●王智剛（鄖陽師范高等?？茖W校圖書館，湖北十堰442000）

基于WIFI室內(nèi)定位技術(shù)的移動圖書館服務(wù)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(nèi)定位；移動圖書館；圖書館服務(wù)

隨著圖書館的建筑面積和服務(wù)職能范圍不斷擴大，圖書館功能結(jié)構(gòu)將變得越來越復雜，急需一種室內(nèi)位置服務(wù)技術(shù)。本文介紹了一種基于WIFI室內(nèi)定位技術(shù)的移動圖書館技術(shù)，提出了一些新的圖書館服務(wù)策略。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPS）應(yīng)用于圖書館的背景

現(xiàn)在，GPS芯片、藍牙模塊已經(jīng)成為智能手機默認必配組件?；诖私M件的百度、谷歌地圖服務(wù)，凱立德導航系統(tǒng)等已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，移動位置服務(wù)（Loeation Based Serviee，簡稱LBS）將成為移動互聯(lián)網(wǎng)標準配置。然而，雖然從這些十分普及的便攜式導航設(shè)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(yīng)用技術(shù)的實現(xiàn)，都是基于全球定位系統(tǒng)（GPS）以及格洛納斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（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(shè)備。［1］

現(xiàn)代圖書館建筑面臨兩個問題：①館舍面積龐大結(jié)構(gòu)復雜；②服務(wù)功能逐漸增多。據(jù)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(fā)展報告》［2］顯示，2006～2012年，高校圖書館的館均建筑面積呈持續(xù)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(fā)展?，F(xiàn)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(wù)體。龐大的建筑面積和結(jié)構(gòu)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(lián)系。對于這些復雜的“水泥森林”，GPS設(shè)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(zhuǎn)向了室內(nèi)。因此，室內(nèi)定位系統(tǒng)（Indoor Positioning System，IPS）應(yīng)運而生。IPS主要有兩種功能：①準確定位移動設(shè)備在室內(nèi)的具體位置；②提供與位置相關(guān)的各種信息服務(wù)。

2 WIFI的室內(nèi)定位系統(tǒng)應(yīng)用于圖書館的原理及實現(xiàn)

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

2.1 圖書館選擇WIFI室內(nèi)定位技術(shù)的理由

首先，基于WIFI網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)，由于其設(shè)備體積小、成本低廉、使用廣泛、穩(wěn)定性好、能高速高質(zhì)量傳輸數(shù)據(jù)。從表可以看出，WIFI定位技術(shù)在眾多IPS技術(shù)中優(yōu)勢明顯。其次，IPS技術(shù)要求能提供針對位置的信息服務(wù)，也就是需要在服務(wù)器與終端之間傳輸數(shù)據(jù)，WIFI帶寬最高，數(shù)據(jù)流量產(chǎn)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(jīng)WIFI全覆蓋，為WIFI室內(nèi)定位技術(shù)提供了必要條件，不需要再在全館布局設(shè)備。最后，由上述CNNIC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，終端設(shè)備普及率已經(jīng)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(shè)備。由此可見，WIFI室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)點，加上現(xiàn)在圖書館的現(xiàn)有環(huán)境和讀者對象的現(xiàn)有條件，是最適合作為圖書館IPS系統(tǒng)的。

2.2 WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)的原理

WIFI室內(nèi)定位技術(shù)，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(shè)備（如芯片、天線等），就可以實現(xiàn)建筑物室內(nèi)定位系統(tǒng)。基于WIFI的室內(nèi)定位系統(tǒng)，主要有終端側(cè)定位和AP側(cè)定位兩種方式。AP側(cè)定位方式由建筑物內(nèi)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(cè)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(nèi)定位系統(tǒng)是微軟開發(fā)的RADAR系統(tǒng)，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(tǒng)基于RSSI信號的統(tǒng)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(fā)射機的信號強度，根據(jù)已知信道衰減模型及發(fā)射信號值來估算收發(fā)射機之間的距離而實現(xiàn)定位。首先，無線信號衰減和傳播距離之間是有一定關(guān)系的。WIFI所用頻段為微波頻段，因此，可以利用微波工程技術(shù)分析WIFI信號與距離的關(guān)系。WIFI無線信號傳輸衰減和距離的關(guān)系公式如下：

表三種IPS技術(shù)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(guān)。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(jù)此原理，可以測算出移動WIFI設(shè)備與無線AP之間的距離。

