普适计算中的定位感知系统 |
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摘要：普适计算的目的是为了使计算机更好地为人类服务，提高人们的生活质量。普适计算中的定位感知系统是普适计算研究中的核心部分之一。如何确定室内用户的动态位置信息，如何主动向用户提供各种所需的信息，都是本文的研究话题。文章最后给出一种自行设计的普适计算室内定位感知系统的最小功能模型。 关键词：普适计算 定位系统 位置系统 定位感知系统
引 言
随着计算机计算能力不断呈指数型的增长以及硬件的微型化，各种计算型的小器件应运而生。由于其重量和体积都足够小，用户能够随身携带，因而被应用在各个领域。
Mark Weiser 在《21世纪的计算机》一文中这样描述：计算机硬件技术的飞速发展以及无线通信技术的不断成熟，造就了新一代普适计算（Ubiquitous Computing）的典范。普适计算设想这样一种计算环境：人们生活在一个充满各种各样的计算型小器件当中，这些器件通过足够带宽和速度的有线或无线网络完全互连。网络家电便属于这种计算机系统中的一个功能单元，它们能够积极有效地为用户提供各种所需的信息。
普适计算的特点是服务设备无处不在，并已完全融入人们的日常生活中，即这种计算机系统对用户是完全透明的，计算机技术已在人们生活中得到了充分的应用。普适计算的目的是充分发挥计算机系统的功能，利用它们更好地为人们服务，极大地提高人们的生活质量。
1 定位感知系统
定位感知系统是普适计算环境中的重要组成部分之一。在不考虑用户个人隐私问题的前提下，如何动态获取用户的位置信息，而且得到的位置信息必须能够达到一定的精确度，一般误差控制在几cm以内；如何为用户积极主动地提供各种所需服务，这些都是定位感知系统必须能够实现的功能。现在世界上已有的成熟系统大都只能实现简单的定位功能，这些系统一般都遵循传统的请求-应答模式。
在请求-应答模式中，用户要得到所需信息必须先向服务系统提出请求，系统响应后给出回复，按照要求的格式提供信息。我们称这种模式为被动模式。采用被动模式的系统无法满足用户动态信息的需求，无法积极智能地主动提供服务，而且同一时间服务的对象一般只能有一个。
定位感知系统必须采用主动模式系统，它能够同时为多个用户提供服务。系统能够根据自己取得的信息主动向用户进行广播，说明自己能够提供的服务；用户按照自己的所需，获取自己的信息。主动模式系统其最小规模必须拥有两个功能系统：定位系统（Locating System）和位置系统（Location System），我们称之为L2系统。
1.1 L2系统
首先必须正确区分定位系统与位置系统。它们之间的核心区别在于，定位系统的重点在于获取对象所在的位置信息，而位置系统则侧重于获取特定位置上的对象集。为了更好地说明问题，我们应用数学上映射的概念加以描述。
假设有位置集L={l1，l2，l3}，有对象集O={o1，o2，o3，o4，o5，o6}，对象o1、o2、o3在位置l1，对象o4、o5在位置l2，对象o6在位置l3。我们用映射λ：O→L来表示定位系统实现的功能，用映射：L→P（O）表示位置系统实现的功能，则有图1所示的映射图。由映射图可知有如下等式成立：λ（o1）=λ（o2）λ（o3）= l1λ（o4）=λ（o5）= l2λ（o6）= l3ω （l1） = P1 ={ o1，o2，o3}ω（l2） = P2 ={ o4，o5}ω（l3） = P3 ={ o6}
目前应用比较成熟的相关系统主要有：3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）工作组实施的GMLC（Gateway Mobile Location Center）系统，由AT&T实验室开发的Bat系统，由康斯坦斯大学开发的Mobile Shadow系统。
GMLC系统属于被动模式的定位系统，通过GSM系统，利用三角算法来定位对象。每一用户都配备一个蜂窝电话，并向GSM网络注册申请一个唯一的网络数据服务（NDS）号码，系统通过这一号码进行定位服务。此技术用映射关系表示为λ（NDS）=l。
