近几年，随着无线射频识别技术RFID(RadioFrequencyIdenTIficatiON)的快速发展，RFID技术已经被广泛地应用在物流追踪、仓库管理、图书馆管理、智能考勤等各个方面。RFID技术不断渗透到生活的各个角落，如北京奥运会中使用了RFID智能门票系统，上海世博会上RFID技术更是无处不在。
在21世纪的今天，现代博物馆是集参观流览、智能互动于一体的多媒体信息系统。在现代博物馆的智能互动系统中，游客的室内定位常常是实现人机互动的必要前提。相对于其他成熟的定位技术(如GPS、Wi-Fi、蓝牙等)，RFID定位技术能够很好地克服由室内无线环境引起的多径和视距干扰，具有灵活性高、适应性强、操作便捷等优点，使得RFID在博物馆这种空间较小但环境复杂的室内定位场合具有广泛的应用前景。国外已经成功地将RFID技术应用于博物馆中，如美国加州创新技术博物馆、SanFrancisco的科学博物馆Exploratorium等。
这些现代的科学博物馆将RFID技术应用于真人互动游戏中，支持游客在真实环境下与真实物体实现互动，突破了传统游戏场景的限制，为游客提供更加自由和人性化的互动服务。
本文基于博物馆的实际应用环境，结合RFID定位技术设计了一种人机互动的定位系统，主要包括人机互动的游戏部分和辅助人机互动的区域定位部分。同时提出了一种结合RFID定位技术的人机互动游戏应用方案，并将该方案成功应用到博物馆中。
1系统原理和功能
1.1系统原理
RFID是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID技术可以分为有源系列和无源系列。有源和无源RFID的性能对比如表1所示。
表1有源和无源RFID对比
由表1可知，有源RFID具有更长的识别距离和更强的移动追踪能力。本文需要对博物馆中人员进行室内定位追踪，故采用有源RFID设备。
系统主要包括三个部分：标签、读写器和信息处理系统。标签和读卡器构成RFID网络，感知游客的各种情景信息，并远程传输给信息处理系统集中处理。
博物馆的场馆简易平面分布图如图1所示。
RFID的博物馆人机互动定位系统主要包含人机互动的游戏部分和人员区域定位部分。人机互动的游戏部分主要利用图1中互动游戏场馆内编号为a、b、c的读写器实现室内精确的二维定位，便于与游戏地图进行比较，从而完成移动人员的定位与追踪。人员区域定位部分主要利用图1中场馆通道间的读写器(编号为0、1、2、3、4、5、6)实现，游客在通过场馆通道时，读写器会自动读取游客门票中的标签信息，完成区域定位的功能。
标签的ID号是唯一的，用于游客身份的识别。读写器接收到的数据包含有标签ID号信息、数据发送时刻信息等，PC上位机接收到的数据包含有源标签ID号信息、数据发送时刻信息和转发数据包的读写器编号信息等，PC上位机集中处理这些由读卡器转发而来的数据包。系统原理框图如图2所示。
1.2系统功能
1.2.1游戏场馆内人员移动轨迹的追踪
如图3所示，在游戏场馆C区内，设编号分别为a、b、c的三个有源读写器的位置为(xa，ya)，(xb，yb)，(xc，yc)，游客的位置坐标(x，y)，三个读卡器到游客的距离分别为Ra、Rb、Rc，由时间信息定位方法(TOA)可得式(1)，即可求解游客的位置坐标(x，y)。
由于电磁波信号在室内传播呈现多径效应干扰衰弱与遮蔽效应，预估的传播距离将产生误差，所以定位的位置不会交于一点，而是一定面积大小的区域。
为了不失一般性以及方便定位需要，可设游客的位置坐标落在由点(x-△x，y-△y)、(x-△x，y+△y)、(x+△x，y-△y)和(x+△x，y+△y)构成的长方形区域内，其中长方形的长、宽分别为△x、△y，即游客的位置坐标(x，y)满足式(2)。
