Bluetooth LE + Beacons = Pfadfinder
Indoornavigation in der Bayerischen Staatsbibliothek mit Beacons

Die Bayerische Staatsbibliothek (BSB) ist eine der großen Universalbibliotheken Europas und beherbergt mehr als 10 Millionen Bücher. Sie wird von 1,5 Millionen Besuchern im Jahr frequentiert – Nutzern mit ganz unterschiedlichen Bedürfnissen und Zielen. Sie auf dem kürzesten Weg an ihr Ziel zu leiten, hat sich die neueste App der Bibliothek, der BSB Navigator, zur Aufgabe gemacht. Zum Einsatz kommen Bluetooth Low Energy und Beacons.

Von Dr. Klaus Ceynowa und Markus Bokowsky

Außerhalb von Gebäuden ist die Navigation per Smartphone so selbstverständlich, dass wir die veränderte Situation beim Betreten eines Gebäudes zwangsläufig als massiven und störenden Bruch unserer Nutzererfahrung bewerten. Innerhalb von Gebäuden funktioniert die vertraute Ortung mittels GPS nicht, man ist zwangsläufig auf mehr oder weniger nützliche Wegweiser angewiesen. Das wird nicht selten der Institution, in der man sich aufhält, als eine Art „Diss- Service“ ausgelegt, als Gleichgültigkeit gegenüber dem eigenen Bedürfnis nach rascher Orientierung und zügiger Zielführung. Dies gilt umso mehr, je differenzierter das Leistungsspektrum der Einrichtung ist, je heterogener ihre Zielgruppen und je unübersichtlicher das Gebäude selbst.

Der in den Jahren 1832 bis 1843 im Auftrag König Ludwigs I. von Friedrich von Gärtner nach dem Vorbild italienischer Renaissance-Palazzi errichtete, heute unter Denkmalschutz stehende Vierflügelbau an der Münchener Ludwigstraße hat eine Länge von 152 Metern, eine Tiefe von 78 Metern und eine Höhe von 27 Metern. Der öffentlich zugängliche Bereich erstreckt sich über fünf Stockwerke. Die ursprüngliche bauliche Gestaltung des Innenraums verband repräsentative Ziele mit bibliotheksfachlichen Aspekten und stellt bis heute nicht geringe Ansprüche an das Orientierungsvermögen der Besucher. Zudem hat die Bayerische Staatsbibliothek mit sehr heterogenen Nutzergruppen umzugehen (Wissenschaftler, Studierende, Schüler, allgemeine Öffentlichkeit, Touristen), denen ein ausdifferenziertes Spektrum lokaler Dienste angeboten wird – von der „Leihstelle“ bis zum Aventinus-Forschungslesesaal. Das Smartphone ist der ständige Begleiter fast all unserer Besucher, daher haben wir uns entschieden, eine App zur Indoornavigation für die Besucher des Hauses zu entwickeln.

Warum mit Beacons?

Indoornavigation ist kein neues Thema. Der Wunsch, die durch GPS und Apps wie Google Maps gewohnte Orientierungshilfe auch in Gebäuden anbieten zu können, existiert schon lange. Allein, es mangelte bisher an offenen Standards und bezahlbaren Lösungen.

Sowohl Google als auch Apple unternehmen gegenwärtig Anstrengungen, auch den Innenbereich von Gebäuden in ihre Maps-Applikationen aufzunehmen, zu sehen in Google Maps, zum Beispiel in Berlin bei der Mercedes-Benz Arena oder dem KaDeWe. Allerdings werden hier nur Karten des Innenraums des Gebäudes zur Orientierung dargestellt, Navigation ist (noch) nicht möglich. Auch handelt es sich bei beiden noch um ein geschlossenes Programm. Man muss sich um die Teilnahme bewerben, sowohl Google als auch Apple bearbeiten die Karten nach. Man muss Glück haben, mitmachen zu dürfen – und hat zudem nur begrenzt Einfluss auf das Ergebnis. Daher also die eigene App.