AT&T实验室开发的Bat系统是一种主动模式的定位系统。其核心思想是利用一种无线设备Bat发射超声波脉冲来实时测量室内对象的三维位置。其功能用映射关系表示为λ（Bat）=l。这一系统的定位技术可用来为普适计算中的室内定位感知系统服务，但其缺陷是使用了有线网络而并非适用于普适计算的无线网络。
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康斯坦斯大学开发的Mobile Shadow系统是一种主动模式的位置系统。它的基本思想是为每一个用户设置一个唯一的用户代理，用户代理利用WLAN单元来实现获取本地对象集P的功能，用映射关系表示为（WLAN 单元）= P。但是，实现这一系统的协议所使用的是专门为移动用户设计的移动代码技术。
普适计算中的定位感知系统必须是定位系统与位置系统两者的紧密结合。正如下面将要提出的简单模型一样，室内的用户每移动到一个新的位置，系统必须能够实时进行精确定位，然后确定这一特定位置的对象集信息。利用这些信息，定位感知系统能够积极主动地向用户广播所能提供的各种信息，从而使用户能够有效地选择自己所需要的信息。
1.2 几种可行的定位技术
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① 低频射频。低频传感器一般工作在一些特定的频率，如418MHz、433MHz、900MHz等。采用低频射频技术的系统中必须存在射频发射器和射频接收器，系统利用信号的到达时差（TDOA）或者信号的长度来测量对象的三角位置。但是这种技术的定位误差太大，一般为1~3m，因此不能为普适计算所用。
② 红外线。采用红外线定位技术的系统，一般通过移动设备在一个预定的时间间隔内发射红外波来实现。系统通过接收这些红外波并计算到达时间（TOA）来测量对象的位置，但其缺点是容易受到太阳光的干扰，而且精确度不高，不能满足室内定位感知系统的要求。
③ 全球定位系统（GPS）。GPS是近几年来得到广泛应用的定位系统，它利用卫星系统来实现定位功能。但是一旦在室内，卫星信号便会丢失，GPS系统就失去了功能，无法进行定位服务；而且其定位的误差一般达到10m，因此无法被应用到模型中去。
④ 超声波。超声波传感器一般工作在40~130kHz的范围内，它利用信号的到达时间TOA进行精确的距离计算，系统利用这些距离信息进行三边测量运算。超声波接收器测量其与发射器的距离时使用一个预定的频率。通过使用多个接收器，一般一个二维定位测量必须最少有2个，最好用4个或更多个，才可能得出一个比较精确的结果。主要是因为超声波信号容易受到高频信号的干扰，而且容易因为反射而得到错误结果。在AT&T实验室的Bat系统中，定位所产生的误差能够被控制在3cm以内；因此，超声波技术是一项适合普适计算的技术。
2 一种普适计算定位感知系统模型
考虑到目前世界上已有的系统一般都是单一的定位系统或者位置系统，所实现的服务功能比较单一，都不太适于普适计算。
2.1 系统模型体系结构
下面一种我们自行设计的定位感知系统模型具有如下特点：◇实现了最小功能的简单定位感知系统模型；◇将定位系统与位置系统结合在一个体系结构中；◇在不考虑误差的情况下，能够利用三角计算实时确定对象的二维位置及行动方向；◇系统能够积极主动为用户提供信息服务；
图2是这一模型的简单体系结构图。
定位系统是本模型的重点之一，系统利用它来精确定位每一个对象。这里采用的是改进的Bat系统，每一个室内用户都携带两个手掌大小的无线设备Bat。这种小器件配有一个蜂鸣器，能够发射超声波脉冲；在室内的天花板上安装有传感器，能够接收超声波脉冲，并能测量超声波脉冲信号的到达时间（TOA）；传感器随即将TOA数据通过WLAN传送给控制处理器，控制处理器通过这些数据测量出用户的三维位置信息。基于这一思想，我们考虑这样一个实验环境：一个矩形的大厅，用户在大厅内活动，厅内安置各种智能服务设备，如报时器、报警器、语音提示器、摄像机等；但也应有一些障碍设备，比如带电的按钮、高温禁区等。每个用户的双肩都装有两个Bat，能够发射超声波信号，在大厅天花板的4个角落各安置一个超声波接收器。考虑到接收器的接收能力以及误差的因素，大厅的长与宽应在一个限度以内，如图3所示。
在二维位置及方向的测量中，我们选择离对象最近的两个超声波接收器所接收的距离信息，不妨设A1、A2离同一用户肩上同一Bat B1较近，测得距离分别为L1、L2，A1与A2相距L3，平面坐标如图4所示。
