基于WIFI室内定位技术的移动图书馆服务策略探究

●王智刚（郧阳师范高等专科学校图书馆，湖北十堰442000）

基于WIFI室内定位技术的移动图书馆服务策略探究

●王智刚（郧阳师范高等专科学校图书馆，湖北十堰442000）

WIFI；室内定位；移动图书馆；图书馆服务

随着图书馆的建筑面积和服务职能范围不断扩大，图书馆功能结构将变得越来越复杂，急需一种室内位置服务技术。本文介绍了一种基于WIFI室内定位技术的移动图书馆技术，提出了一些新的图书馆服务策略。

1 室内定位系统（IPS）应用于图书馆的背景

现在，GPS芯片、蓝牙模块已经成为智能手机默认必配组件。基于此组件的百度、谷歌地图服务，凯立德导航系统等已经得到广泛应用，移动位置服务（Loeation Based Serviee，简称LBS）将成为移动互联网标准配置。然而，虽然从这些十分普及的便携式导航设备到备受推崇的自动驾驶汽车，甚至是巡航导弹的制导，所有这些应用技术的实现，都是基于全球定位系统（GPS）以及格洛纳斯全球卫星导航系统（GLONASS）。显然，它们都有美中不足的两个地方：①只能在空旷的地表工作；②只能定位二维世界的设备。［1］

现代图书馆建筑面临两个问题：①馆舍面积庞大结构复杂；②服务功能逐渐增多。据教育部高等学校图书情报工作指导委员会公布的《2012年高校图书馆发展报告》［2］显示，2006～2012年，高校图书馆的馆均建筑面积呈持续增长趋势，新建单体建筑面积逐渐扩大。2012年，高校图书馆已建和在建馆舍均建面积都达到2.2万平方米。如中山大学图书馆10.7万平方米，厦门大学在建6.8万平方米的巨无霸馆舍。图书馆除了面积在不断增大，也正在朝着多功能、综合化的方向发展。现代图书馆不仅是文献信息中心，同时也是集文化交流、学习科研、休闲场所为一体的多功能综合服务体。庞大的建筑面积和结构功能的复杂性，加大了读者利用图书馆的难度，疏离了图书馆与读者之间的联系。对于这些复杂的“水泥森林”，GPS设备一旦进入，就会因为建筑物的遮挡，无法与“天上的星星”说话了。在此背景下，人们把定位功能转向了室内。因此，室内定位系统（Indoor Positioning System，IPS）应运而生。IPS主要有两种功能：①准确定位移动设备在室内的具体位置；②提供与位置相关的各种信息服务。

2 WIFI的室内定位系统应用于图书馆的原理及实现

目前实现无线室内定位技术主要有射频识别技术（RFID）、蓝牙技术、ZigBee技术、红外线室内定位技术、超声波定位技术以及WIFI技术。

2.1 图书馆选择WIFI室内定位技术的理由

首先，基于WIFI网络的无线定位技术，由于其设备体积小、成本低廉、使用广泛、稳定性好、能高速高质量传输数据。从表可以看出，WIFI定位技术在众多IPS技术中优势明显。其次，IPS技术要求能提供针对位置的信息服务，也就是需要在服务器与终端之间传输数据，WIFI带宽最高，数据流量产生的费用最低廉。再次，因为WIFI布局成本低廉（单个AP价格最低几十元），很多图书馆已经WIFI全覆盖，为WIFI室内定位技术提供了必要条件，不需要再在全馆布局设备。最后，由上述CNNIC的统计数据来看，终端设备普及率已经非常高，尤其是在高校，拥有智能手机的青年学生读者已接近100%，图书馆不需要投入购买终端设备。由此可见，WIFI室内定位技术的优点，加上现在图书馆的现有环境和读者对象的现有条件，是最适合作为图书馆IPS系统的。

