普適計算中的定位感知系統

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引 言

隨著計算機計算能力不斷呈指數型的增長以及硬件的微型化，各種計算型的小器件應運而生。由于其重量和體積都足夠小，用戶能夠隨身攜帶，因而被應用在各個領域。

Mark Weiser 在《21世紀的計算機》一文中這樣描述：計算機硬件技術的飛速發展以及無線通信技術的不斷成熟，造就了新一代普適計算（Ubiquitous Computing）的典范。普適計算設想這樣一種計算環境：人們生活在一個充滿各種各樣的計算型小器件當中，這些器件通過足夠帶寬和速度的有線或無線網絡完全互連。網絡家電便屬于這種計算機系統中的一個功能單元，它們能夠積極有效地為用戶提供各種所需的信息。

普適計算的特點是服務設備無處不在，并已完全融入人們的日常生活中，即這種計算機系統對用戶是完全透明的，計算機技術已在人們生活中得到了充分的應用。普適計算的目的是充分發揮計算機系統的功能，利用它們更好地為人們服務，極大地提高人們的生活質量。

1 定位感知系統

定位感知系統是普適計算環境中的重要組成部分之一。在不考慮用戶個人隱私問題的前提下，如何動態獲取用戶的位置信息，而且得到的位置信息必須能夠達到一定的精確度，一般誤差控制在幾cm以內；如何為用戶積極主動地提供各種所需服務，這些都是定位感知系統必須能夠實現的功能。現在世界上已有的成熟系統大都只能實現簡單的定位功能，這些系統一般都遵循傳統的請求-應答模式。

在請求-應答模式中，用戶要得到所需信息必須先向服務系統提出請求，系統響應后給出回復，按照要求的格式提供信息。我們稱這種模式為被動模式。采用被動模式的系統無法滿足用戶動態信息的需求，無法積極智能地主動提供服務，而且同一時間服務的對象一般只能有一個。

定位感知系統必須采用主動模式系統，它能夠同時為多個用戶提供服務。系統能夠根據自己取得的信息主動向用戶進行廣播，說明自己能夠提供的服務；用戶按照自己的所需，獲取自己的信息。主動模式系統其最小規模必須擁有兩個功能系統：定位系統（Locating System）和位置系統（Location System），我們稱之為L2系統。

1.1 L2系統

首先必須正確區分定位系統與位置系統。它們之間的核心區別在于，定位系統的重點在于獲取對象所在的位置信息，而位置系統則側重于獲取特定位置上的對象集。為了更好地說明問題，我們應用數學上映射的概念加以描述。

假設有位置集L={l1，l2，l3}，有對象集O={o1，o2，o3，o4，o5，o6}，對象o1、o2、o3在位置l1，對象o4、o5在位置 l2，對象o6在位置l3。我們用映射λ：O→L來表示定位系統實現的功能，用映射：L→P（O）表示位置系統實現的功能，則有圖1所示的映射圖。



由映射圖可知有如下等式成立：
λ（o1）=λ（o2）λ（o3）= l1
λ（o4）=λ（o5）= l2
λ（o6）= l3
ω （l1） = P1 ={ o1，o2，o3}
ω（l2） = P2 ={ o4，o5}
ω（l3） = P3 ={ o6}

目前應用比較成熟的相關系統主要有：3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）工作組實施的GMLC（Gateway Mobile Location Center）系統，由AT&T實驗室開發的Bat系統，由康斯坦斯大學開發的Mobile Shadow系統。

GMLC系統屬于被動模式的定位系統，通過GSM系統，利用三角算法來定位對象。每一用戶都配備一個蜂窩電話，并向GSM網絡注冊申請一個唯一的網絡數據服務（NDS）號碼，系統通過這一號碼進行定位服務。此技術用映射關系表示為λ（NDS）=l。

AT&T實驗室開發的 Bat系統是一種主動模式的定位系統。其核心思想是利用一種無線設備Bat發射超聲波脈沖來實時測量室內對象的三維位置。其功能用映射關系表示為 λ（Bat）=l。這一系統的定位技術可用來為普適計算中的室內定位感知系統服務，但其缺陷是使用了有線網絡而并非適用于普適計算的無線網絡。

康斯坦斯大學開發的Mobile Shadow系統是一種主動模式的位置系統。它的基本思想是為每一個用戶設置一個唯一的用戶代理，用戶代理利用WLAN單元來實現獲取本地對象集P的功能，用映射關系表示為（WLAN 單元）= P。但是，實現這一系統的協議所使用的是專門為移動用戶設計的移動代碼技術。