由图4可知，B1点的坐标可由三角公式算出：
x = （L12＋L32－L22）/ 2 L3 y 2 = L22－x2
于是得出Bat B1的坐标位置（x，y），同理可以算出另一Bat B2的位置，由B1与B2的动态位置信息即可以测出对象的行动方向。定位系统获得这些位置信息后，立即向系统控制中心传送。
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系统控制中心是整个系统的控制管理中心，它负责将位置信息或者对象集信息向事务处理中心传送，将位置信息向位置系统传送。它必须能够实时处理大量的各种信息，并进行分析检测。
事务处理中心是整个系统的服务发送者与处理单元。它通过接收系统控制中心传来的各种信息，或者响应用户的服务请求，或者主动向用户广播各种有用信息，比如语音提示、智能报警等。
通信环境为所有部件的信息传送提供支持，在这里我们采用的是WLAN技术，这是符合网络未来发展趋势的一种有效的技术。对于协议类型，我们暂时考虑使用802.11系列协议中的一种。
位置系统也是本模型的重点，它的功能是实时获取特定位置的对象集信息，并将信息向系统控制中心传送。模型中我们采用了一种移动代理（Mobile Client）技术，其核心思想是：为大厅内的每一个用户配备一个用户代理，用户通过代理与本地其它对象，包括其它用户和一些设备，通过通信环境部件进行交互。当位置系统获得系统控制中心传送的用户位置信息后，立即启用其用户代理。此用户代理随着与这一位置的WLAN单元进行交互，从而来确定用户所在位置的对象集信息P，其功能用映射关系表示为：（ WLAN单元）= P。
2.2 模拟实验的可能误差分析
考虑到普适计算所要实现的功能，应用本模型所进行的模拟实验必须达到相当的精确度才能满足准确定位的要求。在上面提到的模拟实验环境中，可能影响定位结果的误差因素一般有：实验环境、时钟频率、超声波的反射等。
实验环境误差的产生主要是由于超声波的易被干扰性。影响的主要因素是噪声的干扰，它导致超声波信号之间的碰撞。这种噪声同系统具有相同的频率，从而对实验中的超声波信号产生干扰或碰撞，导致正确信号的消散或是反射的产生。这些可能的噪声有收音机的无线波、钥匙的碰撞声或者击掌声等。解决的办法是将环境进一步智能化，如将收音机的功能融入系统中，不需人的接收；取消利用钥匙来开关门等。
时钟频率误差是在石英钟之间同步产生的，每个超声波接收器都利用时钟与其它接收器同步，才能测量它们与Bat之间的距离。这种误差的大小与距离呈线性关系：距离越远，误差越大。我们可以通过多次实验对误差进行测量，进而对误差定性，尽量减小误差大小。
反射误差是实验中可能遇见的最主要的误差。它主要因为超声波信号在发射途中碰上其它物体而导致反射的产生，从而将错误信号传送至接收器导致错误结果。这种误差与距离并非线性关系，因而无法定性；但我们可以根据测量的数据排除一些错误信息。它们与正常数据相差太大，主要是因为它们经过多次反射或不在接收器的接收范围内。改进的办法是，除了增强接收器的接收强度外，还可以将Bat置于用户头顶或者调整接收器的角度来 减少反射的产生。
2.3 模型的总结
本模型在将定位系统与位置系统结合的基础上，提出了一种普适计算中定位感知系统的雏形，并实现了系统所要求的最小功能。在以后的工作中，我们将进一步完善模型中的功能部件，并对实验中的误差因素做进一步检测。
结 语由于普适计算广阔的应用前景，有越来越多的研究人员已经加入了这一行列。在他们的努力下，许多困扰普适计算发展的技术问题已经取得突破性进展，比如各种嵌入式小器件的发明与应用，各种定位技术的设计与改进。本文在此基础上提出了一种普适计算中定位感知系统的雏形，目的在于对今后的研究起到一种抛砖引玉的作用。由于普适计算是一个浩大的工程，还有许多技术难题有待解决，其中的定位感知系统就是一个重点工程，比如L2系统的更加有效的结合问题，室内无线网络通信的协议问题等。我们还有大量的工作要做；但我们应该相信，在不久的将来，人类一定会真正走进普适计算的世界。
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