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普適計算中的定位感知系統(tǒng)
摘要：普適計算的目的是為了使計算機更好地為人類服務，提高人們的生活質(zhì)量。普適計算中的定位感知系統(tǒng)是普適計算研究中的核心部分之一。如何確定室內(nèi)用戶的動態(tài)位置信息，如何主動向用戶提供各種所需的信息，都是本文的研究話題。文章最后給出一種自行設(shè)計的普適計算室內(nèi)定位感知系統(tǒng)的最小功能模型。關(guān)鍵詞：普適計算定位系統(tǒng)位置系統(tǒng)定位感知系統(tǒng)
引言
??隨著計算機計算能力不斷呈指數(shù)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(lǐng)域。
??MarkWeiser在《21世紀的計算機》一文中這樣描述：計算機硬件技術(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算（UbiquitousComputing）的典范。普適計算設(shè)想這樣一種計算環(huán)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(wǎng)絡(luò)完全互連。網(wǎng)絡(luò)家電便屬于這種計算機系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)對用戶是完全透明的，計算機技術(shù)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(fā)揮計算機系統(tǒng)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(zhì)量。
1定位感知系統(tǒng)
??定位感知系統(tǒng)是普適計算環(huán)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(tài)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(nèi)；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(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(tǒng)提出請求，系統(tǒng)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(tǒng)無法滿足用戶動態(tài)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(tǒng)必須采用主動模式系統(tǒng)，它能夠同時為多個用戶提供服務。系統(tǒng)能夠根據(jù)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(tǒng)其最小規(guī)模必須擁有兩個功能系統(tǒng)：定位系統(tǒng)（LocatingSystem）和位置系統(tǒng)（LocationSystem），我們稱之為L2系統(tǒng)。
1.1L2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)的重點在于獲取對象所在的位置信息，而位置系統(tǒng)則側(cè)重于獲取特定位置上的對象集。為了更好地說明問題，我們應用數(shù)學上映射的概念加以描述。
假設(shè)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(tǒng)實現(xiàn)的功能，用映射：L→P（O）表示位置系統(tǒng)實現(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}
??目前應用比較成熟的相關(guān)系統(tǒng)主要有：3GPP（the3rdGenerationPartnershipProject）工作組實施的GMLC（GatewayMobileLocationCenter）系統(tǒng)，由AT&T實驗室開發(fā)的Bat系統(tǒng)，由康斯坦斯大學開發(fā)的MobileShadow系統(tǒng)。
??GMLC系統(tǒng)屬于被動模式的定位系統(tǒng)，通過GSM系統(tǒng)，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(wǎng)絡(luò)注冊申請一個唯一的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務（NDS）號碼，系統(tǒng)通過這一號碼進行定位服務。此技術(shù)用映射關(guān)系表示為λ（NDS）=l。
??AT&T實驗室開發(fā)的Bat系統(tǒng)是一種主動模式的定位系統(tǒng)。其核心思想是利用一種無線設(shè)備Bat發(fā)射超聲波脈沖來實時測量室內(nèi)對象的三維位置。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)可用來為普適計算中的室內(nèi)定位感知系統(tǒng)服務，但其缺陷是使用了有線網(wǎng)絡(luò)而并非適用于普適計算的無線網(wǎng)絡(luò)。
??康斯坦斯大學開發(fā)的MobileShadow系統(tǒng)是一種主動模式的位置系統(tǒng)。它的基本思想是為每一個用戶設(shè)置一個唯一的用戶代理，用戶代理利用WLAN單元來實現(xiàn)獲取本地對象集P的功能，用映射關(guān)系表示為（WLAN單元）=P。但是，實現(xiàn)這一系統(tǒng)的協(xié)議所使用的是專門為移動用戶設(shè)計的移動代碼技術(shù)。
??普適計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)的用戶每移動到一個新的位置，系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r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(tǒng)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(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(shù)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(shù)的系統(tǒng)，一般通過移動設(shè)備在一個預定的時間間隔內(nèi)發(fā)射紅外波來實現(xiàn)。系統(tǒng)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(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用的定位系統(tǒng)，它利用衛(wèi)星系統(tǒng)來實現(xiàn)定位功能。但是一旦在室內(nèi)，衛(wèi)星信號便會丟失，GPS系統(tǒng)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(nèi)，它利用信號的到達時間TOA進行精確的距離計算，系統(tǒng)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(fā)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(jié)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(jié)果。在AT&T實驗室的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)是一項適合普適計算的技術(shù)。
