蓝牙4.0技术在智慧图书馆的应用

李雪虹

（厦门市图书馆，福建 厦门 361000）

智能技术改变了人们的生活环境，尤其是智慧生活理念下，人们对室内高精度定位的要求越来越高。室内设备因为建筑物的阻隔致使卫星定位的精确度下降，因此，使用传统卫星定位技术管控室内设备显得捉襟见肘。为此，开发出新的室内定位技术，弥补传统卫星定位的缺陷成为了重要研究课题。室内定位技术可以弥补卫星定位无法穿透建筑物、地面信号不稳定等问题。常见的室内定位技术有蓝牙、Wi-Fi、超声波以及红外线等定位技术。相对于传统的GPS 定位技术来说，室内定位技术快捷方便、成本低、可操作性强，适合大型商场、图书馆以及住宅区等设施使用[1]。在“智慧图书馆”建设中，如何在复杂的图书馆等高层建筑内精确定位图书位置以及读者所在室内位置，为读者提供高质量的导航服务也成为建设智慧图书馆的重要课题。传统的基于位置的定位服务（ILBS）是一种基于位置信息的定位服务，可以帮助使用者实时获取位置信息、周边环境信息、信息推送和路径导航等信息，从而达到智能化的目的。

1 蓝牙技术

1.1 蓝牙4.0介绍

在2010 年7 月蓝牙4.0 规范得以问世，这是在蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）的基础上发展而来的，除了原有的蓝牙技术优势之外，还将开发出低成本、低功耗、大范围、高速、高稳定性的蓝牙4.0。

在常规情况下，0.6～1.2 ms 蓝牙通讯的方法需要使用16～32 个通信通道连接不同的通讯设备，因此蓝牙设备即便是在待机状态也有非常高的能耗。对于蓝牙4.0来说其通信所需要的信道数量相较于传统设备减少了3个，因此其待机能耗更低，单次通讯花费的时间也更短，传统阶段需要22.5 ms，4.0只需要0.6～1.2 ms即可[2]。与蓝牙3.0相比，它可以将功耗降低90%以上。蓝牙4.0 对能耗需求非常低，即便是普通的纽扣电池也可以保证该设备保持一年以上的待机时间。因为4.0 有能耗方面的优势，因此，这类设备开始应用在特殊场景中。另外，其信号的传递范围可以达到毫米级，最大可达50 m。

1.2 BLE协议介绍

从通讯协议上看，蓝牙4.0 使用BLE 协议栈，其中有控制器和主机2 个部分。L2CAP 上部主要是主机端，HCI 层之下的部分被称为控制层。自下而上的顺序看，协议堆叠层次非常多，从物理层开始经过链路层到达安全管理层以及通用属性剖面等，如图1 所示。

图1 协议分层结构

物理层：在物理层，利用FM技术降低了对环境的影响，同时，Bluetooth4.0将2.402 MHz至2.48 MHz的频率段分成了40 个通道，并设置了2 Mhz 的频率区间。而Bluetooth RF 通道包含了一个广播通道和一个数据通道，将RF 通道的0,12,39 表示为一个广播通道，该通道属于数据通道，由37个RF组成。

链路层：具体来说，链路层有5 种不同的状态，其中包括广播状态、连接状态、就绪状态等，不同状态之间相互转化的关系展示如图2所示。

图2 链路层状态

链接层默认的情况是处于待机的状态，在这个情况下，不需要传输或者接收信息，一个装置就可以从其他情况转换为备用。被广播的装置，可发出一条广播消息，或发出一条扫描应答，以对被主动扫描的装置作出反应，并侦听潜在的应答分组。此发明公开了一种具有透明信息的装置，用于在结束该广播之后，该装置可以处于一种准备好的状况，并在接到该发起方的一种联接要求后，该装置便处于联接状态。装置在被扫视的情况下，可以从一个广播频道接受信息。在一个联接的情况下，2 台装置能够互相传输资料通道信息包。

2 智慧图书馆

2.1 智慧图书馆的概念

智慧图书馆（Smart Library）从实质上来看，是通过更为智慧的方法，采用新型的信息技术来对馆内的资源信息进行相互传递，目的是增强信息交互的相应速度以及灵活程度，以此来实现智慧图书馆的所有功能。

所谓的智慧图书馆指的是将人工智能技术和人类的智慧相互结合，赋予传统图书馆智、大、云和物的特征，也就是智慧（Artificial Intelligence）、大数据（Big Data）、云服务（Cloud Service）和物联网（Internet of Things）。建设智慧图书馆应当严格按照能力检验、服务主导等原则进行，确保建设目标的智能化水平，以保证图书馆满足人们的需求[3]。其最高级的境界就是每一个环节都能被图书馆智能地实现，不需要人为的介入，从而实现“智慧”的境界。

