CC BY
70
УДК 519.688:621.396.99
В. А. Маслов, А. А. Финогеев, А. Г. Финогеев
МЕТОДИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ И СОБЫТИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ BLUETOOTH
Описывается проект, целью которого является создание интегрированной системы событийного управления и информационной поддержки мобильных средств коммуникации на основе технологии Bluetooth-связи. Основная задача проекта заключается в обеспечении пользователя мобильного устройства связи аудиовизуальной информацией при его нахождении в зонах доступа относительно стационарных Bluetooth-узлов. Система позволяет определять местонахождение пользователя, получать необходимую информацию с сервера общего доступа, а также предоставляет возможность обратной связи за счет использования мобильного клиента в качестве пульта дистанционного управления.
Введение
В настоящее время большую актуальность приобретают задачи, связанные с созданием методов и технологий развития новых средств и каналов связи, систем управления и обработки информации в различных областях человеческих знаний, в частности в сфере сохранения культурного наследия. Множество проектов, выполняемых в рамках программы IST Седьмой Рамочной программы европейской комиссии, направлены на создание, поддержку и управление архивами оцифрованных копий объектов культурного наследия, а также на разработку электронных «туристических гидов» для помощи посетителям виртуальных и реальных музеев в ориентации и получении необходимой информации о музейных артефактах. Сегодня многие музеи имеют системы «персонального электронного справочника», целью которых является снабжение посетителя карманными «handheld» устройствами, которые обеспечивают доставку необходимой информации [1, 2]. Поскольку для изготовления данных специализированных устройств требуются достаточно большие трудозатраты и инвестиции, то данное направление не всегда считается экономически оправданным. В настоящее время повсеместное распространение мобильных средств связи и новейших высокоскоростных технологий коммуникации третьего и четвертого поколений приводит к тому, что необходимость создания подобных устройств практически отпадает. Отметим также тот факт, что современные системы поддержки посетителей как правило настроены только на доставку необходимой информации до посетителя в одностороннем порядке. Они не предоставляют ему возможности обратной связи, т.е. работы в интерактивном режиме с информационной музейной сетью и серверами, особенно со средствами визуализации объектов цифровых архивов, виртуальных галерей, выставок, Web-презентаций и т.д. Следует отметить, что для этого разрабатываются другие приложения, создаваемые непосредственно для реализации возможности интерактивного дистанционного управления виртуальными цифровыми объектами и архивами, а также реальными бытовыми электронными устройствами [3, 4].
В статье рассматривается методика объединения двух направлений -информационной поддержки и дистанционного управления в единой универ-
сальной интегрированной системе на основе технологии Bluetooth-связи, которая позволит любому пользователю не только получать необходимую информацию, но и, например, стать интерактивным участником экспозиции в так называемой расширенной виртуальной реальности.
Разработка таких программно-аппаратных систем с возможностью загрузки персональных компонент («дистанционного управления», «электронного гида» и т.п.) для информационной поддержки посетителей на базе имеющихся у них мобильных средств связи является, на наш взгляд, актуальной научно-исследовательской задачей.
1 Некоторые возможности технологии Bluetooth
Технология Bluetooth-связи напоминает реализацию технологии WiFi-соединений [5, 6]. При приеме и передаче используется безлицензионный диапазон 2,402-2,480 ГГц, разбитый на 79 полос шириной 1 МГц, что позволяет организовать каналы передачи данных, по которым можно передавать мультимедийную информацию. Интересной особенностью технологии является возможность самоорганизации Bluetooth-устройств в пикосети, включающие от 7 до 256 абонентов. При этом могут объединяться не только отдельные единицы, но и сами пикосети устройств с модулем Bluetooth-связи. Таким образом, принцип создания самоорганизующегося информационного пространства на базе модулей и пикосетей Bluetooth заключается в том, что взаимодействие, установка связи и обмен информацией между узлами происходят в тот момент, когда устройства находятся в пределах зоны досягаемости. К областям использования Bluetooth-технологии на современном этапе можно отнести:
1) реализацию передачи цифрового звука на близких расстояниях без специализированной аппаратуры в мобильных аудиосистемах;
2) замену инфракрасной связи для управления электронной техникой в пультах дистанционного управления (ПДУ);
3) дистанционное управление виртуальными презентациями и программным обеспечением с мобильного средства связи;
4) создание малых сетей для скоростного соединения компьютерной, периферийной и оргтехники, мобильных средств связи;
5) разработку систем персональной информационной поддержки на основе Bluetooth-связи в зонах публичного доступа;
6) разработку комплексного мобильного устройства управления интегрированной системой жизнеобеспечения интеллектуального дома или автомобиля, что включает:
- управление бортовым автомобильным компьютером;
- управление инженерными системами дома (электропитанием, вентиляцией, отоплением, водоснабжением);
- управление освещением;
- управлением системой охранной и пожарной сигнализации;
- управление бытовой техникой;
- управление системами видеонаблюдения, климат-контроля и т.д.
