VLC application for indoor positioning (Chinese)

随着智能手机和移动互联网的发展，人们对导航和定位服务的需求日益增大。在图书馆这种复杂而庞大的室内环境中，读者经常需要确定移动终端与物品在室内的位置信息，并需要图书馆为其提供导航服务。以西北工业大学长安校区图书馆为例，其占地面积32 000 平方米，在如此巨大的室内空间内寻找所需要的图书资料，即使有传统路标和编目信息的帮助，对读者来说也不是一件简单的事情。

如果有图书馆室内导航服务，读者只需要在手机上输入需要的图书资料信息，图书馆室内导航服务系统通过对读者进行室内定位，结合地图信息，即可在读者手机上显示从当前位置到目标图书资料的路径信息。使用智能手机和移动互联网的图书馆室内导航服务系统将会给用户带来巨大的便利，具有重要的应用价值。

在图书馆室内导航服务系统中，室内定位是关键技术。虽然基于全球定位系统（GPS）的室外定位应用非常普遍，但是GPS 系统在建筑物内部接收的信号非常弱，因此无法在室内有效应用。目前使用较多的室内定位技术有蓝牙技术和Wi-Fi 技术。

蓝牙定位技术通过测量接收信号的强度来进行定位，适合短距离、小范围的定位。其缺点为设备昂贵、稳定性较差，不适合复杂的室内定位；Wi-Fi定位技术是通过测距方法计算用户到无线热点的距离。这种定位方法容易受其他信号的干扰，从而影响定位精度，并且定位器的能耗也比较高，不利于节能环保。

近些年来，可见光通信技术飞速发展，相对于传统的通信技术（如蓝牙和Wi-Fi），其具有低能耗、高速率、无电磁干扰等显著优点[3-4]。由于室内是可见光通信的天然场所，因此，基于可见光通信的室内定位方法得到广泛关注。使用可见光通信技术进行室内定位具有以下优势：

（1）低能耗。可见光通信系统的构成之一为使用通断发光原理传输信号的LED 灯，LED 灯是新一代的绿色照明设备，具有低能耗、使用寿命长、尺寸小和绿色环保等优点；

（2）定位精度高。由于LED 灯遍布室内，所以每次可用于定位的LED 灯数量较多，因此定位精度较高；

（3）广泛应用的室内定位技术。基于可见光通信的室内定位技术成本低、实现简单、无电磁干扰，可应用于复杂的室内环境和人口密集区域。

基于上述优点，可见光通信室内定位技术将会成为下一个研究和应用的热点。2015 年5 月21 日，飞利浦宣布在家乐福法国的一个旗舰店采用可见光通信实现超市室内导航服务。飞利浦通过在家乐福超市里布置约800 个LED灯，实现小于1 米精确度的定位服务。通用电器照明也在最近宣布进军可见光通信室内定位领域。

数字图书馆在不断前行，在探索未来发展的道路中，有一点可以肯定，那就是无论信息资源多么发达，电子资源永远都不能完全取代纸质资源，图书馆的传统服务不能完全被数字服务所代替。毕竟，用户对纸质资源的触感、视觉、取阅当中产生的声音信号和携带的真实感都能够刺激其感知，这些都是电子资源无法做到的。所以基于可见光通信的室内定位技术有着广泛的应用空间。

本文将提出基于可见光通信的图书馆室内导航服务系统和具体的定位方法。这种将室内定位导航和图书馆服务相结合的尝试在图情领域尚属首次，其将网络通讯新技术很好地运用到实际工作当中，契合数字图书馆的发展方向，并能够提高用户体验质量。这种创新性的尝试和举措可以很好地提高工作效率，给用户带来全新的体验方式。因此，基于可见光通信的图书馆室内导航服务研究具有重要的现实意义。

本文提出的基于可见光通信的图书馆室内导航服务流程如图1 所示。整个流程需具备如下设备：

（1）LED 灯。LED 灯为安装在图书馆室内已知位置的照明设备，每一个LED 灯使用一个小的集成电路，可通过通断电控制，让其发出唯一的闪烁光，对应唯一的编码信息。LED 灯发出的闪烁光大于120Hz，所以人眼无法看到这种闪烁，但是手机摄像头使用卷帘快门可扑捉到这种闪烁。LED 灯发射出的光，对应唯一的编码信息，并且对应唯一的位置信息。编码信息和位置信息的对应关系表存储在图书馆的导航服务器中。

（2）用户手持设备。用户在手持设备（如手机）中输入目标图书资源后，使用手持设备摄像头拍摄LED 灯；然后，手持设备上的应用程序对LED 进行解码，得到对应的编码信息；接下来，手持设备通过无线网络与图书馆导航服务器进行连接，查询导航服务器中的关系表，获取LED灯位置；最后，服务器上的应用程序使用室内定位算法得到手持设备的位置信息，并返回给手持设备，结合手持设备上的地图，将需要的导航信息显示到手机屏幕上。

（3）图书馆导航服务器。图书馆导航服务器存储LED灯编码和位置的对应信息、地图信息等。服务器强大的计算能力可辅助用户手持设备进行相关计算。例如，室内定位的计算涉及比较大的计算量，这部分的计算可以放到服务器中，用户手持设备只需要接收最后的结果。

基于可见光通信的图书馆室内导航服务流程包括以下几个步骤：

步骤一：输入目标资源。用户在手机屏幕上输入需要的目标图书资料，通过查询服务器中的地图，得到目标图书资源的具体位置信息，作为导航目的地。

步骤二：拍摄。用户使用手持设备拍摄最近的若干个LED 灯，摄像头使用卷帘快门获得这些LED 灯的闪烁信息。

步骤三：解码。采用图像处理技术，手持设备或服务器可以对拍摄到的闪烁信息进行解码，得到对应的编码信息。

步骤四：获取LED灯的位置信息。服务器端的应用程序在服务器上的编码位置对应表中进行查找，得到这些LED灯的位置信息。

步骤五：室内定位。图书馆导航服务器基于被拍摄的若干个LED 灯的位置信息，以及它们在手持设备摄像头中的成像信息，借鉴机器人定位的解决思路，采用基于多个LED 灯的定位方法，得到手持设备的位置和拍摄角度信息，作为导航的起点和方向。

步骤六：导航。图书馆导航服务器使用路径寻找算法，得到从起点到目的地的导航信息，这些信息将会被发送到用户的手持设备上，结合手持设备中的加速度传感器，为用户提供导航服务。

在网络数字化时代，数字化图书馆在不断尝试日新月异的变革和发展，以满足读者需求为主导模式。图书馆正在转变为能够提供各种信息服务的信息空间，以跨入以信息资源共享为目标的全新领域。如何能够借助于网络通信技术帮助读者全方位、快速获取到所需要的图书资源，满足其基本的服务需求，这是一项最基本且重要的工作。

图书馆应利用现代化信息技术，不断完善和发展导航服务体系，以资源和信息作为对象，以创新服务手段为桥梁，构建完善、高效的信息服务机制。伴随移动互联网时代的到来，图书馆信息技术进入了一个新的阶段，即由资源导向发展为用户导向。

本文提出的借助于当前全新的可见光通信技术来实现图书馆室内导航，可帮助读者快速、有效地获取到所需的图书资源，提高了找书的效率与服务的质量。这是将可见光通信技术和图书馆传统服务结合起来的首次尝试，旨在更好地服务于读者，提高读者在图书馆的用户体验。本文提出的新设计思路为图书馆下一步的研究方向提供了有价值的参考。