關(guān)于RFID的博物館人機互動定位系統(tǒng)

近幾年，隨著無線射頻識別技術(shù)RFID(Radio FrequencyIdenTIficatiON)的快速發(fā)展，RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在物流追蹤、倉庫管理、圖書館管理、智能考勤等各個方面。RFID技術(shù)不斷滲透到生活的各個角落，如北京奧運會中使用了RFID智能門票系統(tǒng)，上海世博會上RFID技術(shù)更是無處不在。

在21世紀(jì)的今天，現(xiàn)代博物館是集參觀流覽、智能互動于一體的多媒體信息系統(tǒng)。在現(xiàn)代博物館的智能互動系統(tǒng)中，游客的室內(nèi)定位常常是實現(xiàn)人機互動的必要前提。相對于其他成熟的定位技術(shù)(如GPS 、Wi-Fi 、藍牙等)，RFID定位技術(shù)能夠很好地克服由室內(nèi)無線環(huán)境引起的多徑和視距干擾，具有靈活性高、適應(yīng)性強、操作便捷等優(yōu)點，使得RFID在博物館這種空間較小但環(huán)境復(fù)雜的室內(nèi)定位場合具有廣泛的應(yīng)用前景。國外已經(jīng)成功地將RFID技術(shù)應(yīng)用于博物館中，如美國加州創(chuàng)新技術(shù)博物館、San Francisco的科學(xué)博物館Exploratorium等。

這些現(xiàn)代的科學(xué)博物館將RFID技術(shù)應(yīng)用于真人互動游戲中，支持游客在真實環(huán)境下與真實物體實現(xiàn)互動，突破了傳統(tǒng)游戲場景的限制，為游客提供更加自由和人性化的互動服務(wù)。

本文基于博物館的實際應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合RFID定位技術(shù)設(shè)計了一種人機互動的定位系統(tǒng)，主要包括人機互動的游戲部分和輔助人機互動的區(qū)域定位部分。同時提出了一種結(jié)合RFID定位技術(shù)的人機互動游戲應(yīng)用方案，并將該方案成功應(yīng)用到博物館中。

1 系統(tǒng)原理和功能

1.1 系統(tǒng)原理

RFID是一種利用射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。RFID技術(shù)可以分為有源系列和無源系列。有源和無源RFID的性能對比如表1所示。

表1 有源和無源RFID對比

由表1可知，有源RFID具有更長的識別距離和更強的移動追蹤能力。本文需要對博物館中人員進行室內(nèi)定位追蹤，故采用有源RFID設(shè)備。

系統(tǒng)主要包括三個部分：標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)。標(biāo)簽和讀卡器構(gòu)成RFID網(wǎng)絡(luò)，感知游客的各種情景信息，并遠程傳輸給信息處理系統(tǒng)集中處理。

博物館的場館簡易平面分布圖如圖1所示。

RFID的博物館人機互動定位系統(tǒng)主要包含人機互動的游戲部分和人員區(qū)域定位部分。人機互動的游戲部分主要利用圖1中互動游戲場館內(nèi)編號為a 、b 、c的讀寫器實現(xiàn)室內(nèi)精確的二維定位，便于與游戲地圖進行比較，從而完成移動人員的定位與追蹤。人員區(qū)域定位部分主要利用圖1中場館通道間的讀寫器(編號為0 、1 、2、3、4 、5 、6)實現(xiàn)，游客在通過場館通道時，讀寫器會自動讀取游客門票中的標(biāo)簽信息，完成區(qū)域定位的功能。

標(biāo)簽的ID號是唯一的，用于游客身份的識別。讀寫器接收到的數(shù)據(jù)包含有標(biāo)簽ID號信息、數(shù)據(jù)發(fā)送時刻信息等，PC上位機接收到的數(shù)據(jù)包含有源標(biāo)簽ID號信息、數(shù)據(jù)發(fā)送時刻信息和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的讀寫器編號信息等，PC上位機集中處理這些由讀卡器轉(zhuǎn)發(fā)而來的數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)功能

