近年來，隨著無線技術(shù)和移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，以及Bluetooth，Wifi，GPRS等無線技術(shù)的日趨成熟，同時(shí)，各種無線定位技術(shù)的出現(xiàn)，極大的方便了生活，推進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展。藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)作為一種短距離無線通訊技術(shù)，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的無線電空中接口(Radio AirInterface)，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來，使各種3C設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。利用藍(lán)牙設(shè)備近距離范圍內(nèi)相互通信的特性，結(jié)合TOA算法，并全面考慮實(shí)際應(yīng)用中信號衰減、障礙物阻隔等情況，就可以實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的藍(lán)牙定位系統(tǒng)，再進(jìn)一步結(jié)合Web、數(shù)據(jù)庫等后臺(tái)支持，可以開發(fā)一套圖書館藍(lán)牙自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端書籍自助查詢與導(dǎo)航功能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能
圖書館書籍定位系統(tǒng)由三部分組成：安裝在用戶手機(jī)上的定位軟件(客戶端)，后臺(tái)服務(wù)器以及分布在圖書館里的藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)，如圖1所示。
客戶端實(shí)現(xiàn)了用戶在手持設(shè)備無線查詢書籍以及用戶的定位導(dǎo)航功能。用戶首次登錄軟件后，軟件通過無線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫下載地形和藍(lán)牙點(diǎn)分布的XML文件，并根據(jù)文件描述繪制出圖書館地形圖。之后用戶可以在書籍查詢界面以書名，作者，ISBN方式模糊查詢所需要的書籍。用戶選擇書籍后，軟件將所選書籍的位置標(biāo)注在地圖上，同時(shí)開啟藍(lán)牙，檢測周邊藍(lán)牙信號點(diǎn)信號強(qiáng)度并進(jìn)行定位。定位成功后軟件自動(dòng)計(jì)算用戶從當(dāng)前位置到書籍位置的最佳路徑，并標(biāo)注在地圖上。同時(shí)，在用戶找書的過程中，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)測量用戶所在位置，實(shí)時(shí)更新最佳路徑，引導(dǎo)用戶找到所需書籍。
后臺(tái)服務(wù)器儲(chǔ)存書籍詳細(xì)信息、圖書館地形圖以及各個(gè)藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)分布情況。并及時(shí)響應(yīng)用戶的不同請求。
藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)分布在整個(gè)圖書館內(nèi)，信號范圍覆蓋整個(gè)圖書館，每個(gè)藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)有自己惟一的ID標(biāo)識號，當(dāng)用戶定位時(shí)通過標(biāo)識號即可從配置文件中知道此藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)的位置。
通過三個(gè)子系統(tǒng)的分工合作，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了查詢定位導(dǎo)航一體化的高效圖書查詢功能。
2 定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 定位系統(tǒng)客戶端軟件設(shè)計(jì)
軟件采用Windows Mobile 6.0作為開發(fā)平臺(tái)，多普達(dá)838手機(jī)作為軟件測試平臺(tái)，使用C#編程實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)手機(jī)內(nèi)置藍(lán)牙協(xié)議棧，直接調(diào)用Winsock API搜索周圍藍(lán)牙設(shè)備并得到信號強(qiáng)度信息。軟件主要分為四部分：書籍搜索部分；地圖繪制引擎部分；藍(lán)牙定位部分；路徑計(jì)算部分。