В нашем проекте решается задача создания системы управления электронными устройствами и информационной поддержки пользователей посредством мобильных устройств с модулями Bluetooth-связи. Программная часть разрабатывается на базе клиент-серверной технологии с поддержкой стандарта JSR-82-API для работы Java приложений по протоколу Bluetooth-связи [7].
2 Структура и принципы работы системы управления
Рассмотрим основные принципы работы предлагаемой в проекте системы.
На стационарных базовых узлах, оснащенных модулями В1иеШоШ-связи, устанавливается приложение-скрипт, написанное на языке BASH, которое с заданной периодичностью сканирует прилегающую к устройству зону радиодоступа на предмет обнаружения в нем доступных мобильных устройств коммуникации с помощью стандартной утилиты Hcitool.
Мобильные устройства с модулем Bluetooth периодически рассылают сигналы с информацией об уровне мощности передатчика. Стационарный базовый узел получает данные сигналы устройств, находящихся в его зоне доступа (ячейке). Сканирующее приложение-скрипт при помощи утилиты Hcitool извлекает значения параметров (RSSI, TLP, LQ) сигнала передающего модуля, которое при первом попадании в ячейку заносится в список разрешенных устройств.
Далее скрипт запускает клиентское приложение, написанное на языке Python, которое запрашивает позиционирующий сервер, также написанный на языке Python, и в случае положительного отклика передает ему данные, полученные от сканирующего BASH приложения-скрипта.
Сервер обрабатывает полученные запросы, ранжируя их по мощности сигнала, полученного от передатчиков в ячейке доступа. Далее программное приложение рассчитывает радиусы зон, в которых в данный момент времени расположены объекты идентификации, производит их распознавание по аппаратным адресам (MAC-адресам), которые регистрируются при первом попадании мобильного устройства в ячейку и в дальнейшем хранятся в базе данных сервера в течение некоторого времени «старения» MAC-адреса.
Для ведения адресных таблиц и других данных в позиционирующем сервере используется класс BtDevice. Каждый объект класса хранит в себе адрес устройства и данные о параметрах сигнала этого устройства, которые хранятся в структуре self.signaldata и имеют следующий вид:
(<Ai>: <параметры_сигнала_от_Al>, ..., <A„>: <параметры_сигнала_от_A„>},
где <Ai> - адрес стационарного узла, от которого были получены данные о параметрах сигнала мобильного передатчика.
При регистрации мобильных устройств используется процедура инициализации - metod_init, которая аналогична с конструкторами объектов класса в большинстве языков программирования. Процедура разбирает полученный хеш-список параметров регистрируемого устройства и добавляет необходимые значения в соответствующие поля структуры данных self.signaldata. Для объектов класса BtDevice в системе определены следующие методы:
- update_signal_params - принимает хеш-список параметров и обновляет структуру self.signaldata;
- defme not corrected zone - принимает адрес стационарного узла и вычисляет характеристики ячейки доступа узла с данным адресом;
- define corrected zone - принимает адрес стационарного узла, вычисляет зону местоположения клиентского мобильного устройства при помощи метода define not corrected zone, затем корректирует параметр с учетом того, где ранее находился клиент;
- defme_all_zones_and_nearest - определяет зону местоположения клиента относительно всех стационарных станций, принимающих его сигнал, и возвращает хеш-список, содержащий адрес ближайшей базы с максимальным уровнем мощности сигнала клиента и зону, в которую попадает клиент относительно данной базы.
Далее определяется типовой сценарий реакции разрабатываемой системы на попадание мобильного клиента между границами соответствующих зон доступа (рис. 1).
20 А
Рис. 1 Границы зон доступа
Границы зоны текущего местоположения мобильного объекта с модулем Bluetooth определяются по уровню значения индикатора RSSI (Received Signal Strength Indication), который предоставлен средствами протокола управления Bluetooth соединением LMP (LinkManager Protocol) [8]. На рис. 1 границы зон доступа обозначены сплошными черными линиями, а соответствующие значения RSSI приведены справа. Границы включаются в нижние зоны доступа, например, значение RSSI, равное 18, соответствует зоне 0, а RSSI, равное 13, - зоне 1 и т.д.
