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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?，F(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)。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
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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(nèi)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。
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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(nèi)編號為a 、b 、c的讀寫器實現(xiàn)室內(nèi)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。
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1.2 系統(tǒng)功能
1.2.1 游戲場館內(nèi)人員移動軌跡的追蹤
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如圖3所示，在游戲場館C區(qū)內(nèi)，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(nèi)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(nèi)，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)。
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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：
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其中結構TOURTIME定義為：
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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?，F(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
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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(nèi)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。
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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。
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2.2.3 游戲場館C區(qū)內(nèi)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(nèi)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。
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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(nèi)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(nèi)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。
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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。
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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(nèi)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。
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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。
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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。
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4 結論
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(nèi)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，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。
工商網(wǎng)監(jiān)
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