關(guān)于RFID的博物館人機(jī)互動(dòng)定位系統(tǒng)

近幾年，隨著無線射頻識(shí)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(gè)方面。RFID技術(shù)不斷滲透到生活的各個(gè)角落，如北京奧運(yùn)會(huì)中使用了RFID智能門票系統(tǒng)，上海世博會(huì)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(dòng)于一體的多媒體信息系統(tǒng)。在現(xiàn)代博物館的智能互動(dòng)系統(tǒng)中，游客的室內(nèi)定位常常是實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的必要前提。相對(duì)于其他成熟的定位技術(shù)(如GPS 、Wi-Fi 、藍(lán)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(qiáng)、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)外已經(jīng)成功地將RFID技術(shù)應(yīng)用于博物館中，如美國(guó)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(dòng)游戲中，支持游客在真實(shí)環(huán)境下與真實(shí)物體實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，突破了傳統(tǒng)游戲場(chǎng)景的限制，為游客提供更加自由和人性化的互動(dòng)服務(wù)。

本文基于博物館的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合RFID定位技術(shù)設(shè)計(jì)了一種人機(jī)互動(dòng)的定位系統(tǒng)，主要包括人機(jī)互動(dòng)的游戲部分和輔助人機(jī)互動(dòng)的區(qū)域定位部分。同時(shí)提出了一種結(jié)合RFID定位技術(shù)的人機(jī)互動(dòng)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(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)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(duì)比如表1所示。

表1 有源和無源RFID對(duì)比

由表1可知，有源RFID具有更長(zhǎng)的識(shí)別距離和更強(qiáng)的移動(dòng)追蹤能力。本文需要對(duì)博物館中人員進(jìn)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(gè)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(yuǎn)程傳輸給信息處理系統(tǒng)集中處理。

博物館的場(chǎng)館簡(jiǎn)易平面分布圖如圖1所示。

RFID的博物館人機(jī)互動(dòng)定位系統(tǒng)主要包含人機(jī)互動(dòng)的游戲部分和人員區(qū)域定位部分。人機(jī)互動(dòng)的游戲部分主要利用圖1中互動(dòng)游戲場(chǎng)館內(nèi)編號(hào)為a 、b 、c的讀寫器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精確的二維定位，便于與游戲地圖進(jìn)行比較，從而完成移動(dòng)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(chǎng)館通道間的讀寫器(編號(hào)為0 、1 、2、3、4 、5 、6)實(shí)現(xiàn)，游客在通過場(chǎng)館通道時(shí)，讀寫器會(huì)自動(dòng)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(hào)是唯一的，用于游客身份的識(shí)別。讀寫器接收到的數(shù)據(jù)包含有標(biāo)簽ID號(hào)信息、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻信息等，PC上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)包含有源標(biāo)簽ID號(hào)信息、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻信息和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的讀寫器編號(hào)信息等，PC上位機(jī)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(chǎng)館內(nèi)人員移動(dòng)軌跡的追蹤

如圖3所示，在游戲場(chǎng)館C區(qū)內(nèi)，設(shè)編號(hào)分別為a 、b 、c的三個(gè)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(gè)讀卡器到游客的距離分別為Ra、Rb、Rc，由時(shí)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(hào)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(huì)交于一點(diǎn)，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(diǎn)(x-△x ，y-△y) 、(x-△x ，y+△y) 、(x+△x ，y -△y)和(x +△x ，y +△y)構(gòu)成的長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)，其中長(zhǎng)方形的長(zhǎng)、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(jìn)行人機(jī)互動(dòng)游戲時(shí)，設(shè)其初始位置為Ini，目標(biāo)位置為Des，游戲地圖由小長(zhǎng)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(jìn)行移動(dòng)，與此同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)地將解算出的游客位置與游戲設(shè)定的地圖相匹配，進(jìn)而完成互動(dòng)游戲。