普適計算中的定位感知系統必須是定位系統與位置系統兩者的緊密結合。正如下面將要提出的簡單模型一樣，室內的用戶每移動到一個新的位置，系統必須能夠實時進行精確定位，然后確定這一特定位置的對象集信息。利用這些信息，定位感知系統能夠積極主動地向用戶廣播所能提供的各種信息，從而使用戶能夠有效地選擇自己所需要的信息。

1.2 幾種可行的定位技術

① 低頻射頻。低頻傳感器一般工作在一些特定的頻率，如418MHz、433MHz、900MHz等。采用低頻射頻技術的系統中必須存在射頻發射器和射頻接收器，系統利用信號的到達時差（TDOA）或者信號的長度來測量對象的三角位置。但是這種技術的定位誤差太大，一般為1~3m，因此不能為普適計算所用。

② 紅外線。采用紅外線定位技術的系統，一般通過移動設備在一個預定的時間間隔內發射紅外波來實現。系統通過接收這些紅外波并計算到達時間（TOA）來測量對象的位置，但其缺點是容易受到太陽光的干擾，而且精確度不高，不能滿足室內定位感知系統的要求。

③ 全球定位系統（GPS）。GPS是近幾年來得到廣泛應用的定位系統，它利用衛星系統來實現定位功能。但是一旦在室內，衛星信號便會丟失，GPS系統就失去了功能，無法進行定位服務；而且其定位的誤差一般達到10m，因此無法被應用到模型中去。

④ 超聲波。超聲波傳感器一般工作在40~130kHz的范圍內，它利用信號的到達時間TOA進行精確的距離計算，系統利用這些距離信息進行三邊測量運算。超聲波接收器測量其與發射器的距離時使用一個預定的頻率。通過使用多個接收器，一般一個二維定位測量必須最少有2個，最好用4個或更多個，才可能得出一個比較精確的結果。主要是因為超聲波信號容易受到高頻信號的干擾，而且容易因為反射而得到錯誤結果。在AT&T實驗室的Bat系統中，定位所產生的誤差能夠被控制在3cm以內；因此，超聲波技術是一項適合普適計算的技術。

2 一種普適計算定位感知系統模型

考慮到目前世界上已有的系統一般都是單一的定位系統或者位置系統，所實現的服務功能比較單一，都不太適于普適計算。

2.1 系統模型體系結構

下面一種我們自行設計的定位感知系統模型具有如下特點：
◇實現了最小功能的簡單定位感知系統模型；
◇將定位系統與位置系統結合在一個體系結構中；
◇在不考慮誤差的情況下，能夠利用三角計算實時確定對象的二維位置及行動方向；
◇系統能夠積極主動為用戶提供信息服務；

圖2是這一模型的簡單體系結構圖。



定位系統是本模型的重點之一，系統利用它來精確定位每一個對象。這里采用的是改進的Bat系統，每一個室內用戶都攜帶兩個手掌大小的無線設備Bat。這種小器件配有一個蜂鳴器，能夠發射超聲波脈沖；在室內的天花板上安裝有傳感器，能夠接收超聲波脈沖，并能測量超聲波脈沖信號的到達時間（TOA）；傳感器隨即將TOA數據通過WLAN傳送給控制處理器，控制處理器通過這些數據測量出用戶的三維位置信息。基于這一思想，我們考慮這樣一個實驗環境：一個矩形的大廳，用戶在大廳內活動，廳內安置各種智能服務設備，如報時器、報警器、語音提示器、攝像機等；但也應有一些障礙設備，比如帶電的按鈕、高溫禁區等。每個用戶的雙肩都裝有兩個Bat，能夠發射超聲波信號，在大廳天花板的4個角落各安置一個超聲波接收器。考慮到接收器的接收能力以及誤差的因素，大廳的長與寬應在一個限度以內，如圖3所示。

在二維位置及方向的測量中，我們選擇離對象最近的兩個超聲波接收器所接收的距離信息，不妨設A1、A2離同一用戶肩上同一Bat B1較近，測得距離分別為L1、L2，A1與A2相距L3，平面坐標如圖4所示。



由圖4可知，B1點的坐標可由三角公式算出：
x = （L12＋L32－L22）/ 2 L3 y 2 = L22－x2

于是得出Bat B1的坐標位置（x，y），同理可以算出另一Bat B2的位置，由B1與B2的動態位置信息即可以測出對象的行動方向。定位系統獲得這些位置信息后，立即向系統控制中心傳送。