Штриховой линией обозначены условные границы зон доступа, которые получаются путем сдвига обычных границ на предопределенное значение (в данном случае на 2) в сторону перемещения объекта. Это позволяет предотвратить частую смену зон при флуктуациях сигнала в области границы.
Функциональная схема системы представлена на рис. 2.
Рис. 2 Структура системы
Протокол LMP стека Bluetooth-протоколов (рис. 3) относится к канальному уровню модели OSI и используется для установления соединения, аутентификации и конфигурирования устройств в пикосети Bluetooth.
Рис. 3 Стек протоколов Bluetooth
Приложение «менеджер соединений» Bluetooth-узла устанавливает соединение с менеджерами других клиентов по LMP-протоколу для организации самоорганизующегося информационного пространства в виде пикосети. Каждый менеджер в течение сеанса может несколько раз менять режим передачи голос/данные, способ соединения и тип передаваемых пакетов, переводить свое устройство в режимы низкого энергопотребления.
Параметр RSSI показывает значение разности между уровнем принятого сигнала и одной из границ (рис. 4), так называемого «золотого диапазона мощности» (Golden Received Power Range, GRPR).
Рис. 4 Золотой диапазон мощности
В «золотом диапазоне» устройства Bluetooth по возможности удерживают уровень принимаемого сигнала посредством периодической отправки передатчикам запросов на понижение/повышение мощности передаваемого сигнала. Положительное значение индикатора показывает, на сколько уровень входного сигнала превышает верхнюю границу «золотого диапазона», отрицательное - насколько уровень сигнала меньше его нижней границы. Нулевое значение индикатора говорит о том, что уровень сигнала лежит в пределах диапазона GRPR. Допустимые пределы разброса этих значений зависят от конкретного Bluetooth-оборудования, но согласно требованиям стандарта не должны превышать +/- 6 dB. Диапазон GRPR обычно находится в пределах от -60 dBm (1 нВт) до -40 dBm (0,1 мВт).
Протокол LMP также позволяет получить значение мощности передаваемого сигнала TPL (Transmit Power Level), которое изменяется с шагом в 4 dB и может быть использовано для уточнения местоположения отслеживаемого устройства в зонах доступа при нулевом значении RSSI.
Протокол LMP также поддерживает метод Read_Link_Quality, который является специфичным для каждого производителя оборудования и возвращает значение качества канала (Link Quality) в диапазоне от 0 до 255. Обычно значение качества Link Quality тем ближе к 0, чем больше препятствий на пути от передатчика к приемнику. Но ощутимые различия методов оценки Link Quality в устройствах разных поставщиков оборудования создают сложности для его использования в универсальной системе.
К другим ограничениями возможностей предлагаемой системы следует отнести тот факт, что рассматриваемые в проекте методики управления событиями в зависимости от определенного уровня мощности сигнала движущихся мобильных Bluetooth-устройств могут не поддерживаться Bluetooth-устройствами конкретных производителей. Поэтому одной из задач, выполняемой на этапе инициализации и регистрации оборудования пользователя, является тестирование его устройства на совместимость с предлагаемой системой.
3 Алгоритм определения местоположения
Рассмотренные выше принципы работы системы позволяют сформулировать основные этапы алгоритма определения местоположения мобильного устройства относительно стационарного Bluetooth-устройства.
1. Каждое стационарное Bluetooth-устройство с заданной периодичностью производит сканирование пространства в радиусе действия с целью поиска активных мобильных Bluetooth-клиентов.
2. При попадании клиента в зону доступа базового узла с ним устанавливается Bluetooth-соединение, и на сервер передается адрес устройства с полученными значениями RSSI и TPL.
3. Серверная часть программного комплекса обрабатывает полученные данные, проверяет адрес на его соответствие разрешенным зарегистрированным адресам из структуры self.signal_data.
4. Если мобильное устройство не прошло процедуру регистрации при входе в зону доступа, то его адрес фильтруется и устройству не разрешается передача управляющих воздействий и выполнение различных сценариев управления.
5. После идентификации разрешенного адреса программа анализирует полученные значения RSSI и сравнивает их с верхними уровнями RSSI кон-
кретных зон доступа, определяемых соответствующими радиусами действия. Верхние значения RSSI и радиуса круговых зон хранятся в таблице разграничения зон вместе с таблицей зарегистрированных и запрещенных адресов.
6. Далее приложение определяет примерную зону расположения конкретного мобильного устройства относительно стационарного базового узла.
7. После первичного определения местоположения устройства, при его движении в зоне действия стационарного базового узла, в зависимости от того, в какую сторону происходит изменение уровня сигнала, границы зоны сдвигаются на заранее определенную величину. Сдвиг происходит в сторону изменения уровня сигнала для предотвращения эффекта переключения идентификаторов соседних зон при флуктуациях значения RSSI вблизи границы.