1.2.2 游客的實(shí)時(shí)區(qū)域定位

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

其中結(jié)構(gòu)TOURTIME定義為：

在游客通過場(chǎng)館間的通道時(shí)，讀寫器會(huì)自動(dòng)識(shí)別游客門票中的標(biāo)簽信息，實(shí)時(shí)判斷游客進(jìn)入某場(chǎng)館(或離開某場(chǎng)館)，同步更新游客文檔信息INFO。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)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(dú)特的環(huán)境，需要采用微波段的RFID設(shè)備。現(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(hào)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(jìn)行人機(jī)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(chǎng)館內(nèi)人員移動(dòng)軌跡的追蹤。

2.2.1 文檔的建立

PC上位機(jī)根據(jù)安裝在入口處的0號(hào)讀寫器讀取的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)刷卡人門票中的標(biāo)簽ID號(hào)信息，實(shí)時(shí)構(gòu)建一個(gè)以ID號(hào)為標(biāo)識(shí)的信息文檔INFO，并同步截取刷卡人的照片并保存到對(duì)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(jī)根據(jù)0~6號(hào)讀寫器提供的數(shù)據(jù)包中的讀寫器編號(hào)來判斷游客即將進(jìn)入的場(chǎng)館區(qū)域；根據(jù)標(biāo)簽ID號(hào)信息來區(qū)分游客；根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻來記錄游客在各場(chǎng)館的參觀時(shí)間，并將這些信息實(shí)時(shí)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(chǎng)館C區(qū)內(nèi)人員移動(dòng)軌跡的追蹤

游戲場(chǎng)館C區(qū)編號(hào)為a、b、c的讀寫器可以完成C區(qū)內(nèi)人員移動(dòng)追蹤。游戲軌跡地圖由一組二維坐標(biāo)構(gòu)成，設(shè)i時(shí)刻的游戲地圖為map [i]，游客的二維坐標(biāo)為pos[i].互動(dòng)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(gè)時(shí)刻兩者都相一致，則根據(jù)從信息包中提取出來的ID號(hào)查找數(shù)據(jù)庫，從該ID號(hào)碼對(duì)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(jī)互動(dòng)游戲的勝利者并返回。

如果某一時(shí)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(jī)互動(dòng)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(zhǎng)度、難度以及布置障礙物等，豐富游戲場(chǎng)景，同時(shí)也可以設(shè)置多人模式進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)游戲。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

3.1 游戲場(chǎng)館內(nèi)的定位誤差測(cè)試

游戲場(chǎng)館C區(qū)為14m×20m的長(zhǎng)方形區(qū)域，測(cè)試長(zhǎng)方形游戲場(chǎng)館C區(qū)內(nèi)每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，并與實(shí)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?yàn)?.8m×0.8m的正方形區(qū)域，這樣足可以保證對(duì)人員移動(dòng)軌跡追蹤的準(zhǔn)確度。

3.2 游客的INFO信息測(cè)試

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

建立的以ID號(hào)標(biāo)識(shí)的游客文檔如圖8所示。

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

3.2 人機(jī)互動(dòng)游戲的測(cè)試

上述5位游客參與人機(jī)互動(dòng)游戲，其中ID號(hào)為0x62、0x0F的兩位游客最終完成了互動(dòng)游戲，其他3位游客游戲失敗，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)上述互動(dòng)游戲結(jié)果圖中的ID號(hào)，提出頭像照片，保存到(winner)文檔路徑下，并顯示互動(dòng)游戲勝利者的照片，同時(shí)指示為互動(dòng)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(jī)互動(dòng)游戲方案，利用RFID定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)游客移動(dòng)軌跡的追蹤，并將其應(yīng)用于游戲互動(dòng)的識(shí)別。本文提出的設(shè)計(jì)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(jī)互動(dòng)界面查看各個(gè)場(chǎng)館內(nèi)的游客流量、游客當(dāng)前所在場(chǎng)館、在各個(gè)場(chǎng)館的參觀時(shí)間及游客參與人機(jī)互動(dòng)游戲的情況，同時(shí)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(jì)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(shí)，也提高了管理人員的工作效率。對(duì)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(jì)效益，推動(dòng)RFID產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。