普適計(jì)算中的定位感知系統(tǒng)

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引 言

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力不斷呈指數(shù)型的增長以及硬件的微型化，各種計(jì)算型的小器件應(yīng)運(yùn)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(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。

Mark Weiser 在《21世紀(jì)的計(jì)算機(jī)》一文中這樣描述：計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展以及無線通信技術(shù)的不斷成熟，造就了新一代普適計(jì)算（Ubiquitous Computing）的典范。普適計(jì)算設(shè)想這樣一種計(jì)算環(huán)境：人們生活在一個(gè)充滿各種各樣的計(jì)算型小器件當(dāng)中，這些器件通過足夠帶寬和速度的有線或無線網(wǎng)絡(luò)完全互連。網(wǎng)絡(luò)家電便屬于這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)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(jì)算的特點(diǎn)是服務(wù)設(shè)備無處不在，并已完全融入人們的日常生活中，即這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)用戶是完全透明的，計(jì)算機(jī)技術(shù)已在人們生活中得到了充分的應(yīng)用。普適計(jì)算的目的是充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能，利用它們更好地為人們服務(wù)，極大地提高人們的生活質(zhì)量。

1 定位感知系統(tǒng)

定位感知系統(tǒng)是普適計(jì)算環(huán)境中的重要組成部分之一。在不考慮用戶個(gè)人隱私問題的前提下，如何動(dòng)態(tài)獲取用戶的位置信息，而且得到的位置信息必須能夠達(dá)到一定的精確度，一般誤差控制在幾cm以內(nèi)；如何為用戶積極主動(dòng)地提供各種所需服務(wù)，這些都是定位感知系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。現(xiàn)在世界上已有的成熟系統(tǒng)大都只能實(shí)現(xiàn)簡單的定位功能，這些系統(tǒng)一般都遵循傳統(tǒng)的請求-應(yīng)答模式。

在請求-應(yīng)答模式中，用戶要得到所需信息必須先向服務(wù)系統(tǒng)提出請求，系統(tǒng)響應(yīng)后給出回復(fù)，按照要求的格式提供信息。我們稱這種模式為被動(dòng)模式。采用被動(dòng)模式的系統(tǒng)無法滿足用戶動(dòng)態(tài)信息的需求，無法積極智能地主動(dòng)提供服務(wù)，而且同一時(shí)間服務(wù)的對(duì)象一般只能有一個(gè)。

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

1.1 L2系統(tǒng)

首先必須正確區(qū)分定位系統(tǒng)與位置系統(tǒng)。它們之間的核心區(qū)別在于，定位系統(tǒng)的重點(diǎn)在于獲取對(duì)象所在的位置信息，而位置系統(tǒng)則側(cè)重于獲取特定位置上的對(duì)象集。為了更好地說明問題，我們應(yīng)用數(shù)學(xué)上映射的概念加以描述。

假設(shè)有位置集L={l1，l2，l3}，有對(duì)象集O={o1，o2，o3，o4，o5，o6}，對(duì)象o1、o2、o3在位置l1，對(duì)象o4、o5在位置 l2，對(duì)象o6在位置l3。我們用映射λ：O→L來表示定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，用映射：L→P（O）表示位置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(yīng)用比較成熟的相關(guān)系統(tǒng)主要有：3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）工作組實(shí)施的GMLC（Gateway Mobile Location Center）系統(tǒng)，由AT&T實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Bat系統(tǒng)，由康斯坦斯大學(xué)開發(fā)的Mobile Shadow系統(tǒng)。

GMLC系統(tǒng)屬于被動(dòng)模式的定位系統(tǒng)，通過GSM系統(tǒng)，利用三角算法來定位對(duì)象。每一用戶都配備一個(gè)蜂窩電話，并向GSM網(wǎng)絡(luò)注冊申請一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)（NDS）號(hào)碼，系統(tǒng)通過這一號(hào)碼進(jìn)行定位服務(wù)。此技術(shù)用映射關(guān)系表示為λ（NDS）=l。