在實際應(yīng)用環(huán)境中，由于障礙物、反射、多徑等環(huán)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(yīng)用中，一般會采用對數(shù)-常態(tài)分布模型（公式（2）），計算AP收到移動端設(shè)備路徑的信號衰減。

公式（2）中，PL（d）為WIFI信號經(jīng)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(shù)，其標準差范圍為4～10；n為路徑損耗指數(shù)，是一個與環(huán)境相關(guān)的值，其范圍在2到5之間。這樣，根據(jù)公式（2）可以得出未知移動設(shè)備接受AP信號時的信號強度為：RSSI=發(fā)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(jié)果曲線圖。由圖3可以看出，實際應(yīng)用中的實測結(jié)果與RSSI模型非常接近，移動設(shè)備與AP越近，誤差越小，定位越準確。

（2）三角質(zhì)心算法定位。RSSI測距能夠測算出未知WIFI移動設(shè)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(jù)RSSI測距原理，分別算出未知WIFI設(shè)備離這三個AP的距離，就能夠依據(jù)幾何原理，推算出未知WIFI設(shè)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(tǒng)的三角定位原理（原理圖2如下）。［4］

圖2 三角定位算法

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

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

2.3 WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)構(gòu)架

在以上研究成果的基礎(chǔ)上，我們可以搭建基于WIFI的室內(nèi)定位系統(tǒng)（見圖3）。

（1）圖書館建筑內(nèi)部WIFI系統(tǒng)。首先，圖書館建筑內(nèi)要有一個符合要求的WIFI無線網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)研究人員反復的RSSI測距試驗得出的結(jié)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(nèi)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(nèi)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(tǒng)，還是基于射頻識別技術(shù)（RFID）、藍牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)、紅外線室內(nèi)定位技術(shù)的定位系統(tǒng)，都是物理技術(shù)手段，最終都得有一套相應(yīng)的軟件系統(tǒng)來使用這些硬件設(shè)備和技術(shù)。例如，目前，已經(jīng)商用的WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)，就由相應(yīng)的軟件組成，如：圖聚（Palmap+）、西門子Wi-Fi Positioning等。［6］

（3）服務(wù)器系統(tǒng)。服務(wù)器系統(tǒng)主要由控制網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器、定位分析系統(tǒng)服務(wù)器、客戶端使用的web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及實現(xiàn)圖書館基于位置信息服務(wù)的服務(wù)器組成。

（4）移動客戶端系統(tǒng)。移動終端利用WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)，首先要實現(xiàn)的是定位功能，所以，客戶系統(tǒng)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(wù)的信息。

圖3 WIFI定位系統(tǒng)架構(gòu)

3 嵌入移動圖書館的WIFI定位服務(wù)類型

現(xiàn)在，大多數(shù)高校圖書館已經(jīng)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(nèi)定位系統(tǒng)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(nèi)定位系統(tǒng)，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(nèi)定位系統(tǒng)的使用率。再者，它與移動圖書館整合，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的服務(wù)類型（見圖4）。嵌入移動圖書館的WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)，能實現(xiàn)的主要功能有七個。

圖4 移動圖書館應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)

（1）簽到服務(wù)。傳統(tǒng)的圖書館管理，讀者進入圖書館，無論是傳統(tǒng)的手工簽到，還是光筆掃描讀者證記到，亦或是現(xiàn)代化的門禁系統(tǒng)記到，都是大多數(shù)圖書館為了統(tǒng)計讀者流量的方法。依據(jù)圖書館WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)，服務(wù)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(wù)。圖書館可以依據(jù)館舍建筑結(jié)構(gòu)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(shè)備的讀者明白自己所處的位置，以及此處附近的服務(wù)設(shè)施，包括飲水機、自助打印機、衛(wèi)生間、館舍布局等。依據(jù)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(fā)自然災(zāi)害，如地震和火災(zāi)時，讀者還可以依據(jù)導航線路快速逃生。

