基于物联网技术的智慧博物馆导览系统

一、引言

智慧博物馆是近年来在数字博物馆的基础上发展起来的新兴概念。随着信息技术的飞速发展，博物馆参观者的需求也逐步升级，每个人都在追求个性化的服务，从需求到服务变得更加快速。传统的实体博物馆因理念和技术的约束，以及考虑展品的保护和安全，所展示的物品信息量往往不足，并且在时空和展示形式上也受到诸多局限，大大制约了博物馆社会教育和文化传播的功能。为此，数字博物馆应运而生。针对上述问题，本文提出一种基于物联网技术的智慧博物馆导览系统。该系统由基于RFID展品智能管理模块、基于 iBeacon 的室内定位导航模块以及基于多媒体技术的互动模块组成。系统综合利用多媒体技术和物联网技术，通过 App 应用+展厅基站+游客信息三位一体的模式，使人和展品之间真正实现了基于位置的实时、实地互动。三个模块构建起一个全新的智能信息管理平台，不仅实现对展品的智能管理，解决博物馆管理中存在的管理效率问题；而且提供自助的导览功能，让参观者享受到前所未有的数字化、个性化的服务。

二、系统总体方案

根据智慧博物馆的设计需求，系统功能主要由展品管理模块、定位导航模块以及互动解说模块组成。展品模块是利用 RFID 技术实现物品的财产管理以及防盗功能。利用 RFID 技术，对展品加装 RFID 电子标签，展区出入口及展柜内部安装 RFID识别设备，再结合数据中心展品实时监控平台，实现展品全面可视和信息实时更新，实时监控展品的位置、移 动情况，具体包括展品所在位置实时查询，展品移动跟踪记录，报警；展品的管理统计报表等管理目标。定位导航模块是利用 iBeacon 技术实现人员的定位和参观导航。通过由 iBeacon 基站，建立一个全覆盖博物馆的无线定位网络，并利用 RSSI 定位算法实现人员定位。在此基础上，利用数字地图技术，实现展区的自动导览服务。讲解模块是在定位基础上，利用消息推送和基于web的互动技术，实现区域定向消息推送和智能的参观解说服务。

三、系统模块设计

3.1 基于 RFID 的展品管理

射频识别技术 (radio frequency identification，RFID)是一种 非接触式的自动识别技术，它可通过无线电信号识别特定目标 并读写相关数据，而无需在识别系统与目标之间建立机械或者 光学接触。在本文提出的展品管理系统中，每个展品都拥有唯 一的身份标识（RFID 标签），我们通过射频信号来识别藏品的 数据，实现记录展品的静态、动态轨迹。具体包括展品的征集、 入馆、入藏、鉴定、提用与退还、保护、修复、研究、注销等诸多展 品管理环节，以及库房管理和人员管理等。展品管理系统能对 博物馆内的展品进行自动检测和报警，并提供给博物馆保安系 统进行跟踪监控，保证展品安全。后台软件系统是基于 web 的 B/S 和 C/S 的混合模式，网络服务器和 PC 客户端构成 B/S 结 构，而服务器上运行的展品管理系统，RFID 手持终端构成 C/S 结构。

RFID 物品识别的数据流程如图 2 所示，将 RFID标签附在需要被辨识的物体表面，阅读器的双向无线电波收发器向标 签发出信号并解读其应答，后台服务器会记录展品的静态位置以及动态轨迹。本系统采用 EAS 标签作为 RFID 标签，这是一种设置在需要控制物品出入门禁的 RFID技术。具体型号是 checkpoint la－ bel 410Plain，具体参数是：射频为 8.2MHz，感应距离为 0.8-1.2 米，大小为 40*40mm。EAS 标签防盗系统一般由两部分组成：一是附着在展品上的 EAS 标签；二是对 EAS 标签的灭活装置，以便授权展品进行正常的转移。RFID 阅读器自动识别展品的身 份信息在游客参观博物馆期间，展品被贴上 EAS 标签，展品经过装有 EAS 系统的出入口时，EAS 装置能自动检测标签的活动性，若发现活动性标签即发出警告；若展品是合法转移，则通过 EAS 标签灭活。

3.2 基于 iBeacon 的定位导航

针对室内定位问题。首先，在博物馆中部署大量的 iBeacon 基站。iBeacon 基站会在附近创建一个信号区域来广播自己独有的数据包。当游客手持拥有蓝牙通信功能的移动设备走进或远离这一区域，接收该信号的应用程序就可以根据 iBeacon 信标来对游客进行定位。

（1）iBeacon 模块

iBeacon 工作原理：iBeacon 技术是由苹果公司基于蓝牙4.0 版本提出的基于 2.4G 信号的蓝牙协议。iBeacon 信标核心为 TI 公司的CC2540 蓝牙芯片，该芯片耗能较低，而且抗外界环境干 扰的能力较强。图3 为 iBeacon 工作流程图，其中设备A为iBeacon 基站，设备 B 是移动终端设备。

