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基于可見光通信的圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)*

牛悅劉秋讓（西北工業(yè)大學(xué)圖書館 陜西 西安 710072）

相對(duì)于傳統(tǒng)的藍(lán)牙、Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)，基于可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)具有低能耗、定位精度高和普適性的優(yōu)點(diǎn)。全新的可見光通信技術(shù)能夠滿足圖書館室內(nèi)導(dǎo)航的應(yīng)用需求，幫助讀者快速、有效地獲取到所需的圖書資源，提高其找書的效率及服務(wù)質(zhì)量。基于可見光通信的圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)是將可見光通信室內(nèi)定位技術(shù)和圖書館傳統(tǒng)服務(wù)結(jié)合起來的首次嘗試，具有重要的研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

可見光通信室內(nèi)定位室內(nèi)導(dǎo)航LED燈

隨著智能手機(jī)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對(duì)導(dǎo)航和定位服務(wù)的需求日益增大。在圖書館這種復(fù)雜而龐大的室內(nèi)環(huán)境中，讀者經(jīng)常需要確定移動(dòng)終端與物品在室內(nèi)的位置信息，并需要圖書館為其提供導(dǎo)航服務(wù)。以西北工業(yè)大學(xué)長安校區(qū)圖書館為例，其占地面積32 000平方米，在如此巨大的室內(nèi)空間內(nèi)尋找所需要的圖書資料，即使有傳統(tǒng)路標(biāo)和編目信息的幫助，對(duì)讀者來說也不是一件簡單的事情。如果有圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)，讀者只需要在手機(jī)上輸入需要的圖書資料信息，圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)通過對(duì)讀者進(jìn)行室內(nèi)定位，結(jié)合地圖信息，即可在讀者手機(jī)上顯示從當(dāng)前位置到目標(biāo)圖書資料的路徑信息。使用智能手機(jī)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)將會(huì)給用戶帶來巨大的便利，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1　室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)比較

在圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)中，室內(nèi)定位是關(guān)鍵技術(shù)。雖然基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的室外定位應(yīng)用非常普遍，但是GPS系統(tǒng)在建筑物內(nèi)部接收的信號(hào)非常弱，因此無法在室內(nèi)有效應(yīng)用。目前使用較多的室內(nèi)定位技術(shù)有藍(lán)牙技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)。藍(lán)牙定位技術(shù)通過測量接收信號(hào)的強(qiáng)度來進(jìn)行定位，適合短距離、小范圍的定位[1]。其缺點(diǎn)為設(shè)備昂貴、穩(wěn)定性較差，不適合復(fù)雜的室內(nèi)定位；Wi-Fi定位技術(shù)是通過測距方法計(jì)算用戶到無線熱點(diǎn)的距離[2]。這種定位方法容易受其他信號(hào)的干擾，從而影響定位精度，并且定位器的能耗也比較高，不利于節(jié)能環(huán)保。

近些年來，可見光通信技術(shù)飛速發(fā)展，相對(duì)于傳統(tǒng)的通信技術(shù)（如藍(lán)牙和Wi-Fi），其具有低能耗、高速率、無電磁干擾等顯著優(yōu)點(diǎn)[3-4]。由于室內(nèi)是可見光通信的天然場所，因此，基于可見光通信的室內(nèi)定位方法[5-6]得到廣泛關(guān)注。使用可見光通信技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位具有以下優(yōu)勢：

（1）低能耗。可見光通信系統(tǒng)的構(gòu)成之一為使用通斷發(fā)光原理傳輸信號(hào)的LED燈，LED燈是新一代的綠色照明設(shè)備，具有低能耗、使用壽命長、尺寸小和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)；

（2）定位精度高。由于LED燈遍布室內(nèi)，所以每次可用于定位的LED燈數(shù)量較多，因此定位精度較高；

（3）廣泛應(yīng)用的室內(nèi)定位技術(shù)?；诳梢姽馔ㄐ诺氖覂?nèi)定位技術(shù)成本低、實(shí)現(xiàn)簡單、無電磁干擾，可應(yīng)用于復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境和人口密集區(qū)域。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，可見光通信室內(nèi)定位技術(shù)將會(huì)成為下一個(gè)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。2015年5月21日，飛利浦宣布在家樂福法國的一個(gè)旗艦店采用可見光通信實(shí)現(xiàn)超市室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)[7]。飛利浦通過在家樂福超市里布置約800個(gè)LED燈，實(shí)現(xiàn)小于1米精確度的定位服務(wù)。通用電器照明也在最近宣布進(jìn)軍可見光通信室內(nèi)定位領(lǐng)域[8]。