AT&T實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的 Bat系統(tǒng)是一種主動(dòng)模式的定位系統(tǒng)。其核心思想是利用一種無線設(shè)備Bat發(fā)射超聲波脈沖來實(shí)時(shí)測量室內(nèi)對(duì)象的三維位置。其功能用映射關(guān)系表示為 λ（Bat）=l。這一系統(tǒng)的定位技術(shù)可用來為普適計(jì)算中的室內(nèi)定位感知系統(tǒng)服務(wù)，但其缺陷是使用了有線網(wǎng)絡(luò)而并非適用于普適計(jì)算的無線網(wǎng)絡(luò)。

康斯坦斯大學(xué)開發(fā)的Mobile Shadow系統(tǒng)是一種主動(dòng)模式的位置系統(tǒng)。它的基本思想是為每一個(gè)用戶設(shè)置一個(gè)唯一的用戶代理，用戶代理利用WLAN單元來實(shí)現(xiàn)獲取本地對(duì)象集P的功能，用映射關(guān)系表示為（WLAN 單元）= P。但是，實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)的協(xié)議所使用的是專門為移動(dòng)用戶設(shè)計(jì)的移動(dòng)代碼技術(shù)。

普適計(jì)算中的定位感知系統(tǒng)必須是定位系統(tǒng)與位置系統(tǒng)兩者的緊密結(jié)合。正如下面將要提出的簡單模型一樣，室內(nèi)的用戶每移動(dòng)到一個(gè)新的位置，系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行精確定位，然后確定這一特定位置的對(duì)象集信息。利用這些信息，定位感知系統(tǒng)能夠積極主動(dòng)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(shù)

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(shù)的系統(tǒng)中必須存在射頻發(fā)射器和射頻接收器，系統(tǒng)利用信號(hào)的到達(dá)時(shí)差（TDOA）或者信號(hào)的長度來測量對(duì)象的三角位置。但是這種技術(shù)的定位誤差太大，一般為1~3m，因此不能為普適計(jì)算所用。

② 紅外線。采用紅外線定位技術(shù)的系統(tǒng)，一般通過移動(dòng)設(shè)備在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)射紅外波來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過接收這些紅外波并計(jì)算到達(dá)時(shí)間（TOA）來測量對(duì)象的位置，但其缺點(diǎn)是容易受到太陽光的干擾，而且精確度不高，不能滿足室內(nèi)定位感知系統(tǒng)的要求。

③ 全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS是近幾年來得到廣泛應(yīng)用的定位系統(tǒng)，它利用衛(wèi)星系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)定位功能。但是一旦在室內(nèi)，衛(wèi)星信號(hào)便會(huì)丟失，GPS系統(tǒng)就失去了功能，無法進(jìn)行定位服務(wù)；而且其定位的誤差一般達(dá)到10m，因此無法被應(yīng)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(nèi)，它利用信號(hào)的到達(dá)時(shí)間TOA進(jìn)行精確的距離計(jì)算，系統(tǒng)利用這些距離信息進(jìn)行三邊測量運(yùn)算。超聲波接收器測量其與發(fā)射器的距離時(shí)使用一個(gè)預(yù)定的頻率。通過使用多個(gè)接收器，一般一個(gè)二維定位測量必須最少有2個(gè)，最好用4個(gè)或更多個(gè)，才可能得出一個(gè)比較精確的結(jié)果。主要是因?yàn)槌�聲波信�?hào)容易受到高頻信號(hào)的干擾，而且容易因?yàn)榉瓷涠�得到錯(cuò)誤結(jié)果。在AT&T實(shí)驗(yàn)室的Bat系統(tǒng)中，定位所產(chǎn)生的誤差能夠被控制在3cm以內(nèi)；因此，超聲波技術(shù)是一項(xiàng)適合普適計(jì)算的技術(shù)。