如某游客进行人机互动游戏时，设其初始位置为Ini，目标位置为Des，游戏地图由小长方形区域组成，如图3中灰色区域所示，游客根据灰色的游戏地图进行移动，与此同时，系统实时地将解算出的游客位置与游戏设定的地图相匹配，进而完成互动游戏。
1.2.2游客的实时区域定位
当游客在图1中入口处的0号读写器刷卡后，即可授权进入博物馆参观，游客门票中的标签ID号信息被送往PC上位机实时处理，建立游客文档INFO.游客文档包括进入各场馆的时间、离开各场馆的时间、在各场馆参观的时间、当前所在的场馆区域及游客头像等信息，INFO的结构体表达式如下：
其中结构TOURTIME定义为：
在游客通过场馆间的通道时，读写器会自动识别游客门票中的标签信息，实时判断游客进入某场馆(或离开某场馆)，同步更新游客文档信息INFO。
2系统设计和实现
2.1系统硬件
硬件设备采用了RFID组件，主要包括PC、有源标签、有源读写器、摄像头以及相关设备连接线等。博物馆的环境比较复杂，繁多的多媒体设备带来的中低频干扰较大，为了适应博物馆这种独特的环境，需要采用微波段的RFID设备。现阶段的微波段RFID主要集中在工作频率为2.4GHz~5.8GHz，其中以2.4GHz有源RFID系统较为成熟。博物馆采用的RFID各设备型号如表2所示。
表2RFID硬件设备
2.2系统软件
RFID系统软件采用了Delphi7、MYSQL和ODBC等进行人机界面开发。软件系统主要可划分为游客INFO文档的建立、区域定位、游戏场馆内人员移动轨迹的追踪。
2.2.1文档的建立
PC上位机根据安装在入口处的0号读写器读取的数据信息，实时存储刷卡人门票中的标签ID号信息，实时构建一个以ID号为标识的信息文档INFO，并同步截取刷卡人的照片并保存到对应的文档下，具体流程如图4所示。
2.2.2区域定位
PC上位机根据0~6号读写器提供的数据包中的读写器编号来判断游客即将进入的场馆区域；根据标签ID号信息来区分游客；根据数据发送时刻来记录游客在各场馆的参观时间，并将这些信息实时更新到游客的INFO文档中，具体流程如图5所示。
[pagebreak]2.2.3游戏场馆C区内人员移动轨迹的追踪
游戏场馆C区编号为a、b、c的读写器可以完成C区内人员移动追踪。游戏轨迹地图由一组二维坐标构成，设i时刻的游戏地图为map[i]，游客的二维坐标为pos[i].互动游戏开始后，将游客坐标pos[i]与游戏地图map[i]相比较。
如果在各个时刻两者都相一致，则根据从信息包中提取出来的ID号查找数据库，从该ID号码对应的信息文档提取照片，将照片保存到指定的(winner)文档路径下，指示该游客为人机互动游戏的胜利者并返回。
如果某一时刻游客的坐标pos[i]与游戏地图map[i]不相一致，则返回并指示游客游戏失败。人机互动游戏的数据处理具体流程如图6所示。
游戏地图可以根据不同的需要来设定游戏轨迹的长度、难度以及布置障碍物等，丰富游戏场景，同时也可以设置多人模式进行人机互动游戏。
3体系测试结果
2.2.2地区定位
PC上位机按照安置在进口处的0号读写器读取的数据消息，及时存储刷卡人门票中的标签ID号消息，及时建立一个以ID号为标识的消息文档INFO，并同步截取刷卡人的照片并保留到对应的文档下，详细流程如图4所示。
2.2体系软件
2.1体系硬件
1.2.1游戏场馆内职员挪动轨迹的追踪
这些当代的迷信博物馆将RFID技能利用于真人互动游戏中，支撑旅客在真实环境下与真什物体完成互动，冲破了传统游戏场景的限定，为旅客供给加倍自由和人道化的互动办事。
近几年，跟着无线射频辨认技能RFID(RadioFrequencyIdenTIficatiON)的疾速成长，RFID技能已被遍及地利用在物流追踪、堆栈办理、藏书楼办理、智能考勤等方方面面。RFID技能不竭浸透到糊口的各个角落，如北京奥运会中使用了RFID智能门票体系，上海世博会上RFID技能更是无处不在。