Auch hierfür gibt es schon länger Lösungen, meist auf WiFi-Basis. Es handelt sich um geschlossene Systeme mit proprietärer Technik, man ist an einen Anbieter gebunden. Bluetooth Low Energy und Beacons bieten jetzt erstmalig die Möglichkeit, Indoornavigation zu einem Bruchteil der Kosten selbst zu realisieren.

Beacons, 2013 von Apple zusammen mit iOS 7 unter dem Namen „iBeacons“ eingeführt, sind mittlerweile ein Standard und unter dem Namen „Eddystone“ auch in der Android-Welt zu Hause. Wir verwenden hier weiterhin den Begriff Beacons, der sich für beide Spielarten als Gattungsbegriff etabliert hat. Für die Programmierung spielen die kleinen Unterschiede, wenn man einige Feinheiten beachtet, keine Rolle, sodass man Apps für beide Plattformen mit den gleichen Beacons realisieren kann. Der User benötigt mindestens ein iPhone 4S ab iOS 7 bzw. ein Bluetooth-Low-Energy-fähiges Android- Smartphone ab Android 4.3.

Das Angebot an Beacons ist vielfältig, sie sind in allen Formen und Farben erhältlich. Es gibt outdoorfähige, solche mit USB-Anschluss, mit festverbauter oder wechselbarer Batterie etc. Worauf man bei der Auswahl der Hardware achten sollte, sind folgende Punkte:

• Montagefähigkeit: Die Beacons müssen stabil auf unterschiedlichem Untergrund befestigt werden können. Ist die Rückseite so beschaffen, dass man mit Klebeband arbeiten kann? Gibt es evtl. eine Aussparung zur Befestigung per Schraube?
• Form und Farbe: Man wird sie im Gebäude sehen, d. h. sie sollten sich so harmonisch wie möglich einfügen.
• Batterie: Die Batterie sollte unbedingt wechselbar sein, sonst muss der ganze Beacon getauscht werden, was neben den höheren Kosten noch eine Reihe anderer negativer Nebenwirkungen hat.
• Identifizierbarkeit: Ist der UUID des Beacons, der ihn zusammen mit Major und Minor eindeutig identifizierbar macht, außen auf das Gehäuse gedruckt und somit auch ohne App lesbar?
• Sleep Mode: Ein Sleep Mode wäre nicht schlecht, d. h. die Fähigkeit, den Beacon in den Stunden, in denen das Gebäude geschlossen ist, in einen Stromsparmodus zu versetzen, damit die Batterie länger hält.
• Konfigurierbarkeit: Sendeleistung, Advertising Interval, Major und Minor etc. sollten so bequem wie möglich konfigurierbar sein. Dies sollte komfortabel per Web-App, API oder besser noch durch eine vom Hersteller zur Verfügung gestellte Smartphone-App möglich sein.

Neben der Hardware braucht es aber natürlich auch Software. Die wichtigste Komponente – neben einer hervorragenden UX – sind die Algorithmen zur Bestimmung der Position des Users im Gebäude. Auf Basis dieser Daten kann dann die Route zum Zielpunkt berechnet werden. Dies kann man selber schreiben, aber das ist aber nicht unbedingt ratsam. Besser ist es, auf bestehende SDKs zurückzugreifen; der Markt hierfür ist gerade dabei, sich zu entwickeln. Die Auswahl ist überschaubar, aber ausreichend. Wir haben uns für das SDK von indoo.rs, einem österreichischen Start-up entschieden.

Wie funktioniert die Positionierung?

Das indoo.rs-SDK kombiniert hierzu mehrere Techniken. Die einfachste ist Proximity, also die einfache Abstandmessung zum Beacon. Sind mindestens drei Beacons in Reichweite, kann z. B. Trilateration angewendet werden, eine Methode die man aus dem Mobilfunk kennt. Um eine Genauigkeit von 2–3 Metern zu erreichen, reicht dies allerdings nicht aus. Hierzu ist Fingerprinting notwendig. Dabei wird das Gebäude mit einer speziellen App „ausgemessen“. Alle paar Meter wird ein Messpunkt („Fingerprint“) gesetzt. Die App misst dabei die Sendestärke der in Reichweite befindlichen Beacons und schreibt diese Informationen in eine Datenbank. Die dabei generierten Messpunkte werden dann bei der Positionsbestimmung mit den Livedaten verglichen, um eine Position zu ermitteln. Um die hohe Genauigkeit zu erreichen, werden zusätzlich weitere Sensoren des Smartphones herangezogen, um über ein Verfahren namens Sensor Fusion die Bewegungsrichtung (Kompass, Gyroskop, Beschleunigungssensor) und das Stockwerk (Barometer) zu bestimmen.

