摘要： 設(shè)計(jì)了一種基于RFID 技術(shù)的數(shù)字博物館人機(jī)互動(dòng)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備人員區(qū)域定位、人流量分布監(jiān)測和人員移動(dòng)軌跡的追蹤功能，滿足了博物館的管理應(yīng)用需求。在實(shí)現(xiàn)人員移動(dòng)軌跡追蹤的基礎(chǔ)上提出了一種結(jié)合RFID 定位技術(shù)的人機(jī)互動(dòng)游戲應(yīng)用方案，并將該方案應(yīng)用到博物館中。
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(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。
博物館的場館簡易平面分布圖如圖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 游戲場館內(nèi)人員移動(dòng)軌跡的追蹤
如圖3 所示， 在游戲場館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）。
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)入各場館的時(shí)間、離開各場館的時(shí)間、在各場館參觀的時(shí)間、當(dāng)前所在的場館區(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)入某場館（ 或離開某場館） ， 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2.4 GHz~5.8 GHz ， 其中以2.4 GHz 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 游戲場館C 區(qū)內(nèi)人員移動(dòng)軌跡的追蹤
游戲場館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)定游戲軌跡的長度、難度以及布置障礙物等， 豐富游戲場景， 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)測試結(jié)果
3.1 游戲場館內(nèi)的定位誤差測試
游戲場館C 區(qū)為14 m×20 m 的長方形區(qū)域， 測試長方形游戲場館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=0.8 m， 即地圖的小區(qū)域?yàn)?.8 m×0.8 m 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)測試，部分系統(tǒng)測試結(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 場館內(nèi)參觀了20 min， 在B 場館參觀了27 min ， 當(dāng)前所在位置為C 場館， 還沒有進(jìn)入D場館。
3.2 人機(jī)互動(dòng)游戲的測試
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。
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)場館內(nèi)的游客流量、游客當(dāng)前所在場館、在各個(gè)場館的參觀時(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。