關于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RFID(Radio FrequencyIdenTIficatiON)的快速發(fā)展，RFID技術已經(jīng)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(tǒng)，上海世博會上RFID技術更是無處不在。

在21世紀的今天，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(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(jīng)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(xiàn)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(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。

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(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(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(tǒng)主要包括三個部分：標簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)。標簽和讀卡器構成RFID網(wǎng)絡，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中互動游戲場館內編號為a 、b 、c的讀寫器實現(xiàn)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(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(shù)據(jù)包含有標簽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)包含有源標簽ID號信息、數(shù)據(jù)發(fā)送時刻信息和轉發(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(xiàn)多徑效應干擾衰弱與遮蔽效應，預估的傳播距離將產(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)。

如某游客進行人機互動游戲時，設其初始位置為Ini，目標位置為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

當游客在圖1中入口處的0號讀寫器刷卡后，即可授權進入博物館參觀，游客門票中的標簽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、當前所在的場館區(qū)域及游客頭像等信息，INFO的結構體表達式如下：

其中結構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)設計和實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件

硬件設備采用了RFID組件，主要包括PC、有源標簽、有源讀寫器、攝像頭以及相關設備連接線等。博物館的環(huán)境比較復雜，繁多的多媒體設備帶來的中低頻干擾較大，為了適應博物館這種獨特的環(huán)境，需要采用微波段的RFID設備。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各設備型號如表2所示。

表2 RFID硬件設備

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簽ID號信息，實時構建一個以ID號為標識的信息文檔INFO，并同步截取刷卡人的照片并保存到對應的文檔下，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)內人員移動追蹤。游戲軌跡地圖由一組二維坐標構成，設i時刻的游戲地圖為map [i]，游客的二維坐標為pos[i].互動游戲開始后，將游客坐標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，同時也可以設置多人模式進行人機互動游戲。

3 系統(tǒng)測試結果

3.1 游戲場館內的定位誤差測試

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)內每個點的坐標位置，并與實際標準位置做比較，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確度。

3.2 游客的INFO信息測試

采用上述硬件設備和相應開發(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)測試結果如下：

建立的以ID號標識的游客文檔如圖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場館內參觀了20min，在B場館參觀了27min，當前所在位置為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)測試結果如圖10所示。

根據(jù)上述互動游戲結果圖中的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 結論

本文提出了一種基于RFID室內定位技術的人機互動游戲方案，利用RFID定位技術實現(xiàn)對游客移動軌跡的追蹤，并將其應用于游戲互動的識別。本文提出的設計已成功應用于福建某數(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的游客流量、游客當前所在場館、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。