Die App im Detail

Die App BSB Navigator ist seit März kostenlos für iPhones erhältlich. Eine Android-Version ist gegenwärtig in Arbeit und wird noch im Sommer 2016 erscheinen. Die App ist in Deutsch und Englisch verfügbar und bietet folgende Features:

• Eine interaktive Karte, die sämtliche für die Benutzer zugänglichen Gebäudeebenen und Geschosse umfasst. Die einzelnen Ebenen sind vom Nutzer frei anwählbar, die Karte zeigt beim Aufrufen stets die aktuelle Position des Anwenders (Abb. 1).
• Eine Echtzeit-Indoornavigation, die den Nutzer von
  seiner aktuellen Position zu einem ausgewählten Ziel
  innerhalb des Gebäudes führt (Abb. 2).
• 90 POIs, die als Navigationsziele dienen und zu denen
  weitere Informationen (Öffnungszeiten, Services
  etc.) verfügbar sind.
• Einen Discovery Mode, der den Nutzer buchstäblich
  im Vorbeigehen auf interessante Objekte, Orte und
  Sachverhalte, die im Zusammenhang mit der Bibliothek
  stehen, aufmerksam macht.
• Eine „Tour“-Funktionalität, die den Nutzer auf einer
  zuvor ausgewählten Route entlang bestimmter Points
  of Interest durch die Bibliothek führt. Aktuell sind
  zwei Touren implementiert: der „Allgemeine Rundgang“
  für Neunutzer und der „Touristische Rundgang“,
  ein Führer zu den touristischen Highlights der
  Bayerischen Staatsbibliothek.

Abb. 1: Die einzelnen Stockwerke lassen sich frei wählen

Abb. 2: Wie bei Google Maps, nur Indoor

Das extrem schlanke User Interface, das die beschriebenen Funktionalitäten umsetzt und nach den Prinzipien des Flat-Designs gestaltet ist, weist die Besonderheit auf, dass es mit nur zwei unterschiedlichen Views auskommt, der Haupt-View und der Karten-View.

Die Haupt-View ist der Startbildschirm und eröffnet den Zugriff auf sämtliche Dienste der App. Ein Positionsbutton oben links auf dem Screen lokalisiert den Nutzer auf der Karte an seinem jeweiligen Standort im Gebäude. Der Suchschlitz darunter bietet die Möglichkeit der direkten Suche nach Points of Interest (z. B. Infoschalter, Lesesäle, Gruppenarbeitsplätze), der Treffer wird direkt auf der Karte angezeigt (Abb. 3). Unterhalb des Suchschlitzes wird die Karte in Form eines etagenweise geschichteten, stilisierten Grundrisses dargestellt. Die einzelnen Stockwerke sind vom Nutzer anwählbar. Die POIs der jeweiligen Etage werden durch Icons bezeichnet, deren Antippen zu ergänzenden Informationen führt und einen „Bring mich hin“-Button enthält (Abb. 4). Seine Anwahl startet dann unmittelbar die Navigation zu diesem Ort.

Abb. 3: Auf der Suche nach POIs

Abb. 4: Ziel geortet – bring mich hin!

Unterhalb der interaktiven Karte findet sich die Kategorienliste, die einen Überblick über die verfügbaren POIs gibt. Das Antippen eines POIs in der Kategorienliste führt erneut zu seiner Anzeige auf der Karte und damit wieder zum „Bring mich hin“-Button. Unterhalb der Kategorienliste findet sich noch die Auswahl der „geführten Touren“. Das Klicken auf einen der Tourbuttons führt ebenfalls wieder auf die Kartenanzeige des aktuellen Standorts des Nutzers im Gebäude und startet von dort aus die angewählte Tour.