2.2 智慧图书馆的特点

按照组成结构分析，智慧图书馆分成3 个不同的层次，包括感知层、应用层及网络层，这3 个层次缺一不可，是智能化核心。其中，传感层的作用是对目标进行数据收集和对象辨识，对阅读过程中获取的书籍信息、环境温度、湿度和读者个人信息等经过处理。应用层则是具体的应用模块，也是智慧图书馆功能实现的基础，其目的是为了达到智能化管理和人性化服务。这3 个方面互相依赖，又相互作用，这样才可以确保读者拥有更高的读书体验。具体来说，智慧图书馆具备3个方面的优势。

2.2.1 深度感知

在现实应用中，物联网取得了不错的成绩，图书馆领域中也有很多物联网技术应用的案例。比如将传统图书馆和物联网技术相互结合可改变工作人员手工统计的方式，借助门禁系统自动记录进出人员的信息，读者只需要通过RFID 一卡通就能够获得进入图书馆的权限，同时刷卡的时候个人信息也会录入到门禁系统，这为工作人员科学管理读者信息提供了便利。目前，除RFID阅读器外，还有温、湿、有害气体等感应器。

2.2.2 互联互通

与传统图书馆对比，智慧图书馆的自由性更高、开放程度更大、共享能力更强。智慧图书馆综合了云平台、现代计算机、4 G、Wi-Fi 等新型技术，智慧图书馆能够让馆内各个地区之间相互联系起来，也能够实现图书馆内外数据共享，有助于加速数据融合，确保图书馆以及读者之间相互沟通。智慧图书馆内不仅可以存放大量书籍，还能够精确管理每一本图书的信息。

2.2.3 智慧服务

智慧图书馆最明显的特征就是具有较高的智能化。总体上看，智能图书馆通过网络信息技术精确定位图书馆内的资源，实现资源整合和精确推送等能力。比如智能图书馆中引进了RFID 技术，通过该技术可以自动完成借书、还书的操作。这种智能化技术还可以为读者提供更高质量的服务，进而提高读者的阅读效率。智能图书馆还可以在智能代理技术的推动下帮助用户快速完成阅读所需。这种技术可以自动为用户提供个性化服务，有精准推送的功能。比如清华大学机器人“小图”和南京大学的“图宝”等都可以利用大数据分析技术整理图书馆内读者的信息，并且可以判断用户的实际需求，还可以利用大量的科研数据保证用户服务的个性化水平。智能图书馆也可以借助云计算和数据挖掘等先进技术智能化分析用户的信息，进而为用户提供更理想的服务体验。比如华东师范就引进了大数据分析技术[4]。

3 蓝牙4.0技术在智慧图书馆的应用

3.1 基于蓝牙4.0技术的室内定位

目前，国内有许多建筑规模较大的图书馆，如南京理工大学建设的图书馆占地面积超过45 000 m2，复旦大学医学中心的10 033 m2，南京大学还建设有社夏图书馆，武汉理工大也有规模较大的图书馆，2个大学的图书馆面积分别是51 223.8 m2和80 000 m2，厦门市的图书馆有60 000 m2，地上有6层，地下有2层。借助于Bluetooth导航，能迅速找到电梯、厕所、饮水机、学习交流室等。随着各个大型图书馆的大力推行，其职能日益复杂化，划分日益细化。对于低频次进入到图书馆的读者来说，如何为这些读者提供快速和便捷的图书信息就成为了当前图书馆进一步升级的关键。随着当前的定位技术越发完善，室内定位技术分成了2 种不同的发展方向。一种是广域视角上的室内定位，另一种则是局域范围的室内定位[5]。前者有GPS、地面数字通信等尖端科技；无线保真、蓝牙、Zigbee、RFID 等局部室内定位技术。对Bluetooth技术的效能和难度进行比较，见图3。

图3 定位技术性能—难易对比图

从图3可以看出，从性能和精度的角度来看，使用Bluetooth 更适合于室内定位。现在市面上大部分的智能机都配备了Bluetooth4.0功能，这对于普及来说是非常方便的。

蓝牙4.0 的核心算法为三角形定质心位算法，这种算法以A（xa，ya）、B（xb，yb）以及C（xc，yc）为3个信标节，将目标节点M的坐标设定为（x，y），就像在图4中看到的那样。

