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自動(dòng)識(shí)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(shí)別距離和更強(qiáng)的移動(dòng)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(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?，F(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 號信息，實(shí)時(shí)構(gòu)建一個(gè)以ID 號為標(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(jìn)入的場館區(qū)域,； 根據(jù)標(biāo)簽ID 號信息來區(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］?；?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 號查找數(shù)據(jù)庫,， 從該ID 號碼對應(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,， 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,。