在21世纪的本日，当代博物馆是集观光流览、智能互动于一体的多媒体消息体系。在当代博物馆的智能互动体系中，旅客的室内定位经常是完成人机互动的需要条件。相对其余成熟的定位技能(如GPS、Wi-Fi、蓝牙等)，RFID定位技能能够很好地降服由室内无线环境引发的多径和视距滋扰，具备灵活性高、顺应性强、操纵便捷等长处，使得RFID在博物馆这类空间较小但环境复杂的室内定位场所具备遍及的利用远景。外洋已乐成地将RFID技能利用于博物馆中，如美国加州立异技能博物馆、SanFrancisco的迷信博物馆Exploratorium等。
本文基于博物馆的实际利用环境，连系RFID定位技能计划了一种人机互动的定位体系，重要包含人机互动的游戏部门和帮助人机互动的地区定位部门。同时提出了一种连系RFID定位技能的人机互动游戏利用计划，并将该计划乐成利用到博物馆中。
1体系原理和功效
1.1体系原理
RFID是一种操纵射频旌旗灯号主动辨认方针工具并获得相关消息的技能。RFID技能可以分为有源系列和无源系列。有源和无源RFID的机能比拟如表1所示。
表1有源和无源RFID比拟
由表1可知，有源RFID具备更长的辨认距离和更强的挪动追踪本领。本文必要对博物馆中职员进行室内定位追踪，故采纳有源RFID装备。
体系重要包含三个部门：标签、读写器和消息处置体系。标签和读卡器组成RFID收集，感知旅客的各类景象消息，并长途传输给消息处置体系会合处置。
博物馆的场馆简略单纯立体散布图如图1所示。
RFID的博物馆人机互动定位体系重要包括人机互动的游戏部门和职员地区定位部门。人机互动的游戏部门重要操纵图1中互动游戏场馆内编号为a、b、c的读写器完成室内切确的二维定位，便于与游戏舆图进行比力，从而实现挪动职员的定位与追踪。职员地区定位部门重要操纵图1中场馆通道间的读写器(编号为0、1、二、三、4、5、6)完成，旅客在经由过程场馆通道时，读写器会主动读取旅客门票中的标签消息，实现地区定位的功效。
标签的ID号是独一的，用于旅客身份的辨认。读写器接管到的数据包括有标签ID号消息、数据发送时刻消息等，PC上位机接管到的数据包括有源标签ID号消息、数据发送时刻消息和转发数据包的读写器编号消息等，PC上位机会合处置这些由读卡器转发而来的数据包。体系原理框图如图2所示。
1.2体系功效
如图3所示，在游戏场馆C区内，设编号分别为a、b、c的三个有源读写器的地位为(xa，ya)，(xb，yb)，(xc，yc)，旅客的地位坐标(x，y)，三个读卡器到旅客的距离分别为Ra、Rb、Rc，由时间消息定位法子(TOA)可得式(1)，便可求解旅客的地位坐标(x，y)。
因为电磁波旌旗灯号在室内传布显现多径效应滋扰衰弱与掩藏效应，预估的传布距离将发生偏差，所以定位的地位不会交于一点，而是必定面积巨细的地区。
为了避免失一般性和便利定位必要，可设旅客的地位坐标落在由点(x-△x，y-△y)、(x-△x，y+△y)、(x+△x，y-△y)和(x+△x，y+△y)组成的长方形地区内，此中长方形的长、宽分别为△x、△y，即旅客的地位坐标(x，y)满意式(2)。
如某旅客进行人机互动游戏时，设其初始地位为Ini，方针地位为Des，游戏舆图由小长方形地区构成，如图3中灰色地区所示，旅客按照灰色的游戏舆图进行挪动，与此同时，体系及时地将解算出的旅客地位与游戏设定的舆图相立室，进而实现互动游戏。
1.2.2旅客的及时地区定位
当旅客在图1中进口处的0号读写器刷卡后，便可受权进入博物馆观光，旅客门票中的标签ID号消息被送往PC上位机及时处置，创建旅客文档INFO.旅客文档包含进入各场馆的时间、分开各场馆的时间、在各场馆观光的时间、以后所在的场馆地区及旅客头像等消息，INFO的布局体抒发式以下：
此中布局TOURTIME界说为：
在旅客经由过程场馆间的通道时，读写器会主动辨认旅客门票中的标签消息，及时果断旅客进入某场馆(或分开某场馆)，同步更新旅客文档消息INFO。