1.2.1 游戲場館內(nèi)人員移動軌跡的追蹤

如圖3所示，在游戲場館C區(qū)內(nèi)，設(shè)編號分別為a 、b 、c的三個有源讀寫器的位置為(xa，ya)，(xb，yb)，(xc，yc)，游客的位置坐標(biāo)(x，y)，三個讀卡器到游客的距離分別為Ra、Rb、Rc，由時間信息定位方法(TOA)可得式(1)，即可求解游客的位置坐標(biāo)(x，y)。


由于電磁波信號在室內(nèi)傳播呈現(xiàn)多徑效應(yīng)干擾衰弱與遮蔽效應(yīng)，預(yù)估的傳播距離將產(chǎn)生誤差，所以定位的位置不會交于一點，而是一定面積大小的區(qū)域。

為了不失一般性以及方便定位需要，可設(shè)游客的位置坐標(biāo)落在由點(x-△x ，y-△y) 、(x-△x ，y+△y) 、(x+△x ，y -△y)和(x +△x ，y +△y)構(gòu)成的長方形區(qū)域內(nèi)，其中長方形的長、寬分別為△x、△y，即游客的位置坐標(biāo)(x，y)滿足式(2)。

如某游客進行人機互動游戲時，設(shè)其初始位置為Ini，目標(biāo)位置為Des，游戲地圖由小長方形區(qū)域組成，如圖3中灰色區(qū)域所示，游客根據(jù)灰色的游戲地圖進行移動，與此同時，系統(tǒng)實時地將解算出的游客位置與游戲設(shè)定的地圖相匹配，進而完成互動游戲。

1.2.2 游客的實時區(qū)域定位

當(dāng)游客在圖1中入口處的0號讀寫器刷卡后，即可授權(quán)進入博物館參觀，游客門票中的標(biāo)簽ID號信息被送往PC上位機實時處理，建立游客文檔INFO.游客文檔包括進入各場館的時間、離開各場館的時間、在各場館參觀的時間、當(dāng)前所在的場館區(qū)域及游客頭像等信息，INFO的結(jié)構(gòu)體表達式如下：

其中結(jié)構(gòu)TOURTIME定義為：

在游客通過場館間的通道時，讀寫器會自動識別游客門票中的標(biāo)簽信息，實時判斷游客進入某場館(或離開某場館)，同步更新游客文檔信息INFO。

2 系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件

硬件設(shè)備采用了RFID組件，主要包括PC、有源標(biāo)簽、有源讀寫器、攝像頭以及相關(guān)設(shè)備連接線等。博物館的環(huán)境比較復(fù)雜，繁多的多媒體設(shè)備帶來的中低頻干擾較大，為了適應(yīng)博物館這種獨特的環(huán)境，需要采用微波段的RFID設(shè)備?，F(xiàn)階段的微波段RFID主要集中在工作頻率為2.4GHz~5.8GHz，其中以2.4GHz有源RFID系統(tǒng)較為成熟。博物館采用的RFID各設(shè)備型號如表2所示。

表2 RFID硬件設(shè)備

2.2 系統(tǒng)軟件

RFID系統(tǒng)軟件采用了Delphi7、MYSQL和ODBC等進行人機界面開發(fā)。軟件系統(tǒng)主要可劃分為游客INFO文檔的建立、區(qū)域定位、游戲場館內(nèi)人員移動軌跡的追蹤。

2.2.1 文檔的建立

PC上位機根據(jù)安裝在入口處的0號讀寫器讀取的數(shù)據(jù)信息，實時存儲刷卡人門票中的標(biāo)簽ID號信息，實時構(gòu)建一個以ID號為標(biāo)識的信息文檔INFO，并同步截取刷卡人的照片并保存到對應(yīng)的文檔下，具體流程如圖4所示。

2.2.2 區(qū)域定位

PC上位機根據(jù)0~6號讀寫器提供的數(shù)據(jù)包中的讀寫器編號來判斷游客即將進入的場館區(qū)域；根據(jù)標(biāo)簽ID號信息來區(qū)分游客；根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送時刻來記錄游客在各場館的參觀時間，并將這些信息實時更新到游客的INFO文檔中，具體流程如圖5所示。