2.2 WIFI室内定位系统的原理

WIFI室内定位技术，是基于计算机802.11b/g/n/ac无线标准，在不需要额外添加硬件设备（如芯片、天线等），就可以实现建筑物室内定位系统。基于WIFI的室内定位系统，主要有终端侧定位和AP侧定位两种方式。AP侧定位方式由建筑物内分布的基站，采集移动终端上传的信号，通过定位算法计算接收到的终端信号强度，进而获得终端位置信息；移动终端侧定位方式，是由移动终端采集各个基站下传的信号作定位运算，从而获得位置信息。最早基于WiFi室内定位系统是微软开发的RADAR系统，它采用射频指纹匹配方法，从指纹库中查找最接近的K个邻居，取它们之间坐标的平均值作为坐标估值。［3］RADAR系统基于RSSI信号的统计特性，采用贝叶斯公式，通过计算目标位置的后验概率分布进行定位。WIFI定位过程一般由以下几个步骤完成。

（1）RSSI测距。接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）测距是利用已知位置的接收机来测量目标发射机的信号强度，根据已知信道衰减模型及发射信号值来估算收发射机之间的距离而实现定位。首先，无线信号衰减和传播距离之间是有一定关系的。WIFI所用频段为微波频段，因此，可以利用微波工程技术分析WIFI信号与距离的关系。WIFI无线信号传输衰减和距离的关系公式如下：

表三种IPS技术指标比较

由公式（1）可以得知，自由空间同一AP的电波，其电波信号衰减只与工作频率（f）和传播距离（d）有关。当频率或距离增大一倍时，电波传输衰减（Lfs）将增加6dB。因此，根据此原理，可以测算出移动WIFI设备与无线AP之间的距离。

在实际应用环境中，由于障碍物、反射、多径等环境因素，无线电波传输路径损耗与理论值相比有些变化。所以在应用中，一般会采用对数-常态分布模型（公式（2）），计算AP收到移动端设备路径的信号衰减。

公式（2）中，PL（d）为WIFI信号经过距离d后的路径损耗（dB）;d0为参考距离（单位为m）；X6为平均值为0的高斯分布随机变数，其标准差范围为4～10；n为路径损耗指数，是一个与环境相关的值，其范围在2到5之间。这样，根据公式（2）可以得出未知移动设备接受AP信号时的信号强度为：RSSI=发射功率+天线增益-路径损耗（PL（d））。

图1RSSI测距模型与实际距离对比

图1 是一份研究人员用RSSI测距模型试验测试结果曲线图。由图3可以看出，实际应用中的实测结果与RSSI模型非常接近，移动设备与AP越近，误差越小，定位越准确。

（2）三角质心算法定位。RSSI测距能够测算出未知WIFI移动设备离每个AP的距离。3个固定的AP能够确定一个面，如果能够依据RSSI测距原理，分别算出未知WIFI设备离这三个AP的距离，就能够依据几何原理，推算出未知WIFI设备的具体坐标。这就是目前被广泛引用于GPS等各类定位系统的三角定位原理（原理图2如下）。［4］

图2 三角定位算法

假设已知三个WIFI的坐标为A（Xa，Ya）、B（Xb，Yb）、C（Xc，Yc），与未知节点的距离分别为ra，rb，rc，可通过数学公式求出Moble的坐标，从而实现定位。

（3）定位算法优化进一步提高精确度。目前，研究WIFI室内定位技术机构有很多，但大体上都是先依据RSSI测距原理，测算AP与移动设备间的距离，然后用三角质心算法定位。为了进一步提高精度，很多研究机构都在思考用不同的数学建模算法，在此基础上进一步提高精确度。常见的有贝叶斯滤波优化算法，GDGC-TCL算法等。［5］

2.3 WIFI室内定位系统构架

在以上研究成果的基础上，我们可以搭建基于WIFI的室内定位系统（见图3）。

（1）图书馆建筑内部WIFI系统。首先，图书馆建筑内要有一个符合要求的WIFI无线网络。根据研究人员反复的RSSI测距试验得出的结论，距离越远，测距精度越低。一般说来，WIFI信号强度高于-65dB时，才能够得到较为满意的定位精度。所以，首先，在布置AP时，要保证室内所有位置的WIFI信号强度满足这一要求；其次，因为采用三角定位算法，还得保证室内需要定位的位置，至少能够搜索到3个AP。

