智慧图书馆iBeacon定位技术的系统构建研究

刘 丽

（黑龙江工业学院图书馆，黑龙江 鸡西 158100）

智慧图书馆iBeacon定位技术的系统构建研究

刘 丽

（黑龙江工业学院图书馆，黑龙江 鸡西 158100）

面对信息文明的数字化浪潮，信息技术的指数级增长给当前的图书馆智慧服务提供了发展背景。文章通过分析iBeacon技术原理，提出了构建图书馆智能定位系统的设计目标、系统架构、系统运行流程、定位算法以及位置服务，最后描述了iBeacon定位技术在智慧图书馆服务中的应用前景。

智慧图书馆；智能定位；iBeacon

信息时代的到来，使得图书馆的资源储备、服务与管理模式都发生了极大的变化，如今的图书馆已打破传统的“藏书阁”坐等读者入馆的经营模式以“智慧”的引入，使其能够凭借丰富的馆藏资源以及迅猛发展的信息网络和高新技术，为读者提供更加高效、便捷的服务体验，不断满足用户的信息需求。

图书馆丰富的馆藏资源在为读者提供肆意畅读快感的同时，也面临诸多问题——走在浩瀚的书海中，读者往往会迷失其中。如何能够让读者步入图书馆的一刻，便能收到图书馆导航，享受轻松便捷的用户阅读体验？如何能够让读者高效、准确地寻找到所需图书？如何在最短的时间内获取阅览室座位信息？当读者置身图书馆，如何能够迅速将新上架图书和近期图书馆活动信息及时推送到读者手中，让读者享受到互动性更强的阅读体验？

iBeacon作为通用蓝牙技术的变革，借助其低功耗，低成本，普及面大的优势，实现了移动应用从线上服务向线下实体延伸、走向情景化服务的转变[1]。就图书馆而言，利用iBeacon功能这一极好的近场感知网络技术，能够实现精准定位、智能导览、点对点通讯、签到投票、即时支付等功能，使读者在图书馆服务方面提供更多选择，从而吸引读者参与图书馆互动，提升图书馆的服务质量。

1 iBeacon技术及其技术原理

1.1 iBeacon技术简介

iBeacon是苹果公司于2013年9月发布的一项通过蓝牙进行室内精准定位的技术，它是一种基于低功耗蓝牙的通信协议[2]。其工作方式是，配备有iBeacon协议的低功耗蓝牙设备向周围发送自己特有的ID，当智能手机等移动设备靠近iBeacon基站时，设备感应到该ID可用于数据传输，接收到该ID的应用软件（APP）会根据该ID采取一些行动，精确定位用户在图书馆的位置，为手持智能手机的消费者提供基于位置的相关信息，让“正确的信息”在正确的时间和地点提供给“正确的用户”。因此iBeacon需要和拥有低功耗蓝牙的设备进行交互，他们的交互通过APP来实现。

图1 iBeacon技术的工作方式Fig.1 iBeacon Operdtion mode

iBeacon具有设备部署成本低，安卓和ios同时支持，定位精度高，无需布线，部署简单等优势[3],它的出现让图书馆的位置定位信息更加精确。如一本书、一张桌子、一把椅子等很多的实际物体都有条件具有了定义自己地理位置标识的能力。

1.2 技术原理

iBeacon是苹果公司在iOS 7中推出的一种近场定位技术，可以感知一个附近的iBeacon信标的存在。具体来讲，由于每一个智能移动设备都有一个唯一的ID(UUID+Major+Minor)。iBeacon利用这种特性，在一个区域内广播自己的信号，通过这种方式它就完成了对一个特定的区域的标记。当用户拿着手机进入iBeacon的范围时，手机中的APP将会被唤醒，这样手机就可以感知到用户的地理位置发生了变化，判断是否要触发一些事件。同理，当其退出一个iBeacon信标标识的区域时，iOS和支持iBeacon的APP就能得知这一信息，从而对用户发出相应的通知。那么一个iBeacon设备的BLE数据是如何组成的呢？

图2 iBeacon的数据格式Fig.2 iBeacon Data format

我们试着从Estimote beacon拦截一段iBeacon广告数据包[4],下面是截获的数据包，经APPLE修正的数据格式，整理如下：

02 01 06 1A FF 4C 00 02 15: iBeacon prefix (fixed)

