關(guān)于RFID的博物館人機互動(dòng)定位系統

近幾年，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)RFID(Radio FrequencyIdenTIficatiON)的快速發(fā)展，RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應用在物流追蹤、倉庫管理、圖書(shū)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，如北京奧運會(huì )中使用了RFID智能門(mén)票系統，上海世博會(huì )上RFID技術(shù)更是無(wú)處不在。

在21世紀的今天，現代博物館是集參觀(guān)流覽、智能互動(dòng)于一體的多媒體信息系統。在現代博物館的智能互動(dòng)系統中，游客的室內定位常常是實(shí)現人機互動(dòng)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無(wú)線(xiàn)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(diǎn)，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(chǎng)合具有廣泛的應用前景。國外已經(jīng)成功地將RFID技術(shù)應用于博物館中，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。

這些現代的科學(xué)博物館將RFID技術(shù)應用于真人互動(dòng)游戲中，支持游客在真實(shí)環(huán)境下與真實(shí)物體實(shí)現互動(dòng)，突破了傳統游戲場(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)際應用環(huán)境，結合RFID定位技術(shù)設計了一種人機互動(dòng)的定位系統，主要包括人機互動(dòng)的游戲部分和輔助人機互動(dòng)的區域定位部分。同時(shí)提出了一種結合RFID定位技術(shù)的人機互動(dòng)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(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。RFID技術(shù)可以分為有源系列和無(wú)源系列。有源和無(wú)源RFID的性能對比如表1所示。

表1 有源和無(wú)源RFID對比

由表1可知，有源RFID具有更長(cháng)的識別距離和更強的移動(dòng)追蹤能力。本文需要對博物館中人員進(jìn)行室內定位追蹤，故采用有源RFID設備。

系統主要包括三個(gè)部分：標簽、讀寫(xiě)器和信息處理系統。標簽和讀卡器構成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的博物館人機互動(dòng)定位系統主要包含人機互動(dòng)的游戲部分和人員區域定位部分。人機互動(dòng)的游戲部分主要利用圖1中互動(dòng)游戲場(chǎng)館內編號為a 、b 、c的讀寫(xiě)器實(shí)現室內精確的二維定位，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。人員區域定位部分主要利用圖1中場(chǎng)館通道間的讀寫(xiě)器(編號為0 、1 、2、3、4 、5 、6)實(shí)現，游客在通過(guò)場(chǎng)館通道時(shí)，讀寫(xiě)器會(huì )自動(dòng)讀取游客門(mén)票中的標簽信息，完成區域定位的功能。

標簽的ID號是唯一的，用于游客身份的識別。讀寫(xiě)器接收到的數據包含有標簽ID號信息、數據發(fā)送時(shí)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(shí)刻信息和轉發(fā)數據包的讀寫(xiě)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(lái)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(chǎng)館內人員移動(dòng)軌跡的追蹤

如圖3所示，在游戲場(chǎng)館C區內，設編號分別為a 、b 、c的三個(gè)有源讀寫(xiě)器的位置為(xa，ya)，(xb，yb)，(xc，yc)，游客的位置坐標(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(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(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(diǎn)(x-△x ，y-△y) 、(x-△x ，y+△y) 、(x+△x ，y -△y)和(x +△x ，y +△y)構成的長(cháng)方形區域內，其中長(cháng)方形的長(cháng)、寬分別為△x、△y，即游客的位置坐標(x，y)滿(mǎn)足式(2)。

如某游客進(jìn)行人機互動(dòng)游戲時(shí)，設其初始位置為Ini，目標位置為Des，游戲地圖由小長(cháng)方形區域組成，如圖3中灰色區域所示，游客根據灰色的游戲地圖進(jìn)行移動(dòng)，與此同時(shí)，系統實(shí)時(shí)地將解算出的游客位置與游戲設定的地圖相匹配，進(jìn)而完成互動(dòng)游戲。

1.2.2 游客的實(shí)時(shí)區域定位

當游客在圖1中入口處的0號讀寫(xiě)器刷卡后，即可授權進(jìn)入博物館參觀(guān)，游客門(mén)票中的標簽ID號信息被送往PC上位機實(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(kāi)各場(chǎng)館的時(shí)間、在各場(chǎng)館參觀(guān)的時(shí)間、當前所在的場(chǎng)館區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(guò)場(chǎng)館間的通道時(shí)，讀寫(xiě)器會(huì )自動(dòng)識別游客門(mén)票中的標簽信息，實(shí)時(shí)判斷游客進(jìn)入某場(chǎng)館(或離開(kāi)某場(chǎng)館)，同步更新游客文檔信息INFO。