系統控制中心是整個系統的控制管理中心，它負責將位置信息或者對象集信息向事務處理中心傳送，將位置信息向位置系統傳送。它必須能夠實時處理大量的各種信息，并進行分析檢測。

事務處理中心是整個系統的服務發送者與處理單元。它通過接收系統控制中心傳來的各種信息，或者響應用戶的服務請求，或者主動向用戶廣播各種有用信息，比如語音提示、智能報警等。

通信環境為所有部件的信息傳送提供支持，在這里我們采用的是WLAN技術，這是符合網絡未來發展趨勢的一種有效的技術。對于協議類型，我們暫時考慮使用802.11系列協議中的一種。

位置系統也是本模型的重點，它的功能是實時獲取特定位置的對象集信息，并將信息向系統控制中心傳送。模型中我們采用了一種移動代理（Mobile Client）技術，其核心思想是：為大廳內的每一個用戶配備一個用戶代理，用戶通過代理與本地其它對象，包括其它用戶和一些設備，通過通信環境部件進行交互。當位置系統獲得系統控制中心傳送的用戶位置信息后，立即啟用其用戶代理。此用戶代理隨著與這一位置的WLAN單元進行交互，從而來確定用戶所在位置的對象集信息P，其功能用映射關系表示為：（ WLAN單元）= P。

2.2 模擬實驗的可能誤差分析

考慮到普適計算所要實現的功能，應用本模型所進行的模擬實驗必須達到相當的精確度才能滿足準確定位的要求。在上面提到的模擬實驗環境中，可能影響定位結果的誤差因素一般有：實驗環境、時鐘頻率、超聲波的反射等。

實驗環境誤差的產生主要是由于超聲波的易被干擾性。影響的主要因素是噪聲的干擾，它導致超聲波信號之間的碰撞。這種噪聲同系統具有相同的頻率，從而對實驗中的超聲波信號產生干擾或碰撞，導致正確信號的消散或是反射的產生。這些可能的噪聲有收音機的無線波、鑰匙的碰撞聲或者擊掌聲等。解決的辦法是將環境進一步智能化，如將收音機的功能融入系統中，不需人的接收；取消利用鑰匙來開關門等。

時鐘頻率誤差是在石英鐘之間同步產生的，每個超聲波接收器都利用時鐘與其它接收器同步，才能測量它們與Bat之間的距離。這種誤差的大小與距離呈線性關系：距離越遠，誤差越大。我們可以通過多次實驗對誤差進行測量，進而對誤差定性，盡量減小誤差大小。

反射誤差是實驗中可能遇見的最主要的誤差。它主要因為超聲波信號在發射途中碰上其它物體而導致反射的產生，從而將錯誤信號傳送至接收器導致錯誤結果。這種誤差與距離并非線性關系，因而無法定性；但我們可以根據測量的數據排除一些錯誤信息。它們與正常數據相差太大，主要是因為它們經過多次反射或不在接收器的接收范圍內。改進的辦法是，除了增強接收器的接收強度外，還可以將Bat置于用戶頭頂或者調整接收器的角度來 減少反射的產生。

2.3 模型的總結

本模型在將定位系統與位置系統結合的基礎上，提出了一種普適計算中定位感知系統的雛形，并實現了系統所要求的最小功能。在以后的工作中，我們將進一步完善模型中的功能部件，并對實驗中的誤差因素做進一步檢測。

結 語

由于普適計算廣闊的應用前景，有越來越多的研究人員已經加入了這一行列。在他們的努力下，許多困擾普適計算發展的技術問題已經取得突破性進展，比如各種嵌入式小器件的發明與應用，各種定位技術的設計與改進。本文在此基礎上提出了一種普適計算中定位感知系統的雛形，目的在于對今后的研究起到一種拋磚引玉的作用。由于普適計算是一個浩大的工程，還有許多技術難題有待解決，其中的定位感知系統就是一個重點工程，比如L2系統的更加有效的結合問題，室內無線網絡通信的協議問題等。我們還有大量的工作要做；但我們應該相信，在不久的將來，人類一定會真正走進普適計算的世界。

參考文獻

   1. Weiser M The Computer of the 21st Century 1991
   2. Weiser M Some Computer Science Issues in Ubiquitous Computing 1993
   3. Hightower J Location Systems for Ubiquitous Computing 2001
   4. AT&T Laboratories Cambridge The Bat Ultrasonic Location System 2001

作 者：東華大學 付維權 孫志仁 曹奇英  
來 源：單片機與嵌入式系統應用 2004（2）

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