B9 40 7F 30 F5 F8 46 6E AF F9 25 55 6B 57 FE 6D: proximity UUID (here: Estimote’s fixed UUID)

00 49: major

00 0A: minor

C5: 2’s complement of measured TX power

Proximity UUID（16个字节，B9 ...6D）：这是将你所有的beacon与其他人的beacon设备区别开的id，用于区分不同厂商或重大版本更新。例如，图书馆里某阅览区分布的为顾客提供特定信息服务的多个beacon，会形成一条“链带”，当用户步入这条“链带”，则归属于同一条“链带”的beacon将分配到相同的proximity UUID。为这条“链带”设计的专用应用程序将会在后台使用这个UUID扫描到这条“链带”中的beacon设备。

Major编号（2个字节，00 49）：用于将相关的beacon标识为一组。例如，图书馆每个阅览区里所有的beacon将会分配到相同的major编号。通过这种方式，应用程序就能够知道用户顾客位于哪一层，哪一阅览区。

Minor标号（2个字节，00 0A）：用于标识特定的beacon设备。例如图书馆里的每一个beacon设备都拥有唯一的minor编号，这样你才能够知道用户位于图书馆的具体位置。

最后一个值，TX power（C5=197，根据2的补码测得256-197=-59dBm），用于校准iBeacon距离测量结果，可以获取精确到米的距离。然而，在实际应用中，由于墙壁、人体或者其它通信阻碍物都有可能削弱信号，因此这个距离只是一个估算值。

2 图书馆智能定位系统的构建

目前，iBeacon因其精确的室内定位导航功能，已经越来越多地被应用于医院、博物馆、学校、商场等领域。笔者以智慧图书馆为例，利用iBeacon技术对图书馆智能定位系统进行目标设计和系统架构。

2.1 定位系统的设计目标

（1）在GPS信号不能达到的区域，如阅览室等室内场所中发挥它精准实时的定位能力。

（2）通过管理后台的管理和配置，实时、动态地实现基于线下微位置的各种应用，定位和获取数据分析和统计。

（3）通过针对不同需求读者的个性化推送信息给予读者更好的服务。

（4）通过室内定位技术的导航吸引更多的读者。

（5）利用智能终端实现交流互动、弹幕评论等互动活动。

（6）读者在不同区域和楼层，不同时间段可以收到不同的阅读推介或活动消息。

（7）基于记录的用户动线轨迹，触发不同的消息推送。

（8）提供数据报表，分析读者阅读倾向、驻留时间和阅读关联性等。

2.2 系统架构

在iBeacon之前，智能设备几乎无法感知环境，用户或许可以用搜索的方式寻找到一个位置，但当你到了这个位置时你的设备却一无所知。而Beacon可以以一个很低的硬件成本在网络上分配智能资源，一个Beacon作为一个网络的节点，能够接收所有符合某个APP规则的事务的数据。同时，Beacon的ID都是独一无二的，类似IP，所以可以认为Beacon为现实世界的一个个地点打上了URL。

在整个Beacon架构中，Beacon基站起到在前台收发信号的作用，大量的信息处理、数据分析在后台完成。这就需要强大的云计算与大数据做为支撑。也就是说，Beacon基站主动推送信息的同时，用户的ID信息也同时上传，基站不会处理这些信息，最终还是要跟云计算对接。 根据ID，可以分析用户的喜好，系统会推荐合适的信息。这有点类似于淘宝的“猜你喜欢”。在现实中，读者在图书馆浏览或借阅一次图书后，当他再次来到图书馆，云平台的大数据就可以通过以往的查询解约信息，推测其阅读习惯，并向读者推介可能感兴趣的信息或者近期馆内活动等。如果读者经常借阅某一学科领域的图书资料，通过智能分析，系统会推送一些该专业或相关专业的信息资源，以供读者选择使用。也可以认为，如果没有云计算的支持，那么Beacon基站只是一个孤立的节点。这也正是Beacon应用发展最关键的一点，云计算做得不够好，则不足以支撑Beacon应用真正的到来。