（3）跟蹤及圖書館服務(wù)營銷。依據(jù)WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)，我們可以確定讀者的具體位置和運動軌跡，依據(jù)讀者的歷史運動軌跡數(shù)據(jù)，可以分析出讀者感興趣的圖書館服務(wù)場所。然后，可以結(jié)合讀者使用移動圖書館（如書目查詢，個人賬戶個性化設(shè)置，讀者借閱史等）的歷史數(shù)據(jù)，分析出讀者獲取信息內(nèi)容的喜好。當讀者步入圖書館某一區(qū)域時，我們可以根據(jù)讀者的喜好推送此區(qū)域內(nèi)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(wù)。另外，系統(tǒng)還可以將圖書館新提供的服務(wù)或是新書信息等，推送給附近讀者。

（4）社區(qū)交流。目前，國內(nèi)微信、陌陌等即時通信軟件，用LBS實現(xiàn)查找附近的人并建立聯(lián)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(nèi)定位系統(tǒng)可以依托移動圖書館，開發(fā)基于位置的社區(qū)交流平臺。圖書館的資源結(jié)構(gòu)有其規(guī)律性，不同的區(qū)域有不同的學科資源，進入同一區(qū)域的讀者，往往有相似閱讀興趣的，可以通過社區(qū)交流平臺，讓這些興趣相同的讀者聯(lián)系在一起，形成一個個學術(shù)微群，建立虛擬信息共享空間。

（5）圖書檢索及智能“尋書”服務(wù)。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(xiàn)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(nèi)定位系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫時，將每個房間內(nèi)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(xiàn)智能尋書。

（6）訂座服務(wù)。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(yù)約系統(tǒng)開展訂座服務(wù)。但這種單向的訂座服務(wù)因缺乏有效監(jiān)管容易造成“訂”而不“坐”的情況發(fā)生，會產(chǎn)生空位情況，無法充分利用資源，從根本上解決占座問題。結(jié)合WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)，預(yù)約訂座服務(wù)能夠很方便地監(jiān)控讀者是否在座位上，從而杜絕占位現(xiàn)象發(fā)生。

（7）讀者數(shù)據(jù)分析和管理。為了更好地服務(wù)讀者，提高服務(wù)效率，圖書館往往會跟蹤讀者數(shù)據(jù)進行分析。傳統(tǒng)的讀者分析數(shù)據(jù)主要來源于到館次數(shù)、流通量、借閱頻率和借閱排行等。而通過嵌入WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)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(shù)據(jù)。WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)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(jiān)控館內(nèi)通道流量，預(yù)防安全事故的發(fā)生；其次，可以據(jù)此改造圖書館功能布局，優(yōu)化館藏布局結(jié)構(gòu)，提升服務(wù)質(zhì)量。

4 存在的問題與對策

4.1 技術(shù)問題

WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本原理，是依據(jù)微波信號定位。但除了WIFI，目前藍牙、UMB、RFID、ZigBee等多種技術(shù)均使用的是2.4GHz無線頻率。當大量使用這些技術(shù)的設(shè)備同時工作時，如何保證室內(nèi)定位的用戶體驗是一大難題。目前業(yè)界正在研究使用2.4GHz和5GHz的雙頻產(chǎn)品以及使用2.4GHz、5GHz和60GHz的三頻WiFi產(chǎn)品來解決這一問題。［7］另外，WIFI室內(nèi)定位系統(tǒng)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(wù)是一個挑戰(zhàn)。不過，研究人員的定位算法在不斷優(yōu)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(xiàn)有商用軟件聲稱，最大誤差能控制在1米以內(nèi)。這些都為WIFI室內(nèi)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(xiàn)有的WiFi室內(nèi)定位技術(shù)不需要用戶連接到指定的WiFi網(wǎng)絡(luò)，只需要用戶打開WiFi開關(guān)就可以獲得用戶的位置。因此，這些未經(jīng)授權(quán)的位置服務(wù)會損害讀者的切身利益。圖書館在實際應(yīng)用時，首先，要設(shè)計合理的機制來維護讀者的信息安全；其次，要開發(fā)適當?shù)膽?yīng)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(xiàn)自主授權(quán)，確保恰當?shù)胤窒砗线m的信息。

［1］王雪莉，等.無線定位技術(shù)及其在地下礦山中的應(yīng)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(fā)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(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［C］//第19屆全國多媒體學術(shù)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(nèi)定位關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.大連：大連理工大學，2010.

［6］董曉霞，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能圖書館設(shè)計與實現(xiàn)［J］.圖書館雜志，2011（3）：65－68.

［7］魏縱橫.射頻識別室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)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?？茖W校圖書館網(wǎng)絡(luò)工程師。

2014－10－20［責任編輯］李金甌