圖2 定位感知系統模型的體系結構
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(fā)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�；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(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,如圖3所示。
圖3 改進的Bat環(huán)境 圖4 平面坐標圖
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(tài)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(fā)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(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,這是符合網絡未來發(fā)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(huán)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(huán)境中,可能影響定位結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(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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
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5 AT&T Laboratories Cambridge. The Bat Ultrasonic Location System. http://www.uk.research.att.com/bat/, 2001-09
付維權 碩士研究生 孫志仁 碩士生導師、副教授：主要研究方向嵌入式系統。
曹奇英 博士生導師、教授,主要研究方向普適計算及嵌入式系統。