Eine Besonderheit ist der Discovery-Modus. Hier werden Informationen auf das Smartphone des Nutzers gepusht, sobald dieses sich in der Nähe bestimmter Sehenswürdigkeiten befindet. Es handelt sich hierbei um Kurzinfos zu interessanten Objekten und Orten im Gebäude, die bewusst nicht in die Kategorienliste der unmittelbar nutzungsrelevanten Standorte aufgenommen wurden (z. B. die Erd- und Himmelsgloben vor dem Handschriftenlesesaal oder die Statue Herzog Albrechts im Treppenhaus). Der Discovery-Modus muss vom User eingeschaltet werden und ist jederzeit wieder deaktivierbar.

Die Navigationsfunktion der App wird immer über den „Bring mich hin“-Button der Infoboxen ausgelöst, die über die POIIcons auf der Karte anwählbar sind. Das Antippen des Buttons löst dann direkt die Kalkulation der Route vom aktuellen Standort zum Zielpunkt aus. Die kalkulierte Route wird als blaue Linie angezeigt, die von der aktuellen Position des Nutzers zum gewählten Zielort führt. In den Fällen, wo sich Start- und Endpunkt der Navigation nicht im selben Stockwerk befinden, wird die blaue Linie am Übergang zwischen den Geschossen auf der Treppe unterbrochen und im nächsten Geschoss fortgeführt. Während des Navigationsvorgangs wird die aktuelle Position des Users auf der blauen Linie angezeigt – wie man es von Outdoornavigations-Apps gewohnt ist (Abb. 2). Wechselt man von einem Stockwerk ins nächste, schaltet sich auch die Karte automatisch um.

Die Navigation findet immer auf der Karten-View statt. Diese weist noch die Besonderheit auf, dass sich alle Funktionen der Haupt-View auch von hier aus über das Lupensymbol oben rechts aufrufen lassen.

Contentmanagement

Wichtig bei der Konzeption war uns, dass die App nicht der mobilen Version der Website der Bayerischen Staatsbibliothek Konkurrenz macht, sondern so kurz und knapp wie möglich die im Kontext der Vor-Ort- Nutzung für den jeweiligen POI relevanten Informationen anzeigt. Auch wenn es nicht viel Content ist, muss dieser doch verwaltet werden. Wir haben dafür zum einen auf ein von Bokowsky + Laymann entwickeltes System zur Verwaltung der POI-Metadaten und zum anderen auf ein in der Bibliothek bereits im Einsatz befindliches CMS zur Verwaltung der Bilder und Texte der Infokarten gesetzt. Der Content kann somit im Haus bequem per Webbrowser bearbeitet und übersetzt werden; ein Exportprozess bringt ihn dann in die App, sodass er dort offline zur Verfügung steht.

Lessons Learned

Genaugenommen ist der BSB Navigator ja ein Internet- of-Things-Projekt. Und das merkte man bei der Entwicklung auch deutlich: Die Hardwarekomponente war nicht zu unterschätzen. Insgesamt wurden 245 Beacons im denkmalgeschützten Gebäude der Bayerischen Staatsbibliothek angebracht. Das war, wie man sich vorstellen kann, auch eine handwerkliche Herausforderung. Man muss einen Kompromiss zwischen den Orten finden, wo sie am wenigsten stören, und denen, wo sie für die Positionierung das beste Ergebnis liefern. Überhaupt hat die Beschaffenheit des Gebäudes und die Ausgestaltung der Räume großen Einfluss auf das Ergebnis. In unserem Fall war hier von allem etwas dabei. Wir haben extrem große offene, hohe Räume wie das Prachttreppenhaus (Abb. 5) und auch extrem verwinkelte, enge, wie zum Beispiel das Magazin im Zeitschriftenlesesaal. Das macht für die Positionsgenauigkeit einen großen Unterschied. Es empfiehlt sich hier, Raum für Raum iterativ vorzugehen und zwischendurch immer wieder zu testen. Auch der menschliche Faktor ist nicht zu unterschätzen: Ein leerer Lesesaal verhält sich anders als ein mit 1 000 Benutzern gefüllter.