2.2.3 游戲場館C區(qū)內(nèi)人員移動軌跡的追蹤

游戲場館C區(qū)編號為a、b、c的讀寫器可以完成C區(qū)內(nèi)人員移動追蹤。游戲軌跡地圖由一組二維坐標(biāo)構(gòu)成，設(shè)i時刻的游戲地圖為map [i]，游客的二維坐標(biāo)為pos[i].互動游戲開始后，將游客坐標(biāo)pos[i]與游戲地圖map[i]相比較。

如果在各個時刻兩者都相一致，則根據(jù)從信息包中提取出來的ID號查找數(shù)據(jù)庫，從該ID號碼對應(yīng)的信息文檔提取照片，將照片保存到指定的(winner)文檔路徑下，指示該游客為人機互動游戲的勝利者并返回。

如果某一時刻游客的坐標(biāo)pos[i]與游戲地圖map [i]不相一致，則返回并指示游客游戲失敗。人機互動游戲的數(shù)據(jù)處理具體流程如圖6所示。

游戲地圖可以根據(jù)不同的需要來設(shè)定游戲軌跡的長度、難度以及布置障礙物等，豐富游戲場景，同時也可以設(shè)置多人模式進行人機互動游戲。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

3.1 游戲場館內(nèi)的定位誤差測試

游戲場館C區(qū)為14m×20m的長方形區(qū)域，測試長方形游戲場館C區(qū)內(nèi)每個點的坐標(biāo)位置，并與實際標(biāo)準(zhǔn)位置做比較，所得的誤差曲線如圖7所示。所以可將式(2)中的△x、△y設(shè)置為△x=△y=0.8m，即地圖的小區(qū)域為0.8m×0.8m的正方形區(qū)域，這樣足可以保證對人員移動軌跡追蹤的準(zhǔn)確度。

3.2 游客的INFO信息測試

采用上述硬件設(shè)備和相應(yīng)開發(fā)軟件進行系統(tǒng)開發(fā)，5位游客分別選取了5張有源卡(ID號分別為0x33、0x62、0x76、0x0F、0x58)進行系統(tǒng)測試，部分系統(tǒng)測試結(jié)果如下：

建立的以ID號標(biāo)識的游客文檔如圖8所示。

ID=0x33的游客INFO詳細信息，如圖9所示。由圖可知ID=0x33的游客在A場館內(nèi)參觀了20min，在B場館參觀了27min，當(dāng)前所在位置為C場館，還沒有進入D場館。

3.2 人機互動游戲的測試

上述5位游客參與人機互動游戲，其中ID號為0x62、0x0F的兩位游客最終完成了互動游戲，其他3位游客游戲失敗，系統(tǒng)測試結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)上述互動游戲結(jié)果圖中的ID號，提出頭像照片，保存到(winner)文檔路徑下，并顯示互動游戲勝利者的照片，同時指示為互動游戲的勝利者，如圖11所示。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于RFID室內(nèi)定位技術(shù)的人機互動游戲方案，利用RFID定位技術(shù)實現(xiàn)對游客移動軌跡的追蹤，并將其應(yīng)用于游戲互動的識別。本文提出的設(shè)計已成功應(yīng)用于福建某數(shù)字博物館，在博物館的控制中心可以通過人機互動界面查看各個場館內(nèi)的游客流量、游客當(dāng)前所在場館、在各個場館的參觀時間及游客參與人機互動游戲的情況，同時該系統(tǒng)還可以連接到地區(qū)的物聯(lián)示范網(wǎng)，提高經(jīng)濟效益，大大節(jié)約成本。

基于RFID的數(shù)字博物館為游客提供了更加自由和人性化服務(wù)的同時，也提高了管理人員的工作效率。對博物館緊急事故的處理帶來了便利，保證了游客的人身安全，為博物館帶來更多的經(jīng)濟效益，推動RFID產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。