[pagebreak]2体系计划和完成
硬件装备采纳了RFID组件，重要包含PC、有源标签、有源读写器、摄像头和相关装备毗连线等。博物馆的环境比力复杂，繁多的多媒体装备带来的中低频滋扰较大，为了顺应博物馆这类怪异的环境，必要采纳微波段的RFID装备。现阶段的微波段RFID重要会合在事情频次为2.4GHz~5.8GHz，此中以2.4GHz有源RFID体系较为成熟。博物馆采纳的RFID各装备型号如表2所示。
表2RFID硬件装备
RFID体系软件采纳了Delphi七、MYSQL和ODBC等进行人机界面开辟。软件体系重要可分别为旅客INFO文档的创建、地区定位、游戏场馆内职员挪动轨迹的追踪。
2.2.1文档的创建
PC上位机按照0~6号读写器供给的数据包中的读写器编号来果断旅客行将进入的场馆地区；按照标签ID号消息来区别旅客；按照数据发送时刻来记实旅客在各场馆的观光时间，并将这些消息及时更新到旅客的INFO文档中，详细流程如图5所示。
2.2.3游戏场馆C区内职员挪动轨迹的追踪
游戏场馆C区编号为a、b、c的读写器可以实现C区内职员挪动追踪。游戏轨迹舆图由一组二维坐标组成，设i时刻的游戏舆图为map[i]，旅客的二维坐标为pos[i].互动游戏起头后，将旅客坐标pos[i]与游戏舆图map[i]比拟较。
如果在各个时刻二者都相同等，则按照从消息包中提掏出来的ID号查找数据库，从该ID号码对应的消息文档提取照片，将照片保留到指定的(winner)文档途径下，批示该旅客为人机互动游戏的成功者并返回。
如果某一时刻旅客的坐标pos[i]与游戏舆图map[i]不相同等，则返回并批示旅客游戏失败。人机互动游戏的数据处置详细流程如图6所示。
游戏舆图可以按照分歧的必要来设定游戏轨迹的长度、难度和安插停滞物等，丰硕游戏场景，同时也能够设置多人形式进行人机互动游戏。
3.1游戏场馆内的定位偏差测试
游戏场馆C区为14m×20m的长方形地区，测试长方形游戏场馆C区内每一个点的坐标地位，并与实际尺度地位做比力，所得的偏差曲线如图7所示。所以可将式(2)中的△x、△y设置为△x=△y=0.8m，即舆图的小地区为0.8m×0.8m的正方形地区，如许足可以包管对职员挪动轨迹追踪的正确度。
3.2旅客的INFO消息测试
采纳上述硬件装备和响应开辟软件进行体系开辟，5位旅客分别拔取了5张有源卡(ID号分别为0x3三、0x6二、0x7六、0x0F、0x58)进行体系测试，部门体系测试结果以下：
创建的以ID号标识的旅客文档如图8所示。
ID=0x33的旅客INFO细致消息，如图9所示。由图可知ID=0x33的旅客在A场馆内观光了20min，在B场馆观光了27min，以后所在地位为C场馆，尚未进入D场馆。
3.2人机互动游戏的测试
上述5位旅客介入人机互动游戏，此中ID号为0x6二、0x0F的两位旅客终极实现了互动游戏，其余3位旅客游戏失败，体系测试结果如图10所示。
按照上述互动游戏结果图中的ID号，提出头像照片，保留到(winner)文档途径下，并表现互动游戏成功者的照片，同时批示为互动游戏的成功者，如图11所示。
4论断
本文提出了一种基于RFID室内定位技能的人机互动游戏计划，操纵RFID定位技能完成对旅客挪动轨迹的追踪，并将其利用于游戏互动的辨认。本文提出的计划已乐成利用于福建某数字博物馆，在博物馆的节制中间可以经由过程人机互动界面检察各个场馆内的旅客流量、旅客以后所在场馆、在各个场馆的观光时间及旅客介入人机互动游戏的环境，同时该体系还可以毗连到地域的物联树模网，进步经济效益，大小节约本钱。
基于RFID的数字博物馆为旅客供给了加倍自由和人道化办事的同时，也进步了办理职员的事情服从。对博物馆告急变乱的处置带来了便当，包管了旅客的人身平安，为博物馆带来更多的经济效益，鞭策RFID财产疾速成长。