（2）定位分析软件。无论是GPS导航系统，还是基于射频识别技术（RFID）、蓝牙技术、ZigBee技术、红外线室内定位技术的定位系统，都是物理技术手段，最终都得有一套相应的软件系统来使用这些硬件设备和技术。例如，目前，已经商用的WIFI室内定位系统，就由相应的软件组成，如：图聚（Palmap+）、西门子Wi-Fi Positioning等。［6］

（3）服务器系统。服务器系统主要由控制网络的服务器、定位分析系统服务器、客户端使用的web服务器、数据库服务器以及实现图书馆基于位置信息服务的服务器组成。

（4）移动客户端系统。移动终端利用WIFI室内定位系统，首先要实现的是定位功能，所以，客户系统首先要能够接收定位分析软件反馈的位置信息，然后要能使用图书馆基于位置服务的信息。

图3 WIFI定位系统架构

3 嵌入移动图书馆的WIFI定位服务类型

现在，大多数高校图书馆已经有了自己的移动图书馆。无论你的移动图书馆是基于C/S模式，或是基于B/S模式，图书馆WIFI室内定位系统嵌入其中，将是一个明智的选择。一方面能够防止读者因为厌烦而放弃使用WIFI室内定位系统，另一方面，因为用户黏度的原理，能够增加移动图书馆或者是WIFI室内定位系统的使用率。再者，它与移动图书馆整合，能够实现更多的服务类型（见图4）。嵌入移动图书馆的WIFI室内定位系统，能实现的主要功能有七个。

图4 移动图书馆应用服务架构

（1）签到服务。传统的图书馆管理，读者进入图书馆，无论是传统的手工签到，还是光笔扫描读者证记到，亦或是现代化的门禁系统记到，都是大多数图书馆为了统计读者流量的方法。依据图书馆WIFI室内定位系统，服务器后台能够轻而易举地获取读者的到馆信息。

（2）图书馆导航和引导服务。图书馆可以依据馆舍建筑结构图制作图书馆导航地图，上传至移动图书馆，让携带移动WIFI设备的读者明白自己所处的位置，以及此处附近的服务设施，包括饮水机、自助打印机、卫生间、馆舍布局等。依据导航地图，读者可以选择最近的线路，引导读者快速到达目的地。突发自然灾害，如地震和火灾时，读者还可以依据导航线路快速逃生。

（3）跟踪及图书馆服务营销。依据WIFI室内定位系统，我们可以确定读者的具体位置和运动轨迹，依据读者的历史运动轨迹数据，可以分析出读者感兴趣的图书馆服务场所。然后，可以结合读者使用移动图书馆（如书目查询，个人账户个性化设置，读者借阅史等）的历史数据，分析出读者获取信息内容的喜好。当读者步入图书馆某一区域时，我们可以根据读者的喜好推送此区域内读者感兴趣而又未使用过的信息资源，从而提供个性化服务。另外，系统还可以将图书馆新提供的服务或是新书信息等，推送给附近读者。

（4）社区交流。目前，国内微信、陌陌等即时通信软件，用LBS实现查找附近的人并建立联系功能，受到众多年轻人的青睐，并给这些新生软件带来了众多客户群。图书馆WIFI室内定位系统可以依托移动图书馆，开发基于位置的社区交流平台。图书馆的资源结构有其规律性，不同的区域有不同的学科资源，进入同一区域的读者，往往有相似阅读兴趣的，可以通过社区交流平台，让这些兴趣相同的读者联系在一起，形成一个个学术微群，建立虚拟信息共享空间。