書籍搜索 用戶在搜索界面里(圖2)選擇搜索條件(書名，ISBN，作者)輸入關(guān)鍵字進(jìn)行搜索，數(shù)據(jù)包利用HTTP協(xié)議通過無線網(wǎng)絡(luò)以POST請求方式發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器解析出關(guān)鍵字(Query Word)后查詢數(shù)據(jù)庫得到書籍詳細(xì)信息，并序列化(Serialization)為標(biāo)準(zhǔn)XML，文檔通過HTTP協(xié)議返回到用戶手機(jī)。軟件反序列化(Deserialization)這些信息并呈現(xiàn)給用戶。
地圖繪制引擎 在獲得圖書館地形描述的XML數(shù)據(jù)后，繪制引擎解析文檔中的地形輪廓、書架位置以及藍(lán)牙點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶選擇地圖界面時(shí)，繪制引擎生成地圖，并將人物當(dāng)前位置、計(jì)算好的最佳路徑繪制到地圖上，最后顯示在PietureBox中(圖3)。
藍(lán)牙定位 定位系統(tǒng)每隔2 min搜索周圍藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)，并把ID號有效的10個(gè)藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)存人隊(duì)列中。每10 s從隊(duì)列中選取6個(gè)點(diǎn)并且三三組合測試信號強(qiáng)度并利用TOA算法估算出用戶所在位置，最后從得到的20個(gè)點(diǎn)中計(jì)算中心位置作為當(dāng)前用戶位置。
路徑計(jì)算 系統(tǒng)得到用戶位置后，路徑計(jì)算系統(tǒng)通過啟發(fā)式搜索算法計(jì)算出用戶到書籍的最短路徑，并儲(chǔ)存在內(nèi)存中。[!--empirenews.page--]
2.2 定位系統(tǒng)服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)
服務(wù)器端使用Asp.net開發(fā)，具備以下3項(xiàng)主要功能：在線書籍查詢；在線幫助服務(wù)；客戶端配置更新。
當(dāng)接收到客戶端書籍查詢請求時(shí)，在線書籍查詢根據(jù)請求類型查詢數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)并以XML文檔的形式返回結(jié)果。書籍信息包括書名，作者，所在的書架，這樣通過書架位置就可以大致確定書的確切位置。所有數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，極大地方便了用戶。
圖書館地形信息以及藍(lán)牙點(diǎn)分布圖的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。地形信息包括圖書館的形狀以及各個(gè)書架的位置、長度，以數(shù)據(jù)庫表的形式存放。藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)分布圖包括每個(gè)藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)位置，惟一標(biāo)識符(ID)。手機(jī)客戶端可以通過客戶端自動(dòng)更新模塊獲得這些信息。
3 關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與研究
3.1 藍(lán)牙定位原理
3.1.1 傳統(tǒng)測量算法
(1)通過傳播時(shí)間測量方法
它通過在已知傳播速度的情況下，無線電波傳播的距離與它傳播的時(shí)間成正比。但上述方法存在兩個(gè)問題，影響了方法的使用性：
時(shí)鐘精度 因?yàn)樗{(lán)牙信號的傳播速度很快，又考慮到各種延遲，所以為了減小測量誤差必須使用高精度的時(shí)鐘，時(shí)間單位采用ns，這對硬件的要求過高，不實(shí)用。
時(shí)鐘同步 參與同一個(gè)定位過程的參考點(diǎn)之間必須保證時(shí)鐘的同步，這樣才能保證測量結(jié)果的正確性和精度。
(2)信號衰減測量方法
在理想的傳播環(huán)境下，無線信號的衰減與1／r2成正比(其中r為傳播距離)。但實(shí)際上，無線信號在空間傳播時(shí)能量的衰減是多種因素共同作用的結(jié)果，而不單單與傳播距離有關(guān)。在一個(gè)地形地物較為復(fù)雜的環(huán)境中，無線信號傳播時(shí)的衰減會(huì)受到反射、折射、多徑效應(yīng)等多種因素的影響，所以這種利用能量衰減測量距離的方法不如傳播時(shí)間測量方法精度高。
3.1.2 改進(jìn)的TOA算法
從可行性和精度兩個(gè)方面綜合考慮之后，我們決定采用依靠經(jīng)驗(yàn)的定位方法：它同樣是基于無線電波能量來定位的，不同的是它不是根據(jù)能量衰減與距離平方的正比關(guān)系來計(jì)算距離，而是通過一個(gè)數(shù)據(jù)庫來記錄一定數(shù)量的參考位置的信號強(qiáng)度，然后把待測物體檢測到的信號強(qiáng)度與之相比而得到待測物體的信號強(qiáng)度。如果參考位置足夠多的話，這種方法具有很好的精度，并且不受實(shí)際地理位置的影響，因?yàn)閰⒖嘉恢谜菑膶?shí)際的測量中來的。這種方法的一個(gè)缺陷是它要求每次實(shí)施時(shí)要測量大量的參考位置上的信號強(qiáng)度，并且隨著時(shí)間推移，地理環(huán)境必定會(huì)有所改變，這時(shí)又要對所有的參考位置重新進(jìn)行測量。
