基于RFID技術(shù)的人機(jī)互動(dòng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

中心議題：

• 基于RFID技術(shù)的人機(jī)互動(dòng)定位系統(tǒng)原理和功能
• 結(jié)合RFID 定位技術(shù)的人機(jī)互動(dòng)游戲應(yīng)用方案

解決方案：

• 人機(jī)互動(dòng)的游戲部分設(shè)計(jì)
• 輔助人機(jī)互動(dòng)的區(qū)域定位部分

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(wú)源系列。有源和無(wú)源RFID 的性能對(duì)比如表1 所示。

表1 有源和無(wú)源RFID 對(duì)比

由表1 可知， 有源RFID 具有更長(zhǎng)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(chǎng)館簡(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)場(chǎng)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(lái)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(chǎng)館內(nèi)人員移動(dòng)軌跡的追蹤
如圖3 所示， 在游戲場(chǎng)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(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)， 其中長(zhǎng)方形的長(zhǎng)、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(zhǎng)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(chǎng)館的時(shí)間、離開各場(chǎng)館的時(shí)間、在各場(chǎng)館參觀的時(shí)間、當(dāng)前所在的場(chǎng)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(guò)場(chǎng)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(chǎng)館（ 或離開某場(chǎng)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(lái)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(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(chǎng)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(lái)判斷游客即將進(jìn)入的場(chǎng)館區(qū)域； 根據(jù)標(biāo)簽ID 號(hào)信息來(lái)區(qū)分游客；根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻來(lái)記錄游客在各場(chǎng)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(chǎng)館C 區(qū)內(nèi)人員移動(dòng)軌跡的追蹤
游戲場(chǎng)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(lái)的ID 號(hào)查找數(shù)據(jù)庫(kù)， 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(lái)設(shè)定游戲軌跡的長(zhǎng)度、難度以及布置障礙物等， 豐富游戲場(chǎng)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(cè)試結(jié)果

3.1 游戲場(chǎng)館內(nèi)的定位誤差測(cè)試
游戲場(chǎng)館C 區(qū)為14 m×20 m 的長(zhǎng)方形區(qū)域， 測(cè)試長(zhǎng)方形游戲場(chǎng)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(cè)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(cè)試，部分系統(tǒng)測(cè)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(chǎng)館內(nèi)參觀了20 min, 在B 場(chǎng)館參觀了27 min , 當(dāng)前所在位置為C 場(chǎng)館， 還沒(méi)有進(jìn)入D場(chǎng)館。

3.3 人機(jī)互動(dòng)游戲的測(cè)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(cè)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。

4 結(jié)論

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(guò)人機(jī)互動(dòng)界面查看各個(gè)場(chǎng)館內(nèi)的游客流量、游客當(dāng)前所在場(chǎng)館、在各個(gè)場(chǎng)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(lái)了便利， 保證了游客的人身安全， 為博物館帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益， 推動(dòng)RFID產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。