2 一種普適計(jì)算定位感知系統(tǒng)模型

考慮到目前世界上已有的系統(tǒng)一般都是單一的定位系統(tǒng)或者位置系統(tǒng)，所實(shí)現(xiàn)的服務(wù)功能比較單一，都不太適于普適計(jì)算。

2.1 系統(tǒng)模型體系結(jié)構(gòu)

下面一種我們自行設(shè)計(jì)的定位感知系統(tǒng)模型具有如下特點(diǎn)：
◇實(shí)現(xiàn)了最小功能的簡單定位感知系統(tǒng)模型；
◇將定位系統(tǒng)與位置系統(tǒng)結(jié)合在一個(gè)體系結(jié)構(gòu)中；
◇在不考慮誤差的情況下，能夠利用三角計(jì)算實(shí)時(shí)確定對(duì)象的二維位置及行動(dòng)方向；
◇系統(tǒng)能夠積極主動(dòng)為用戶提供信息服務(wù)；

圖2是這一模型的簡單體系結(jié)構(gòu)圖。



定位系統(tǒng)是本模型的重點(diǎn)之一，系統(tǒng)利用它來精確定位每一個(gè)對(duì)象。這里采用的是改進(jìn)的Bat系統(tǒng)，每一個(gè)室內(nèi)用戶都攜帶兩個(gè)手掌大小的無線設(shè)備Bat。這種小器件配有一個(gè)蜂鳴器，能夠發(fā)射超聲波脈沖；在室內(nèi)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(hào)的到達(dá)時(shí)間（TOA）；傳感器隨即將TOA數(shù)據(jù)通過WLAN傳送給控制處理器，控制處理器通過這些數(shù)據(jù)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(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境：一個(gè)矩形的大廳，用戶在大廳內(nèi)活動(dòng)，廳內(nèi)安置各種智能服務(wù)設(shè)備，如報(bào)時(shí)器、報(bào)警器、語音提示器、攝像機(jī)等；但也應(yīng)有一些障礙設(shè)備，比如帶電的按鈕、高溫禁區(qū)等。每個(gè)用戶的雙肩都裝有兩個(gè)Bat，能夠發(fā)射超聲波信號(hào)，在大廳天花板的4個(gè)角落各安置一個(gè)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(yīng)在一個(gè)限度以內(nèi)，如圖3所示。

在二維位置及方向的測量中，我們選擇離對(duì)象最近的兩個(gè)超聲波接收器所接收的距離信息，不妨設(shè)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(biāo)如圖4所示。



由圖4可知，B1點(diǎn)的坐標(biāo)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(biāo)位置（x，y），同理可以算出另一Bat B2的位置，由B1與B2的動(dòng)態(tài)位置信息即可以測出對(duì)象的行動(dòng)方向。定位系統(tǒng)獲得這些位置信息后，立即向系統(tǒng)控制中心傳送。

系統(tǒng)控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的控制管理中心，它負(fù)責(zé)將位置信息或者對(duì)象集信息向事務(wù)處理中心傳送，將位置信息向位置系統(tǒng)傳送。它必須能夠?qū)崟r(shí)處理大量的各種信息，并進(jìn)行分析檢測。

事務(wù)處理中心是整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)發(fā)送者與處理單元。它通過接收系統(tǒng)控制中心傳來的各種信息，或者響應(yīng)用戶的服務(wù)請求，或者主動(dòng)向用戶廣播各種有用信息，比如語音提示、智能報(bào)警等。

通信環(huán)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(shù)，這是符合網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展趨勢的一種有效的技術(shù)。對(duì)于協(xié)議類型，我們暫時(shí)考慮使用802.11系列協(xié)議中的一種。

位置系統(tǒng)也是本模型的重點(diǎn)，它的功能是實(shí)時(shí)獲取特定位置的對(duì)象集信息，并將信息向系統(tǒng)控制中心傳送。模型中我們采用了一種移動(dòng)代理（Mobile Client）技術(shù)，其核心思想是：為大廳內(nèi)的每一個(gè)用戶配備一個(gè)用戶代理，用戶通過代理與本地其它對(duì)象，包括其它用戶和一些設(shè)備，通過通信環(huán)境部件進(jìn)行交互。當(dāng)位置系統(tǒng)獲得系統(tǒng)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(jìn)行交互，從而來確定用戶所在位置的對(duì)象集信息P，其功能用映射關(guān)系表示為：（ WLAN單元）= P。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)的可能誤差分析

