基于RFID技術的人機互動定位系統(tǒng)設計方案

　　設計了一種基于RFID技術的數(shù)字博物館人機互動定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備人員區(qū)域定位、人流量分布監(jiān)測和人員移動軌跡的追蹤功能，滿足了博物館的管理應用需求。在實現(xiàn)人員移動軌跡追蹤的基礎上提出了一種結合RFID定位技術的人機互動游戲應用方案，并將該方案應用到博物館中。

　　rfid技術近幾年，隨著無線射頻識別技術RFID(RadioFrequencyIdenTIficatiON)的快速發(fā)展，RFID技術已經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。RFID技術不斷滲透到生活的各個角落，如北京奧運會中使用了RFID智能門票系統(tǒng)，上海世博會上RFID技術更是無處不在。

　　在21世紀的今天，現(xiàn)代博物館是集參觀流覽、智能互動于一體的多信息系統(tǒng)。在現(xiàn)代博物館的智能互動系統(tǒng)中，游客的室內定位常常是實現(xiàn)人機互動的必要前提。相對于其他成熟的定位技術(如GPS、Wi-Fi、藍牙等)，RFID定位技術能夠很好地克服由室內無線環(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，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合具有廣泛的應用前景。國外已經成功地將RFID技術應用于博物館中，如美國創(chuàng)新技術博物館、SanFrancisco的科學博物館Exploratorium等。

　　這些現(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，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

　　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網絡，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。

　　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中互動游戲場館內編號為a、b、c的讀寫器實現(xiàn)室內精確的二維定位，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。

　　1.2系統(tǒng)功能

　　1.2.1游戲場館內人員移動軌跡的追蹤

　　如圖3所示，在游戲場館C區(qū)內，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。

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　　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，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)。

　　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：

　　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物聯(lián)網概念股票，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2RFID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。

　　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。

　　2.2.3游戲場館C區(qū)內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。

　　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。