如圖4所示，系統(tǒng)從檢測到的有效藍(lán)牙點(diǎn)(通過ID判斷)選取三個(gè)點(diǎn)利用圖3所示方法定位。我們檢測到的信號強(qiáng)度值在263～230，隨著距離增大而減小，但不是線性變化。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)0～3 m，3～6 m，6～9 m區(qū)間內(nèi)可以近似成三個(gè)線性區(qū)間。于是分別測量并統(tǒng)計(jì)了一些藍(lán)牙點(diǎn)0，3，6，9 m的信號強(qiáng)度值，用來輔助計(jì)算。藍(lán)牙信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖5所示。
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我們把用戶便攜設(shè)備(手機(jī))接收到的信號強(qiáng)度值與它到該藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)的距離擬合為三個(gè)線性的函數(shù)，信號強(qiáng)度與距離的函數(shù)關(guān)系為：
距離在[0，3]m時(shí)：Bi=257.323 1*di-1.028 8即di=(1.028 8+Bi)／257.323 1；
距離在[3，6]m時(shí)：Bj=255.192 6*dj-0.5045即dj=(0.504 5+Bj)／255.192 6；
距離在[6，9]m時(shí)：Bk=270.625 6*dk-3.083 3即dk=(3.083 3+Bk)／270.625 6；
此時(shí)，設(shè)用戶手機(jī)終端(M)位置為(x，y)，藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)BSi，BSj，BSk的坐標(biāo)分別為(xi，yi)，(xj，yj)，(xk，yk)，用戶從M到BSi，BSj，BSk的距離為：di，dj，dk，則下式成立：
每次定位用戶手機(jī)終端從搜索到的有效藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)中每10 s從隊(duì)列中選取最多6個(gè)點(diǎn)并且三三組合測試信號強(qiáng)度。之后分別利用上述算法估算出用戶所在位置，最后從得到的20個(gè)點(diǎn)中計(jì)算中心位置作為當(dāng)前用戶位置。如果搜索到的有效藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)小于3個(gè)則休眠半分鐘后繼續(xù)尋找，直到找到為止。如果測試得到的信號強(qiáng)度值不在230～270之間，系統(tǒng)則會(huì)重新測試其信號強(qiáng)度，如果仍然沒有得到正確結(jié)果系統(tǒng)會(huì)暫時(shí)拋棄這個(gè)藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)，搜索其他有效藍(lán)牙信號發(fā)射點(diǎn)進(jìn)行定位。
3.2 尋路原理
尋路時(shí)使用啟發(fā)式廣度優(yōu)先搜索算法。在盲目廣度搜索算法中，人所在的每一個(gè)可行位置都可以有4個(gè)方向可以行走(前、后、左、右)，向任意一個(gè)方向行走后如果沒有遇到障礙，則將新的狀態(tài)裝在一個(gè)隊(duì)列里，然后每次再從隊(duì)列里取出一個(gè)新的狀態(tài)來進(jìn)行擴(kuò)展，直到走到要找的書那里(終點(diǎn))。人走的每一個(gè)新節(jié)點(diǎn)都要記錄下來上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號，最后經(jīng)過回溯找到從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑。用一個(gè)自定義的結(jié)構(gòu)體Queue來記錄節(jié)點(diǎn)。
在找出路徑后，將其記錄在類的一個(gè)私有列表成員List<Path>TLP中，其中Path為自定義的結(jié)構(gòu)體，記錄路徑上的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。
4 結(jié) 語
通過藍(lán)牙技術(shù)和定位導(dǎo)航技術(shù)相給合，實(shí)現(xiàn)了圖書館書籍定位導(dǎo)航系統(tǒng)。本文論述了書籍定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究了改進(jìn)的TOA定位算法在藍(lán)牙定位中的應(yīng)用。研制的系統(tǒng)極大地縮短了在圖書館查找圖書的時(shí)間，方便了人們的生活，并且本系統(tǒng)在室內(nèi)定位的實(shí)際應(yīng)用中仍不斷的改進(jìn)，還可以做出各種改進(jìn)以適應(yīng)更多的具體應(yīng)用，如在博物館、展會(huì)等地方，實(shí)踐證明本文給出的圖書館書籍定位導(dǎo)航系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。
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