基于RFID的博物館人機(jī)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(yùn)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(shí)現(xiàn)人機(jī)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(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(shí)環(huán)境下與真實(shí)物體實(shí)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(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)互動的定位系統(tǒng)，主要包括人機(jī)互動的游戲部分和輔助人機(jī)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(jī)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(qiáng)的移動追蹤能力。本文需要對博物館中人員進(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。

博物館的場館簡易平面分布圖如圖1所示。

RFID的博物館人機(jī)互動定位系統(tǒng)主要包含人機(jī)互動的游戲部分和人員區(qū)域定位部分。人機(jī)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(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(shí)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(jī)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(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(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)。