Abb. 5: Imposant, aber eine Herausforderung für die Genauigkeit

Das Projekt BSB Navigator

Die App wurde konzipiert und entwickelt von Bokowsky + Laymann aus München. Die Entwicklung erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Angewandte Softwaretechnik der TU München, Professor Brügge. Die komplette fachliche Bearbeitung erfolgte inhouse durch die Spezialisten der Bayerischen Staatsbibliothek. Zum Einsatz kam ein von Bokowsky + Laymann entwickeltes System zur Verwaltung von Location-based Services, das um eine Indoor- und Beacon-Komponente erweitert wurde. Die Verwaltung des Contents erfolgte in einem in der Bayerischen Staatsbibliothek bereits im Einsatz befindlichen CMS. Zur Positions- und Routingberechnung kam das SDK von indoo.rs zum Einsatz. Die ausgewählten Beacons stammen von Kontakt.io. Die App ist in Swift entwickelt.

Die Dokumentation spielt bei einem Beacon-Projekt eine wichtige Rolle. Wir haben uns entschieden, jeden aufgehängten Beacon an seiner Position zu fotografieren und zusammen mit UUID sowie Major und Minor in der Dokumentation zu vermerken. Das hat sich bereits vor Ende der Programmierarbeiten als goldrichtige Entscheidung erwiesen. Was macht man, wenn ein Beacon einfach verschwindet? Klingt unwahrscheinlich, kommt aber vor. Denn wir lernten: Powerstrips halten gut, aber nicht ewig. Schrauben sind besser! Auch ist die Anziehungskraft eines heruntergefallenen Beacons als Souvenir nicht zu unterschätzen. Kommt ein Beacon abhanden und muss ersetzt werden, ist das grundsätzlich kein Problem. Wichtig ist aber, dass er an der genau gleichen Stelle wieder aufgehängt wird, sonst stimmen die Fingerprints in der App nicht mehr und die Genauigkeit in diesem Segment wird schlechter. Ebenfalls wichtig beim Ersetzen eines Beacons: Der neue Beacon muss die gleiche Major- und Minor-ID bekommen wie der zu ersetzende. Glücklich, wer jetzt eine gute Dokumentation hat!

Welche Genauigkeit kann man erreichen? Nun, das ist von vielerlei Faktoren abhängig: Raumbeschaffenheit, reflektierende Elemente (Glas), die sich im Gebäude bewegenden Menschen, etc. Teilweise hatten wir sogar die Mondphasen im Verdacht, wenn sich die Positionsgenauigkeit an derselben Stelle von Tag zu Tag unterschied, obwohl nichts geändert wurde. Kurz: Es sind eine Vielzahl von Faktoren, und nicht alle sind immer fassbar.

Indoornavigation per Bluetooth ist eine noch junge Disziplin, man muss zuweilen mit unvorhergesehenen Ergebnissen rechnen. Am Ende des Tages haben wir mit Ausnahme von extrem schwierigen Bereichen, wie zum Beispiel dem Magazin im Zeitschriftenlesesaal, im gesamten Gebäude eine Genauigkeit von 2–3 Metern erreicht. Interessant zu sehen ist, dass die Erwartungshaltung an die Genauigkeit in Gebäuden höher ist als im Freien. In Gebäuden erwarten wir durch den engeren räumlichen Kontext automatisch eine genauere Positionierung als auf der Straße – ein durchaus interessanter psychologischer Effekt.

