基于RFID的博物館人機互動定位系統

近幾年，隨著無線射頻識別技術RFID(Radio FrequencyIdenTIficatiON)的快速發(fā)展，RFID技術已經被廣泛地應用在物流追蹤、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，上海世博會上RFID技術更是無處不在。

在21世紀的今天，現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。在現代博物館的智能互動系統中，游客的室內定位常常是實現人機互動的必要前提。相對于其他成熟的定位技術(如GPS 、Wi-Fi 、藍牙等)，RFID定位技術能夠很好地克服由室內無線環(huán)境引起的多徑和視距干擾，具有靈活性高、適應性強、操作便捷等優(yōu)點，使得RFID在博物館這種空間較小但環(huán)境復雜的室內定位場合具有廣泛的應用前景。國外已經成功地將RFID技術應用于博物館中，如美國加州創(chuàng)新技術博物館、San Francisco的科學博物館Exploratorium等。

這些現代的科學博物館將RFID技術應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互動，突破了傳統游戲場景的限制，為游客提供更加自由和人性化的互動服務。

本文基于博物館的實際應用環(huán)境，結合RFID定位技術設計了一種人機互動的定位系統，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。同時提出了一種結合RFID定位技術的人機互動游戲應用方案，并將該方案成功應用到博物館中。

1 系統原理和功能

1.1 系統原理

RFID是一種利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關信息的技術。RFID技術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定位追蹤，故采用有源RFID設備。

系統主要包括三個部分：標簽、讀寫器和信息處理系統。標簽和讀卡器構成RFID網絡，感知游客的各種情景信息，并遠程傳輸給信息處理系統集中處理。

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中互動游戲場館內編號為a 、b 、c的讀寫器實現室內精確的二維定位，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，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簽信息，完成區(qū)域定位的功能。

標簽的ID號是唯一的，用于游客身份的識別。讀寫器接收到的數據包含有標簽ID號信息、數據發(fā)送時刻信息等，PC上位機接收到的數據包含有源標簽ID號信息、數據發(fā)送時刻信息和轉發(fā)數據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發(fā)而來的數據包。系統原理框圖如圖2所示。

1.2 系統功能

1.2.1 游戲場館內人員移動軌跡的追蹤

如圖3所示，在游戲場館C區(qū)內，設編號分別為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(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(x，y)。

由于電磁波信號在室內傳播呈現多徑效應干擾衰弱與遮蔽效應，預估的傳播距離將產生誤差，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，可設游客的位置坐標落在由點(x-△x ，y-△y) 、(x-△x ，y+△y) 、(x+△x ，y -△y)和(x +△x ，y +△y)構成的長方形區(qū)域內，其中長方形的長、寬分別為△x、△y，即游客的位置坐標(x，y)滿足式(2)。