2 系統設計和實(shí)現

2.1 系統硬件

硬件設備采用了RFID組件，主要包括PC、有源標簽、有源讀寫(xiě)器、攝像頭以及相關(guān)設備連接線(xiàn)等。博物館的環(huán)境比較復雜，繁多的多媒體設備帶來(lái)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?，F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 系統軟件

RFID系統軟件采用了Delphi7、MYSQL和ODBC等進(jìn)行人機界面開(kāi)發(fā)。軟件系統主要可劃分為游客INFO文檔的建立、區域定位、游戲場(chǎng)館內人員移動(dòng)軌跡的追蹤。

2.2.1 文檔的建立

PC上位機根據安裝在入口處的0號讀寫(xiě)器讀取的數據信息，實(shí)時(shí)存儲刷卡人門(mén)票中的標簽ID號信息，實(shí)時(shí)構建一個(gè)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 區域定位

PC上位機根據0~6號讀寫(xiě)器提供的數據包中的讀寫(xiě)器編號來(lái)判斷游客即將進(jìn)入的場(chǎng)館區域；根據標簽ID號信息來(lái)區分游客；根據數據發(fā)送時(shí)刻來(lái)記錄游客在各場(chǎng)館的參觀(guān)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區內人員移動(dòng)軌跡的追蹤

游戲場(chǎng)館C區編號為a、b、c的讀寫(xiě)器可以完成C區內人員移動(dòng)追蹤。游戲軌跡地圖由一組二維坐標構成，設i時(shí)刻的游戲地圖為map [i]，游客的二維坐標為pos[i].互動(dòng)游戲開(kāi)始后，將游客坐標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，則根據從信息包中提取出來(lái)的ID號查找數據庫，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(dòng)游戲的勝利者并返回。

如果某一時(shí)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(dòng)游戲的數據處理具體流程如圖6所示。

游戲地圖可以根據不同的需要來(lái)設定游戲軌跡的長(cháng)度、難度以及布置障礙物等，豐富游戲場(chǎng)景，同時(shí)也可以設置多人模式進(jìn)行人機互動(dòng)游戲。

3 系統測試結果

3.1 游戲場(chǎng)館內的定位誤差測試

游戲場(chǎng)館C區為14m×20m的長(cháng)方形區域，測試長(cháng)方形游戲場(chǎng)館C區內每個(gè)點(diǎn)的坐標位置，并與實(shí)際標準位置做比較，所得的誤差曲線(xiàn)如圖7所示。所以可將式(2)中的△x、△y設置為△x=△y=0.8m，即地圖的小區域為0.8m×0.8m的正方形區域，這樣足可以保證對人員移動(dòng)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(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行系統開(kāi)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(jìn)行系統測試，部分系統測試結果如下：

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(yíng)場(chǎng)館內參觀(guān)了20min，在B場(chǎng)館參觀(guān)了27min，當前所在位置為C場(chǎng)館，還沒(méi)有進(jìn)入D場(chǎng)館。

3.2 人機互動(dòng)游戲的測試

上述5位游客參與人機互動(dòng)游戲，其中ID號為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，系統測試結果如圖10所示。

根據上述互動(dòng)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(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 結論

本文提出了一種基于RFID室內定位技術(shù)的人機互動(dòng)游戲方案，利用RFID定位技術(shù)實(shí)現對游客移動(dòng)軌跡的追蹤，并將其應用于游戲互動(dòng)的識別。本文提出的設計已成功應用于福建某數字博物館，在博物館的控制中心可以通過(guò)人機互動(dòng)界面查看各個(gè)場(chǎng)館內的游客流量、游客當前所在場(chǎng)館、在各個(gè)場(chǎng)館的參觀(guān)時(shí)間及游客參與人機互動(dòng)游戲的情況，同時(shí)該系統還可以連接到地區的物聯(lián)示范網(wǎng)，提高經(jīng)濟效益，大大節約成本。

基于RFID的數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。對博物館緊急事故的處理帶來(lái)了便利，保證了游客的人身安全，為博物館帶來(lái)更多的經(jīng)濟效益，推動(dòng)RFID產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。