圖2 定位感知系統(tǒng)模型的體系結(jié)構(gòu)
定位系統(tǒng)是本模型的重點(diǎn)之一,系統(tǒng)利用它來(lái)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(wú)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(cè)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(guò)WLAN傳送給控制處理器,控制處理器通過(guò)這些數(shù)據(jù)測(cè)量出用戶的三維位置信息�；谶@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(yǔ)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�？紤]到接收器的接收能力以及誤差的因素,大廳的長(zhǎng)與寬應(yīng)在一個(gè)限度以內(nèi),如圖3所示。
圖3 改進(jìn)的Bat環(huán)境 圖4 平面坐標(biāo)圖
在二維位置及方向的測(cè)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(cè)得距離分別為L(zhǎng)1、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(cè)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(cè)。
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(guò)接收系統(tǒng)控制中心傳來(lái)的各種信息,或者響應(yīng)用戶的服務(wù)請(qǐng)求,或者主動(dòng)向用戶廣播各種有用信息,比如語(yǔ)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)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(guò)代理與本地其它對(duì)象,包括其它用戶和一些設(shè)備,通過(guò)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(lái)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_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(wú)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(lái)開(kāi)關(guān)門(mén)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(cè)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(guò)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)誤差進(jìn)行測(cè)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(jiàn)的最主要的誤差。它主要因?yàn)槌暡ㄐ盘?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(wú)法定性;但我們可以根據(jù)測(cè)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(guò)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(lái) 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(cè)。
結(jié)語(yǔ)
由于普適計(jì)算廣闊的應(yīng)用前景,有越來(lái)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(wèn)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(wèn)題,室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議問(wèn)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(lái),人類一定會(huì)真正走進(jìn)普適計(jì)算的世界。
參考文獻(xiàn)
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4 Hightower J. Location Systems for Ubiquitous Computing. IEEE Computer, 2001-08
5 AT&T Laboratories Cambridge. The Bat Ultrasonic Location System. http://www.uk.research.att.com/bat/, 2001-09
付維權(quán) 碩士研究生 孫志仁 碩士生導(dǎo)師、副教授：主要研究方向嵌入式系統(tǒng)。
曹奇英 博士生導(dǎo)師、教授,主要研究方向普適計(jì)算及嵌入式系統(tǒng)。