图4 三边测量法图示

选择3 个信标节点，以这些点作为圆心，这样，得到不同点到目标点M的距离ra、rb、rc就能够精确定位M点，其计算方式如式（1）所示。

3.2 基于蓝牙4.0室内定位在智慧图书馆的应用

为了适应高层建筑内的物品定位需求，室内定位技术受到重视，并且出现了三维导航、图书导航和提前预约等技术，同时当前的室内定位技术有着较大的发展潜力。

3.2.1 3D导航

当读者走入图书馆的时候，可以用自己的手机，在里面找到一个三维的导航。当用户开启蓝牙时，图书馆内置的蓝牙基地台会精确地锁定用户目前所处的地点，并将此时此刻的地点显示在移动终端上。3D 导航功能，可以满足读者的导航需求，让读者能够快速地、准确地游览馆内信息。

3.2.2 座位预约系统

智慧图书馆的建设除了为读者提供良好的读书环境之外还需要满足读者的多元化需求，因此在智慧图书馆中应当配置休闲娱乐、电子阅览及培训等不同的功能区域。在图书馆各功能区域，座椅的使用规定也各不一样，座椅预定制度有助于图书馆员对座椅进行科学的安排。座位预定有2 种模式，一种是主动预定，另一种是外围推送。当读者在图书馆中，任何时候都想要找到一个可以坐下来的地方，只要用自己的手机进行蓝牙定位，该系统就会根据距离的先后顺序，将用户所处周围的空闲位置自动地推给他们，这样就可以让他们能够更快地获得最好的空闲座位。

3.2.3 图书导航

当前，许多大学图书馆和公共图书馆的藏书数量庞大，想要在复杂的楼层中更好地寻找到自己需要的书籍，可以利用蓝牙4.0的室内定位技术，与图书馆3D 导航相结合。由于图书馆内有足够多的蓝牙基站，能够确保在室内的位置准确率在1 m 之内，这样就能够给予读者提供更加精确的导航路线。

3.2.4 信息推送

现阶段互联网技术进入到快速发展期，大部分用户开始普及智能手机，人们能够很容易地获得大量的资讯。近期，很多图书馆都开始重视线上业务的重要性，纷纷开发出微信公众号或者是小程序，主动地向读者推荐信息。在智慧图书馆中，只要读者打开智能手机的蓝牙功能就能够借助公众号快速登录个人信息，也可以及时了解图书馆内的资讯和其他新书信息。

3.3 图书馆无线办公网络的路由机制

通过蓝牙4.0可以打造出更加完善的无线办公环境。建设这一机制的基础有如下几个方面：首先，应当共享图书馆内的各类智能化设备，实现文件和设备共享。其次，使用蓝牙设备对内部网络和局域网进行无线接入。最终，在办公室网中，利用某种路由方式，使不同的微微网相互连接起来。按照使用者的具体需求构建多个微微网组合在一起的无线网络通信机制，保证这个网络内的不同主体可以高效互通。网络内的各主体通信只能在办公网络中通信，而不是在局域网中进行，因此，必须要有一种特定的路由，以确保不同的微微网之间可以正常连接和互动。合适的路由能够增强通信范围，还可以降低通信带来的网络负荷。通过蓝牙连接LAN 的访问接口，采用RJ45 插头，为了实现蓝牙功能，在计算机和各类电子产品上都需要配备一个普通的蓝牙硬件。通过该硬件和不同的终端连接，但是应当注意的是，建立通信通道的2 个设备的物理距离需要保持在100 m 范围内，并且一个蓝牙设备最多可以同时连接7个其他设备。

3.4 图书馆蓝牙4.0局域网的网关功能

在办公室内使用的蓝牙移动终端，它利用无线保护本地网和互联网，其局域网的网关有如下作用：（1）实现通信协议转化，确保TCP∕IP 和蓝牙2种协议相互转化，从而实现办公网络中蓝牙移动终端的无线上网。（2）基于安全原则，通过使用自己的IP地址和TCP接口，精确定位和识别无IP地址的蓝牙设备，比如打印机等。（3）按照路由分配机制精确定位和追踪移动类型的蓝牙设备，以确保网络内的移动设备始终保持通畅连接，保证这类设备可以顺利接入到LAN 或其他微微网内的蓝牙移动终端。（4）通过2 台分别隶属于2 台微型网络的蓝牙手机，实现了蓝牙手机的漫游和转接。其中，蓝牙网关起到了蓝牙网桥的功能，起到了一个中继器的功能。

4 结语

随着数字技术的广泛运用，“智能”的新形态正在向“智能”“绿色”和“共享”三个方向发展。让读者享有与时代相适应的新业务，使读者获得愉快的智慧体验；在摆脱枯燥的重复工作之后，图书馆馆员能够花费更多的时间去提高自己的信息素质，提高自己的服务水平，从而为读者提供更深层次的服务；新时期，为了满足新的需求，图书馆对传统建筑和管理观念进行了转变，从而可以更好地为读者提供智能化的服务，加强了图书馆文化主阵地的功能。