8. Если данные о мобильном клиенте поступают с нескольких базовых узлов (рис. 5), то работает процедура вычисления «ближайшей базы» по уровню мощности входного сигнала.
з
2 """ч \
(«Уу \ \
з ^---------
Рис. 5 Схема позиционирования мобильного клиента
Для этого центральный сервер, сравнивая значения RSSI, полученные от различных устройств, назначает «ближайший» узел, относительно которого затем производится определение зоны доступа. Также имеется возможность определения всех доступных круговых зон доступа устройства относительно разных базовых станций с целью позиционирования клиента на схеме или плане здания.
Заключение
Рассмотренная система предполагает событийное управление различными сценариями поведения для совершения заранее предопределенных действий в зависимости от определения местоположения мобильного В1ие1;оо1:Ь-устройства. Эта технология может быть использована для управления различными бытовыми электронными устройствами и бортовыми компьютерными системами, например, включение/отключение охранной сигнализации при приближении/удалении мобильного клиента, пуска системы зажигания двигателя и т. д.
Фактически мобильный телефон/коммуникатор заменит уже в ближайшем будущем большинство пультов дистанционного управления (ПДУ). Практически любое мобильное средство связи можно превратить в программируемый универсальный ПДУ с возможностью его настройки на выполнение различных сценариев управления при попадании клиента в соответствующую зону близости относительно стационарных ВЫйооШ-узлов.
Если расположить стационарные узлы возле конкретных объектов, в определенных областях, вдоль предполагаемых траекторий движения, то также можно информировать пользователей о различных событиях, об объектах, о маршрутах движения и т.д. Такая технология может быть использована в музеях для автоматического предоставления посетителям необходимой аудиовизуальной информации о соответствующих музейных артефактах, рядом с которыми посетитель находится в данный момент времени [9]. Подобная система будет выполнять роль «интеллектуального электронного гида», информируя посетителей о заданных маршрутах осмотра достопримечательностей и их отклонениях от маршрутов и т.д. Аналогично можно управлять движущимися устройствами, корректируя их событийное поведение при приближении к базовым узлам в зонах доступа или на заранее предопределенных траекториях.
Список литературы
1. Cheverst, K. Developing a Context-aware Electronic Tourist Guide: Some Issues and Experiences / K. Cheverst, N. Davies, K. Mitchell, A. Friday, C. Efstratiou // In Proc. of CHI 2000. - Netherlands, 2000. - April. - P. 17-24.
2. Ciavarella, C. Design of a Location Aware System for Supporting Marble Museum Visitors / C. Ciavarella and F. Patern'o // In Proc. of EVA Florence. - Florence, 2003. -March.
3. Cav allu zzi, A. Interacting with embodied agents in public environments / A. Caval-luzzi, B. De Carolis, S. Pizzutilo and G. Cozzolongo // In Proceedings of the Working Conference on Advanced Visual interfaces (Gallipoli, Italy, May 25-28, 2004). AVI '04. ACM Press, New York. - NY, 2004. - Р. 240-243.
4. Vlahakis, V. Archeoguide: First Results of an Augmented Reality / V. Vlahakis, J. Karigiannis, N. Ioannidis [et al.] // Mobile Computing System in Cultural Heritage Sites, Proc. Of the 2001 Conference on Virtual Reality, Archeologym and Cultural Heritage. - 2001. - Р. 131-140.
5. The Official Bluetooth Membership site. Bluetooth Special Interest Group <https://www.bluetooth.org>.
6. Bluetooth Specifications Version 2.0. <http://www.proteam.com.cn/bluetooth/documents/specis/Bluetooth_20_Radio.pdf>.
7. First experiences with Bluetooth and Java in ubiquitous computing Cano J-P; Manzoni, P.; Toh, C.-K. // Computers and Communications : Proceedings. - 10th IEEE Symposium on Volume, Issue - 2005. - 27-30 June. - P. 223-228.
8. Yipin Ye, Janson. Atlantis: Location Based Services with Bluetooth / Yipin Ye, Jan-son // Brown University, www <cs.brown.edu/research/pubs/theses/ugrad/2005/jub.pdf>.
9. Finogeev, A. System of the removed management 3D-presentations for virtual museums and galleries / Alexey Finogeev // Electronic Imaging & the Visual Arts: Proceedings of the EVA 2006 conference / Cappellini, Vito, Hemsley James (Eds.). -2006. - April 3-7. - Florence, Italy. - С. 93-99.