Gelernt haben wir auch, dass Indoornavigation sehr rechenintensiv und damit nicht wirklich akkuschonend ist. Subjektiv betrachtet geht der Smartphoneakku noch schneller zur Neige als bei Outdoornavigation. Wo wir gerade beim Thema Batterieverbrauch sind: Wie verhält es sich eigentlich mit den Batterien in den Beacons? Aus unserer Erfahrung: extrem unvorhersehbar. Die Knopfzellen in unseren Beacons sollen ein bis zwei Jahre halten. Wählt man bei Sendestärke und Advertising- Intervall konservative Werte und verwendet den Sleep Mode, dann lassen sich diese Werte wohl auch in der Praxis erreichen. Wir hatten aber auch Beacons, die von einem Tag auf den anderen ihren Betrieb eingestellt haben, obwohl ihre Batterie am Vortag noch über 80 Prozent zeigte. Man sollte sich also auf die Batteriestandsanzeige der Beacons, die man mit einer vom Beacon- Hersteller zur Verfügung gestellten App auslesen kann, nicht verlassen. Da wir aus Datenschutzgründen die App nicht mit dem Internet kommunizieren lassen, können wir auch kein Bluetooth-Harvesting zum Auslesen des Ladestands der Batterien der Beacons durchführen, wie das andere Indoornavigations-Apps tun. Daher sind wir auf das manuelle Auslesen der Beacons per Bluetooth mit einer eigenen App angewiesen, was extrem zeitaufwendig und unbequem ist. Die Konsequenz wird wohl sein, dass wir einmal im Jahr auf einen Rutsch alle Batterien wechseln, unabhängig von ihrem tatsächlichen Zustand.

Ausblick

Die iOS-Version der App ist seit März im Store, an der Android-Version wird gerade gearbeitet; sie wird im Sommer fertig sein. Wir sind gespannt, inwieweit sich die Positionsgenauigkeit zwischen iPhones und Androiden und innerhalb der Androiden abhängig von Gerätehersteller, verbautem Bluetoothchipsatz und Android-Version unterscheiden wird. Die Entwicklung im Indoornavigationssektor schreitet rasant voran, indoo.rs veröffentlicht in Abständen von wenigen Monaten neue Versionen des SDKs. Der BSB Navigator wird diese Entwicklung mit Updates sicherlich mitgehen.

Ein Feature, auf das wir sehnsüchtig warten, ist „Alternative Routing“. Momentan kann immer nur eine Route zum Ziel berechnet werden. Deshalb sind aktuell die Fahrstühle auch nicht mit eingeschlossen. Wir zeigen sie zwar auf der Karte an, und man kann sich auch zu ihnen navigieren lassen, bei der Routenberechnung werden sie aber nicht berücksichtigt; stattdessen wird man immer über die Treppen geleitet. Des Weiteren haben wir die Situation, dass einige Bereiche des Hauses früher schließen als andere. Daher kann es vorkommen, dass man zum Beispiel um 22 Uhr, wenn der allgemeine Lesesaal noch offen hat, zu diesem über eine Treppe geleitet wird, die sich in einem schon abgeschlossenen Bereich des Gebäudes befindet. Auch für die Berechnung von barrierefreien Routen ist das Alternative-Routing-Feature notwendig. Barrierefreiheit stellt jedes denkmalgeschützte Gebäude vor große Herausforderungen; in der Bayerischen Staatsbibliothek ist ein barrierefreier Zugang möglich – man muss die Wege allerdings kennen. Gerne würden wir hier mit der App unterstützen und ein barrierefreies Routing anbieten.

Fazit

Indoornavigation auf Bluetoothbasis ist noch eine junge Disziplin. Es wird sich auf diesem Sektor in den nächsten Monaten und Jahren noch viel tun. Wenn man sich zu einem derartigen Projekt entschließt, sollte man es daher unbedingt als Innovationsprojekt mit all seinen Chancen und Risiken begreifen.

Innovationsprojekte treffen ja immer eine Aussage darüber, wo man in Zukunft stehen will – aber jetzt eben noch nicht ist. Der innovative Blick sieht das Gegenwärtige grundsätzlich als das zu Verändernde – Innovation lässt sich geradezu als Nichtakzeptanz des Status quo definieren. Daher ist Innovationshandeln immer experimentell, es ist ein sich Hineinwagen in unerkundetes Land und damit per se riskant. Dieses Risiko muss institutionell erlaubt und sogar gewollt sein, es ist ein konstitutives Element jeder Innovation. Das Indoornavigationsprojekt der Bayerischen Staatsbibliothek versteht sich damit auch als ein kleiner Beitrag zur Einübung dieser Haltung im Arbeitsalltag einer großen Universalbibliothek.