（2）定位算法

我们采用一种区域划分的简易方法实现移动终端的定位。 具体步骤如下： 步骤 1：首先根据展品位置，对区域进行四叉树划分，以确保每个单元格中最多只有一个展品，并且展品的位置在单元格 中心。然后在每个单元格的中心，都会有一个 ibeacon 信标节点 布置在这里，图 5 为信标节点的布置示意图。 步骤 2：分别在边界上测量每个单元格中心信标信号的强度阈值。步骤 3：在定位时，根据接收到的信标信号，如果某个信标节点的信号强度大于所在单元格的阈值，则即可定位相应的单元格。步骤 4：该步骤为可选项。通过周期调整信标节点信号强度以及相邻信标的强度，我们还要继续优化 iBeacon的定位精度。如图 6 所示，假设每个信标节点的信号强度都是三级可调。其覆盖范围分别 1,2,3 圆形区域。则如果移动终端能接收到 A节点的3级信号和 B 节点的 2 级信号，则我们可以将终端定位在 阴影部分。

（3）室内导航

为了使游客在展厅内更为快捷的找到目标地点。我们依托于定位，使用 A* 算法实现导航功能。A* 算法相较于其他算法 更为优越。导航系统包含3个功能模块：室内电子地图模块、导航模块和游客模块组成。

1）室内电子地图模块

定位和导航功能都是在室内电子地图的基础上实现的。例如电子地图的展示，扩大缩小，各个方向移动等功能的数据都是由电子地图模块予以保存和映射，这样可以更加方便展现定位结果和导航路径信息。室内电子地图主要包括地图图形 层、地图操作部分、地图结构层、RSSI 指纹数据库等部分。创建室内电子地图需要四个步骤：一是设计出对应的可伸缩矢量图形文件，并对文件添加相应的操作部分代码；二是根据实际需求设计出相应的 js 脚本文件，以便于对室内电子地图进行操作；三是分析室内环境的拓扑组成结构，并生成与之对应的可扩展性标记文件。四是创建由 iBeacon 信标所采集的信息的 RSSI 指纹数据库。

2）导航模块

作为该系统的核心，导航模块主要是使用室内电子地图模块中表示室内路径拓扑的有向图。然后使用 A* 导航算法获得 从指定的起点到终点的路径。导航模块主要包括 2 个部分： * 最近位置点搜索，室内电子地图的拓扑结构是由一个个散落的位置点构成的有向图，由于当前位置有可能落在位置点之外，因此首先要确定一个最近位置点，并且该点与当前位置间不存在障碍。此时，我们所选位置点就是导航寻路算法中的当前点。* 路径搜索，确定最近点和目标位置点后，我们可以通过 A * 算法在描述电子地图拓扑的有向图中获取最优路径信息，然后返回给游客模块并展示在地图上。在设计中，因为 iBeacon基站的数量更多，所以需要在电子地图层的结构中根据室内空间来划分多个区域，所有的点都被分配到相应的区域。导航模块被设计为具有与 iBeacon 定位模块相同的参数的页面。输入参数包括起点和目标点的编号ID。接收到页面请求后，网页代码对参数和电子地图模块的地图文件进行处理，然后通过 Response 方式输出到页面。

3）游客模块 游客模块的功能就是能实现游客和服务器交互。游客模块包含网页模块和移动模块两部分。网页模块主要是实现室内地图的显示和导航功能。主页面为main.php，该主页中利用 iframe 框架嵌入两个页面：

1）包含可伸缩矢量图形的html页面，本文系统所使用的地图都是由html文件组成，每个html文件中都包含一个可伸缩矢量图形标签，用于显示地图图形，也包含了相应操作的脚本文件。

2）用户操作页面 handle.php，该页面使用 ajax向导航模块发送请求，并在 ajax 的success 中调用地图页面中相应的脚本函数，将相关位置点显示到地图上。移动部分主要实现地图显示以及定位导航功能。主界面为 FirstActivity，内包含一个OptionMenu 控件和一个Webview 控件。其中，Op－ tionMenu 用于显示操作按钮，而 Webview 用于加载界面，并通过 setJavaScriptEnabled()方法调用 Java脚本。

3.3 讲解模块

（1）消息推送

iBeacon 设备加电后，首先要初始化硬件层、链路层、接口层、操作层、逻辑链路控制协议等，然后调用BLEPeripheral-Init 函数设置相关的参数并注册回调函数，其中包括，连接间隔，扫描应答数据和广播数据等。启动后，iBeacon设备开始周期广播数据，扫描周边设备。如果附近有其他设备在监听信道，则该设备将回复一个扫描响应。

（2）智能解说

智能解说的载体是移动终端，例如手机和平板电脑，其主要的功能是自动检测附近的iBeacon 信号，并展示相应的内容。移动客户端在接收到 iBeacon 信号的 UUID 编号。然后根据UUID 编号来查询服务器中对应的资源，这些资源包括图片、解说词和说明文字，获得解说资源后根据预定的规则调用An－ droid 系统相机播放图片展示，或者调用 Android 系统音乐和视频播放器，分别播放解说词和与展品相关的视频资料。

四、结束语

本文提出的智慧博物馆自助导游系统由APP、iBeacon 基站和服务器等模块组成，通过由 iBeacon信标构成的网络对博 物馆进行信号全覆盖，游客使用掌上 APP 并借助 iBeacon 信标最终实现与展品的实时、实地互动。博物馆通过这个网络在线上进行消息推送，文物、展品的介绍。给博物馆的宣传提供新媒介，还突破了传统广告投放的局限。同时利用 RFID标签为所有展品嵌入电子身份证，实现非接触的自动采集和定位查找，提高管理展品的工作效率。