考慮到普適計(jì)算所要實(shí)現(xiàn)的功能，應(yīng)用本模型所進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)必須達(dá)到相當(dāng)?shù)木�確度才能滿足準(zhǔn)確定位的要求。在上面提到的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可能影響定位結(jié)果的誤差因素一般有：實(shí)驗(yàn)環(huán)境、時(shí)鐘頻率、超聲波的反射等。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境誤差的產(chǎn)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(dǎo)致超聲波信號(hào)之間的碰撞。這種噪聲同系統(tǒng)具有相同的頻率，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)中的超聲波信號(hào)產(chǎn)生干擾或碰撞，導(dǎo)致正確信號(hào)的消散或是反射的產(chǎn)生。這些可能的噪聲有收音機(jī)的無線波、鑰匙的碰撞聲或者擊掌聲等。解決的辦法是將環(huán)境進(jìn)一步智能化，如將收音機(jī)的功能融入系統(tǒng)中，不需人的接收；取消利用鑰匙來開關(guān)門等。

時(shí)鐘頻率誤差是在石英鐘之間同步產(chǎn)生的，每個(gè)超聲波接收器都利用時(shí)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(guān)系：距離越遠(yuǎn)，誤差越大。我們可以通過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)誤差進(jìn)行測量，進(jìn)而對(duì)誤差定性，盡量減小誤差大小。

反射誤差是實(shí)驗(yàn)中可能遇見的最主要的誤差。它主要因?yàn)槌�聲波信�?hào)在發(fā)射途中碰上其它物體而導(dǎo)致反射的產(chǎn)生，從而將錯(cuò)誤信號(hào)傳送至接收器導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果。這種誤差與距離并非線性關(guān)系，因而無法定性；但我們可以根據(jù)測量的數(shù)據(jù)排除一些錯(cuò)誤信息。它們與正常數(shù)據(jù)相差太大，主要是因?yàn)樗鼈兘?jīng)過多次反射或不在接收器的接收范圍內(nèi)。改進(jìn)的辦法是，除了增強(qiáng)接收器的接收強(qiáng)度外，還可以將Bat置于用戶頭頂或者調(diào)整接收器的角度來 減少反射的產(chǎn)生。

2.3 模型的總結(jié)

本模型在將定位系統(tǒng)與位置系統(tǒng)結(jié)合的基礎(chǔ)上，提出了一種普適計(jì)算中定位感知系統(tǒng)的雛形，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所要求的最小功能。在以后的工作中，我們將進(jìn)一步完善模型中的功能部件，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中的誤差因素做進(jìn)一步檢測。

結(jié) 語

由于普適計(jì)算廣闊的應(yīng)用前景，有越來越多的研究人員已經(jīng)加入了這一行列。在他們的努力下，許多困擾普適計(jì)算發(fā)展的技術(shù)問題已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，比如各種嵌入式小器件的發(fā)明與應(yīng)用，各種定位技術(shù)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種普適計(jì)算中定位感知系統(tǒng)的雛形，目的在于對(duì)今后的研究起到一種拋磚引玉的作用。由于普適計(jì)算是一個(gè)浩大的工程，還有許多技術(shù)難題有待解決，其中的定位感知系統(tǒng)就是一個(gè)重點(diǎn)工程，比如L2系統(tǒng)的更加有效的結(jié)合問題，室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議問題等。我們還有大量的工作要做；但我們應(yīng)該相信，在不久的將來，人類一定會(huì)真正走進(jìn)普適計(jì)算的世界。

參考文獻(xiàn)

   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(xué) 付維權(quán) 孫志仁 曹奇英  
來 源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 2004（2）

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