（5）图书检索及智能“寻书”服务。图书馆从卡片目录时代进入OPAC书目检索时代，是一个革命性的过程。OPAC书目检索能够很好地定位书刊馆藏的书库位置。但是，读者对于繁琐的图书分类法往往总是一知半解，很难很好地运用。加之现在的开架书库越来越大，即便读者通过OPAC检索到了书刊所在的书库位置，往往也会在书库中花很长的时间来“定位”自己的目标。通过嵌入WIFI室内定位系统的移动图书馆，读者可以通过图书馆导航地图，生成导航线路，直达目标所在的书库。更重要的是，工作人员在制作图书馆导航地图数据库时，将每个房间内书架信息进一步细化，按图书排架顺序制作成导航地图，实现智能寻书。

（6）订座服务。图书馆自习室占座问题困扰着众多图书馆管理者。有些图书馆借鉴实验室预约系统开展订座服务。但这种单向的订座服务因缺乏有效监管容易造成“订”而不“坐”的情况发生，会产生空位情况，无法充分利用资源，从根本上解决占座问题。结合WIFI室内定位系统，预约订座服务能够很方便地监控读者是否在座位上，从而杜绝占位现象发生。

（7）读者数据分析和管理。为了更好地服务读者，提高服务效率，图书馆往往会跟踪读者数据进行分析。传统的读者分析数据主要来源于到馆次数、流通量、借阅频率和借阅排行等。而通过嵌入WIFI室内定位系统的移动图书馆，我们可以深入地挖掘读者利用图书馆的行为数据。WIFI室内定位系统可以跟踪每一位读者在图书馆的行动轨迹。首先，这有利于我们监控馆内通道流量，预防安全事故的发生；其次，可以据此改造图书馆功能布局，优化馆藏布局结构，提升服务质量。

4 存在的问题与对策

4.1 技术问题

WIFI室内定位系统的基本原理，是依据微波信号定位。但除了WIFI，目前蓝牙、UMB、RFID、ZigBee等多种技术均使用的是2.4GHz无线频率。当大量使用这些技术的设备同时工作时，如何保证室内定位的用户体验是一大难题。目前业界正在研究使用2.4GHz和5GHz的双频产品以及使用2.4GHz、5GHz和60GHz的三频WiFi产品来解决这一问题。［7］另外，WIFI室内定位系统的定位精度还不高，最大误差有时能达到8米，这对于智能寻书等服务是一个挑战。不过，研究人员的定位算法在不断优化，也可通过进一步改善无线AP布局，能够进一步提高定位精度。而且，现有商用软件声称，最大误差能控制在1米以内。这些都为WIFI室内定位精度的提高提升了信心。

4.2 安全隐私问题

信息安全问题，现有的WiFi室内定位技术不需要用户连接到指定的WiFi网络，只需要用户打开WiFi开关就可以获得用户的位置。因此，这些未经授权的位置服务会损害读者的切身利益。图书馆在实际应用时，首先，要设计合理的机制来维护读者的信息安全；其次，要开发适当的应用模式，充分尊重读者自身意愿，以保证读者在使用IPS的同时实现自主授权，确保恰当地分享合适的信息。

［1］王雪莉，等.无线定位技术及其在地下矿山中的应用［J］.金属矿山，2009，4：121－125.

［2］教育部高等学校图书情报工作指导委员会.2012年高校图书馆发展报告［EB/OL］.［2013－03－15］. http://www.scal.edu.cn/sites/default/files/attachment/zxdt/ 2012fzbg.pdf.

［3］雷地球，等.一种基于WiFi的室内定位系统设计与实现［C］//第19届全国多媒体学术会议（NCMT 2010）论文集.2010：6.

［4］卢恒惠，等.基于三角形与位置指纹识别算法的WiFi定位比较［J］.移动通信，2010（10）：72－76.

［5］姜莉.基于WiFi室内定位关键技术的研究［D］.大连：大连理工大学，2010.

［6］董晓霞，等.基于物联网的智能图书馆设计与实现［J］.图书馆杂志，2011（3）：65－68.

［7］魏纵横.射频识别室内定位技术及应用研究［D］.广州：华南理工大学，2010.

G250.78；G252.8

A

1005－8214（2015）06－0102－04

王智刚（1978－），男，郧阳师范高等专科学校图书馆网络工程师。

2014－10－20［责任编辑］李金瓯