi)定位技術(shù)分成了2 種不同的發(fā)展方向。一種是廣域視角上的室內(nèi)定位，另一種則是局域范圍的室內(nèi)定位[5]。前者有GPS、地面數(shù)字通信等尖端科技；無線保真、藍(lán)牙、Zigbee、RFID 等局部室內(nèi)定位技術(shù)。對Bluetooth技術(shù)的效能和難度進(jìn)行比較，見圖3。

圖3 定位技術(shù)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(nèi)定位。現(xiàn)在市面上大部分的智能機(jī)都配備了Bluetooth4.0功能，這對于普及來說是非常方便的。

藍(lán)牙4.0 的核心算法為三角形定質(zhì)心位算法，這種算法以A（xa，ya）、B（xb，yb）以及C（xc，yc）為3個(gè)信標(biāo)節(jié)，將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)M的坐標(biāo)設(shè)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(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，以這些點(diǎn)作為圓心，這樣，得到不同點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)M的距離ra、rb、rc就能夠精確定位M點(diǎn)，其計(jì)算方式如式（1）所示。

3.2 基于藍(lán)牙4.0室內(nèi)定位在智慧圖書館的應(yīng)用

為了適應(yīng)高層建筑內(nèi)的物品定位需求，室內(nèi)定位技術(shù)受到重視，并且出現(xiàn)了三維導(dǎo)航、圖書導(dǎo)航和提前預(yù)約等技術(shù)，同時(shí)當(dāng)前的室內(nèi)定位技術(shù)有著較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2.1 3D導(dǎo)航

當(dāng)讀者走入圖書館的時(shí)候，可以用自己的手機(jī)，在里面找到一個(gè)三維的導(dǎo)航。當(dāng)用戶開啟藍(lán)牙時(shí)，圖書館內(nèi)置的藍(lán)牙基地臺會精確地鎖定用戶目前所處的地點(diǎn)，并將此時(shí)此刻的地點(diǎn)顯示在移動終端上。3D 導(dǎo)航功能，可以滿足讀者的導(dǎo)航需求，讓讀者能夠快速地、準(zhǔn)確地游覽館內(nèi)信息。

3.2.2 座位預(yù)約系統(tǒng)

智慧圖書館的建設(shè)除了為讀者提供良好的讀書環(huán)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(yīng)當(dāng)配置休閑娛樂、電子閱覽及培訓(xùn)等不同的功能區(qū)域。在圖書館各功能區(qū)域，座椅的使用規(guī)定也各不一樣，座椅預(yù)定制度有助于圖書館員對座椅進(jìn)行科學(xué)的安排。座位預(yù)定有2 種模式，一種是主動預(yù)定，另一種是外圍推送。當(dāng)讀者在圖書館中，任何時(shí)候都想要找到一個(gè)可以坐下來的地方，只要用自己的手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙定位，該系統(tǒng)就會根據(jù)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(dǎo)航

當(dāng)前，許多大學(xué)圖書館和公共圖書館的藏書數(shù)量龐大，想要在復(fù)雜的樓層中更好地尋找到自己需要的書籍，可以利用藍(lán)牙4.0的室內(nèi)定位技術(shù)，與圖書館3D 導(dǎo)航相結(jié)合。由于圖書館內(nèi)有足夠多的藍(lán)牙基站，能夠確保在室內(nèi)的位置準(zhǔn)確率在1 m 之內(nèi)，這樣就能夠給予讀者提供更加精確的導(dǎo)航路線。

3.2.4 信息推送

現(xiàn)階段互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入到快速發(fā)展期，大部分用戶開始普及智能手機(jī)，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(yè)務(wù)的重要性，紛紛開發(fā)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(jī)的藍(lán)牙功能就能夠借助公眾號快速登錄個(gè)人信息，也可以及時(shí)了解圖書館內(nèi)的資訊和其他新書信息。

3.3 圖書館無線辦公網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制

通過藍(lán)牙4.0可以打造出更加完善的無線辦公環(huán)境。建設(shè)這一機(jī)制的基礎(chǔ)有如下幾個(gè)方面：首先，應(yīng)當(dāng)共享圖書館內(nèi)的各類智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)文件和設(shè)備共享。其次，使用藍(lán)牙設(shè)備對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)進(jìn)行無線接入。最終，在辦公室網(wǎng)中，利用某種路由方式，使不同的微微網(wǎng)相互連接起來。按照使用者的具體需求構(gòu)建多個(gè)微微網(wǎng)組合在一起的無線網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制，保證這個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同主體可以高效互通。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各主體通信只能在辦公網(wǎng)絡(luò)中通信，而不是在局域網(wǎng)中進(jìn)行，因此，必須要有一種特定的路由，以確保不同的微微網(wǎng)之間可以正常連接和互動。合適的路由能夠增強(qiáng)通信范圍，還可以降低通信帶來的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。通過藍(lán)牙連接LAN 的訪問接口，采用RJ45 插頭，為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能，在計(jì)算機(jī)和各類電子產(chǎn)品上都需要配備一個(gè)普通的藍(lán)牙硬件。通過該硬件和不同的終端連接，但是應(yīng)當(dāng)注意的是，建立通信通道的2 個(gè)設(shè)備的物理距離需要保持在100 m 范圍內(nèi)，并且一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備最多可以同時(shí)連接7個(gè)其他設(shè)備。

3.4 圖書館藍(lán)牙4.0局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)功能

在辦公室內(nèi)使用的藍(lán)牙移動終端，它利用無線保護(hù)本地網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，其局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)有如下作用：（1）實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)化，確保TCP∕IP 和藍(lán)牙2種協(xié)議相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)辦公網(wǎng)絡(luò)中藍(lán)牙移動終端的無線上網(wǎng)。（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(lán)牙設(shè)備，比如打印機(jī)等。（3）按照路由分配機(jī)制精確定位和追蹤移動類型的藍(lán)牙設(shè)備，以確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動設(shè)備始終保持通暢連接，保證這類設(shè)備可以順利接入到LAN 或其他微微網(wǎng)內(nèi)的藍(lán)牙移動終端。（4）通過2 臺分別隸屬于2 臺微型網(wǎng)絡(luò)的藍(lán)牙手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙手機(jī)的漫游和轉(zhuǎn)接。其中，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)起到了藍(lán)牙網(wǎng)橋的功能，起到了一個(gè)中繼器的功能。

4 結(jié)語

隨著數(shù)字技術(shù)的廣泛運(yùn)用，“智能”的新形態(tài)正在向“智能”“綠色”和“共享”三個(gè)方向發(fā)展。讓讀者享有與時(shí)代相適應(yīng)的新業(yè)務(wù)，使讀者獲得愉快的智慧體驗(yàn)；在擺脫枯燥的重復(fù)工作之后，圖書館館員能夠花費(fèi)更多的時(shí)間去提高自己的信息素質(zhì)，提高自己的服務(wù)水平，從而為讀者提供更深層次的服務(wù)；新時(shí)期，為了滿足新的需求，圖書館對傳統(tǒng)建筑和管理觀念進(jìn)行了轉(zhuǎn)變，從而可以更好地為讀者提供智能化的服務(wù)，加強(qiáng)了圖書館文化主陣地的功能。