2　研究的重要意義

數(shù)字圖書館在不斷前行，在探索未來發(fā)展的道路中，有一點(diǎn)可以肯定，那就是無論信息資源多么發(fā)達(dá)，電子資源永遠(yuǎn)都不能完全取代紙質(zhì)資源，圖書館的傳統(tǒng)服務(wù)不能完全被數(shù)字服務(wù)所代替。畢竟，用戶對(duì)紙質(zhì)資源的觸感、視覺、取閱當(dāng)中產(chǎn)生的聲音信號(hào)和攜帶的真實(shí)感都能夠刺激其感知，這些都是電子資源無法做到的。所以基于可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用空間。

本文將提出基于可見光通信的圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)和具體的定位方法。這種將室內(nèi)定位導(dǎo)航和圖書館服務(wù)相結(jié)合的嘗試在圖情領(lǐng)域尚屬首次，其將網(wǎng)絡(luò)通訊新技術(shù)很好地運(yùn)用到實(shí)際工作當(dāng)中，契合數(shù)字圖書館的發(fā)展方向，并能夠提高用戶體驗(yàn)質(zhì)量。這種創(chuàng)新性的嘗試和舉措可以很好地提高工作效率，給用戶帶來全新的體驗(yàn)方式。因此，基于可見光通信的圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3　基于可見光通信的圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)流程

本文提出的基于可見光通信的圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)流程如圖1所示。整個(gè)流程需具備如下設(shè)備：

（1）LED燈。LED燈為安裝在圖書館室內(nèi)已知位置的照明設(shè)備，每一個(gè)LED燈使用一個(gè)小的集成電路，可通過通斷電控制，讓其發(fā)出唯一的閃爍光，對(duì)應(yīng)唯一的編碼信息。LED燈發(fā)出的閃爍光大于120Hz，所以人眼無法看到這種閃爍，但是手機(jī)攝像頭使用卷簾快門[9]可撲捉到這種閃爍。LED燈發(fā)射出的光，對(duì)應(yīng)唯一的編碼信息，并且對(duì)應(yīng)唯一的位置信息。編碼信息和位置信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系表存儲(chǔ)在圖書館的導(dǎo)航服務(wù)器中。

（2）用戶手持設(shè)備。用戶在手持設(shè)備（如手機(jī)）中輸入目標(biāo)圖書資源后，使用手持設(shè)備攝像頭拍攝LED燈；然后，手持設(shè)備上的應(yīng)用程序?qū)ED進(jìn)行解碼，得到對(duì)應(yīng)的編碼信息；接下來，手持設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)與圖書館導(dǎo)航服務(wù)器進(jìn)行連接，查詢導(dǎo)航服務(wù)器中的關(guān)系表，獲取LED燈位置；最后，服務(wù)器上的應(yīng)用程序使用室內(nèi)定位算法得到手持設(shè)備的位置信息，并返回給手持設(shè)備，結(jié)合手持設(shè)備上的地圖，將需要的導(dǎo)航信息顯示到手機(jī)屏幕上。

（3）圖書館導(dǎo)航服務(wù)器。圖書館導(dǎo)航服務(wù)器存儲(chǔ)LED燈編碼和位置的對(duì)應(yīng)信息、地圖信息等。服務(wù)器強(qiáng)大的計(jì)算能力可輔助用戶手持設(shè)備進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。例如，室內(nèi)定位的計(jì)算涉及比較大的計(jì)算量，這部分的計(jì)算可以放到服務(wù)器中，用戶手持設(shè)備只需要接收最后的結(jié)果。

基于可見光通信的圖書館室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)流程包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一：輸入目標(biāo)資源。用戶在手機(jī)屏幕上輸入需要的目標(biāo)圖書資料，通過查詢服務(wù)器中的地圖，得到目標(biāo)圖書資源的具體位置信息，作為導(dǎo)航目的地。