2一種普適計算定位感知系統(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)，所實現(xiàn)的服務功能比較單一，都不太適于普適計算。
2.1系統(tǒng)模型體系結(jié)構(gòu)
??下面一種我們自行設(shè)計的定位感知系統(tǒng)模型具有如下特點：
◇實現(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)合在一個體系結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(jié)構(gòu)圖。
??定位系統(tǒng)是本模型的重點之一，系統(tǒng)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(tǒng)，每一個室內(nèi)用戶都攜帶兩個手掌大小的無線設(shè)備Bat。這種小器件配有一個蜂鳴器，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的到達時間（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�；谶@一思想，我們考慮這樣一個實驗環(huán)境：一個矩形的大廳，用戶在大廳內(nèi)活動，廳內(nèi)安置各種智能服務設(shè)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(shè)備，比如帶電的按鈕、高溫禁區(qū)等。每個用戶的雙肩都裝有兩個Bat，能夠發(fā)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�？紤]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(nèi)，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(shè)A1、A2離同一用戶肩上同一BatB1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）/2L3y2=L22－x2
??于是得出BatB1的坐標位置（x，y），同理可以算出另一BatB2的位置，由B1與B2的動態(tài)位置信息即可以測出對象的行動方向。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)控制中心是整個系統(tǒng)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(tǒng)傳送。它必須能夠?qū)崟r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(tǒng)的服務發(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(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)。對于協(xié)議類型，我們暫時考慮使用802.11系列協(xié)議中的一種。
??位置系統(tǒng)也是本模型的重點，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(tǒng)控制中心傳送。模型中我們采用了一種移動代理（MobileClient）技術(shù)，其核心思想是：為大廳內(nèi)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(shè)備，通過通信環(huán)境部件進行交互。當位置系統(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(guān)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(xiàn)的功能，應用本模型所進行的模擬實驗必須達到相當?shù)木_度才能滿足準確定位的要求。在上面提到的模擬實驗環(huán)境中，可能影響定位結(jié)果的誤差因素一般有：實驗環(huán)境、時鐘頻率、超聲波的反射等。
??實驗環(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，它導致超聲波信號之間的碰撞。這種噪聲同系統(tǒng)具有相同的頻率，從而對實驗中的超
聲波信號產(chǎn)生干擾或碰撞，導致正確信號的消散或是反射的產(chǎn)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(huán)境進一步智能化，如將收音機的功能融入系統(tǒng)中，不需人的接收；取消利用鑰匙來開關(guān)門等。
??時鐘頻率誤差是在石英鐘之間同步產(chǎn)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(guān)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(fā)射途中碰上其它物體而導致反射的產(chǎn)生，從而將錯誤信號傳送至接收器導致錯誤結(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)排除一些錯誤信息。它們與正常數(shù)據(jù)相差太大，主要是因為它們經(jīng)過多次反射或不在接收器的接收范圍內(nèi)。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(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，提出了一種普適計算中定位感知系統(tǒng)的雛形，并實現(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(jié)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(jīng)加入了這一行列。在他們的努力下，許多困擾普適計算發(fā)展的技術(shù)問題已經(jīng)取得突破性進展，比如各種嵌入式小器件的發(fā)明與應用，各種定位技術(shù)的設(shè)計與改進。本文在此基礎(chǔ)上提出了一種普適計算中定位感知系統(tǒng)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(shù)難題有待解決，其中的定位感知系統(tǒng)就是一個重點工程，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。
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