基于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)。