步驟二：拍攝。用戶使用手持設(shè)備拍攝最近的若干個(gè)LED燈，攝像頭使用卷簾快門獲得這些LED燈的閃爍信息。

步驟三：解碼。采用圖像處理技術(shù)，手持設(shè)備或服務(wù)器可以對(duì)拍攝到的閃爍信息進(jìn)行解碼，得到對(duì)應(yīng)的編碼信息。

步驟四：獲取LED燈的位置信息。服務(wù)器端的應(yīng)用程序在服務(wù)器上的編碼位置對(duì)應(yīng)表中進(jìn)行查找，得到這些LED燈的位置信息。

步驟五：室內(nèi)定位。圖書館導(dǎo)航服務(wù)器基于被拍攝的若干個(gè)LED燈的位置信息，以及它們?cè)谑殖衷O(shè)備攝像頭中的成像信息，借鑒機(jī)器人定位的解決思路[10]，采用基于多個(gè)LED燈的定位方法，得到手持設(shè)備的位置和拍攝角度信息，作為導(dǎo)航的起點(diǎn)和方向。

步驟六：導(dǎo)航。圖書館導(dǎo)航服務(wù)器使用路徑尋找算法，得到從起點(diǎn)到目的地的導(dǎo)航信息，這些信息將會(huì)被發(fā)送到用戶的手持設(shè)備上，結(jié)合手持設(shè)備中的加速度傳感器，為用戶提供導(dǎo)航服務(wù)。

4　結(jié)　語

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化時(shí)代，數(shù)字化圖書館在不斷嘗試日新月異的變革和發(fā)展，以滿足讀者需求為主導(dǎo)模式。圖書館正在轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛱峁└鞣N信息服務(wù)的信息空間，以跨入以信息資源共享為目標(biāo)的全新領(lǐng)域。如何能夠借助于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)幫助讀者全方位、快速獲取到所需要的圖書資源，滿足其基本的服務(wù)需求，這是一項(xiàng)最基本且重要的工作。圖書館應(yīng)利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，不斷完善和發(fā)展導(dǎo)航服務(wù)體系，以資源和信息作為對(duì)象，以創(chuàng)新服務(wù)手段為橋梁，構(gòu)建完善、高效的信息服務(wù)機(jī)制。伴隨移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，圖書館信息技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，即由資源導(dǎo)向發(fā)展為用戶導(dǎo)向。

本文提出的借助于當(dāng)前全新的可見光通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)圖書館室內(nèi)導(dǎo)航，可幫助讀者快速、有效地獲取到所需的圖書資源，提高了找書的效率與服務(wù)的質(zhì)量。這是將可見光通信技術(shù)和圖書館傳統(tǒng)服務(wù)結(jié)合起來的首次嘗試，旨在更好地服務(wù)于讀者，提高讀者在圖書館的用戶體驗(yàn)。本文提出的新設(shè)計(jì)思路為圖書館下一步的研究方向提供了有價(jià)值的參考。

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牛 悅 女，1981年生，碩士，主要研究方向?yàn)閳D書館信息服務(wù)發(fā)展、學(xué)科服務(wù)建設(shè)、未來數(shù)字圖書館的發(fā)展。劉秋讓 男，1967年生，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要研究方向?yàn)閳D書館信息服務(wù)發(fā)展、數(shù)字圖書館發(fā)展建設(shè)，已發(fā)表論文十余篇。

Library Indoor Navigation Service Based on Visible Light Communication

Comparing with traditional Bluetooth and Wi-Fi indoor localization methods, indoor localization method based on Visual Light Communication (VLC) has the advantages of low power consumption, high precision and ubiquity.The brand new visiual light communication technique can meet the library indoor navigation application needs, help readers quickly and effectively to get the books they want, and improve the efficiency of the reader to find books and the service quality.This work is the first attempt to combine VLC-based indoor localization and traditional library services, so it has an important research value.

Visual light communication; Indoor localization; Indoor navigation; LED lamp

G252

A

* 本文系西北工業(yè)大學(xué)政策研究基金項(xiàng)目“基于海量語義數(shù)據(jù)處理平臺(tái)LarKC的圖書館信息服務(wù)研究”的成果之一，項(xiàng)目編號(hào)：ZYY201414。

2015-06-15 ]