2.3 系统运行流程

（1）进行iBeacon硬件的部署，并要求与之感应的手机等移动终端要求为蓝牙4.0、ios7以上或安卓4.3以上的系统。

（2）每台iBeacon设备就像一部小型电脑，发送小的数据包，这些数据包可以承载任何我们想要的数据，智能移动设备启动监听，感知到附近有Beacon 设备，建立图书馆室内地图与服务平台之间的连接，通过iBeacon来连接线上线下用户。也就是说，当图书馆的蓝牙基站感知到用户已进入其信号范围内，服务提供者立即向手机APP端提交申请，并将其映射到申请者提供的服务上。

（3）智能设备搭载的APP随后计算与iBeacon设备的距离（immediate,near,far)进行定位。

（4）当智能移动设备进入或者离开iBeacon信号辐射不同范围时，可以触发APP形成各种应用，进而展示在终端应用页面上。这个信息推送是移动终端APP里的定制应用，用户只有安装了该应用，才能具备接受推送的能力。

2.4 定位算法

iBeacon是一个基于BLE(低功耗蓝牙技术)的2.4G射频技术，根据射频场强随距离衰减的模型计算距离，其定位精度可以达到米级。因为射频信号传播本身就受环境干扰大不稳定。因此分成Immediate，Near，Far三个级别。[5]而利用iBeacon可以判断出用户是否在某个位置附近，以及大致的距离。下面看看利用iBeacon进行定位的一些算法：

（1）单点定位：在识别设备位置时，如果有Near范围内的iBeacon，则取该iBeacon点的坐标。采用这种方式来进行室内定位的话，可以通过密集部署iBeacon定位设备来达到比较高的精准定位，比如图书馆功能区的定位。也可以实现精度要求比较低的室内定位，如图书馆导航识别现在的位置，可接受的精度应该在3-5米范围内。

（2）两点定位：一条直线，部署两个点。用户在两点之间的某一点时，通过RSSI信号来计算距离比例，判断用户的位置。X/Y = n；用户的范围是一条双曲线，然后根据距离用户最近的iBeacon点的Accuracy值判断用户位置。

（3）多点定位：寻息的实践中，还可以记录每一个点的坐标，然后根据测得的RSSI值进行复杂的计算，得出用户的坐标位置。这种方案对部署要求较高，需要较准确地标记设备的坐标，这种定位设置适合于阅览区图书到定位。

在这三种方式中，多点定位的算法难度是最高的，而且也是大多室内定位应用中采用的方法，可以实现精准定位。因此iBeacon直接测距不准，但是如果室内空间内有多个beacons，并且拓扑合理，倒是能达到比较好的室内定位效果。

2.5 位置服务

一般来说，一个Beacon基站可以覆盖50米半径的距离，但也因情况而定。一是手机感应到蓝牙信号，这个距离可以做到50-100米；第二是手机端的APP，它认可的信号要在更近的距离内。也就是说它并非检测到信号，就认定为用户在那里，一定要离得更近才会确认。举一个例子，假设把Beacon信号做到半径为一公里的范围都能感应到，这并不代表手机必须对感应到的信号做出反应，必须在信号够强时，如在距离10米的时候，APP才认可你到了Beacon基站附近[6]。而对于设计者来说，我们希望读者随身携带的便携移动设备距离Beacon基站3米的时候，才能找到他需要的图书。该技能可以在应用里做一个强制性限制，因为如果信号覆盖的半径范围太大，即使在图书馆外的教师或宿舍就能找到图书，但是没有达到读者触手可及的效果，对于读者来说，可谓是一种“望梅止渴”的遗憾。

另外，Beacon基站发出的信号也会受到例如墙壁、柱子、金属物等的阻挡而衰减。这就需要在前期进行人工的现场校准和勘察。而理论上Beacon基站布放，只需做一个三角定位就可以确定位置。但实际上，需要大量的人力去校准和维护整个布放环境。

3 iBeacon定位技术在智慧图书馆服务中的应用

3.1 智能导航

当你带着一部智能机走进图书馆，这意味着你已经进入了覆盖全馆的iBeacon信号区域，iBeacon基站便可以向你的iPhone传输各种信息，APP将会弹出窗口提示，在地图上显示当前所在的楼层和所处的阅览室位置，甚至可以获取到阅览室的详细信息。

3.2 信息推送

当你走到某排书架前时，iBeacon还会提供个性化的书目信息推介，它可以监测读者光顾某一地理位置的次数，根据读者的阅读倾向，记住“老读者”，从而为您量身定制“您可能喜欢阅读的书目”信息。

3.3 活动推介

当你步入图书馆各功能区时，iBeacon将向您做所在位置的功能介绍以及图书馆近期将举行的各项活动等信息，并在传感信号提示下自动为您播放视频介绍。

3.4 便捷支付

当你需要支付图书滞纳金或污损丢失赔书款时，iBeacon的布置，使你不必到收款处，你的手机直接就会弹出账单界面，你只要轻触“一键支付”，即完成了付款。

3.5 签到互动

进入图书馆的读者通过手机摄像头扫描到位置二维码信息获得签到提示框，读者只需点击“确认签到”按钮，通过iBeacon定位系统，将读者所处的位置指纹与二维码信息一同上传至服务器端，再将结果返回客户端，提示读者“签到成功”。

3.6 自助服务

在iBeacon定位系统覆盖范围内，图书、书架、iBeacon节点的位置互相映射，实时定位读者当前所处的位置，当读者在移动终端的APP上检索到所需图书时，系统会显示出该书籍所在位置，并进行最优路径规划，以减少读者在书架间的寻路时间，指导读者找到所需图书，从而提高读者阅读体验。

3.7 互助求助

当读者在图书馆进行阅读体验遇到问题，需要馆员协助时，读者可以开启在线咨询模式与馆员进行互动，或发出求助信息，馆员可通过求助者的位置定位，第一时间找到该读者，对其进行现场指导，以此提升馆员形象，提高读者满意度。

4 结语

物联网技术的飞速发展，再一次焕发了图书馆服务转型和服务创新的生机与活力。线上、线下、数据、技术、服务的完美结合，诞生了一种新的图书馆位置定位系统。新技术的应用与发展必然推动图书馆的有机生长，我们希望借助iBeacon技术，成为一种加速物联网落地、加速智慧图书馆落地，加速图书馆服务升级并使其智慧化的有利武器。

[1]黄悦深,刘敏.Beacon在基于位置的移动图书馆服务中的应用[J].图书情报工作，2015（3）：73-77.HUANG Yueshen,LIU Ming,Beacon Application in Mobile Library Location Baed Service[J].Library and Information Service,2015(3): 73-77.(in Chinese)

[2]邵波、连朝曦、刘啸.基于iBeacon的图书馆智能定位系统构建[J].图书馆学研究，2016(9): 12-17.SHAO Bo,LIAN Zhaoxi,LIU Xiao.The library positionmg sytem Based on iBeacon[J].Research on Library Science,2016(9): 12-17.(in Chinese)

[3]iBeacon Brief Introduction.[EB/OL].http://wenku.baidu.com/link?url=jP6XUsqatUcPMnNFG25yMg8QlPwYv5itAug WCJzqam2k9zq1NKbnw5YhLy6ulLecp8Ex_07RItDBjeLV2 JvH2r09n3uYrL1CEt1EC6pB40W.

[4]IBeacon detuiled anrotation.[EB/OL]: http://wenku.baidu.com/view/11012782be23482fb5da4cb7.html.

【责任编辑：高潮】

Research on the System Construction of iBeacon Positioning Technology in the Smart Library

LIU li
（Heilongjiang Institute of Technology Library,Jixi 158100,China）

In the face of the wave of inform ation civilization,the exponential growth of inform ation technology has provided the background f or the development of library smart services.Through the analysis of the principle of iBeacon technology,this paper puts forward the cons truction of library intelligent pos itioning system design objectives,systemarchitecture,system operation process,the algorithm of positioning and location services,and finally describes the application prospect of iBeacon technology in smart library service.

smart library; intelligent positioning ;iBeacon

G250.7

A

1672-6332（2017）03-0040-05

2017-4-10

刘丽（1980-），女(汉），山西代县人，馆员，硕士，主要研究方向：数字图书馆的发展。E-mail: Liuliuokok@163.com