基于RFID、GPS的智能导览系统设计
随着旅游业的高速发展，现有的人工导游方式渐渐无法满足消费者多种多样的要求。现在大多数游客选择使用智能手机中的多个 APP 共同协作方式完成在景区中的定位导航等，切换时及其不便，且景区管理人员无法介入，发生危险状况时无法及时对游客进行定位。另一方面，GPS 导航在室内时定位不准且无法实现讲解功能，单纯的室内定位无法与 GPS 提供的定位在同一平台上展现，从而引起室内外定位无法一体化的问题。为了提高景区的智能化、人性化服务，本文提出了以 GPS 和射频识别技术为定位基础、微信小程序做用户终端的智能导览系统。本文设计了智能导览系统，分三个部分：智能导览定位子系统、微信小程序、新浪云服务器及数据库。针对 GPS 室内定位不精确的问题，设计了智能导览定位子系统，使用 Cortex-M3 内核的STM32F103 芯片作为主控芯片，搭载超高频射频识别芯片R2000，通过识别游客手中的电子标签位置实现对游客的室内定位，并通过具有GPRS功能的 SIM868 模块完成硬件与服务器之间的数据传输。针对单一算法定位不精确的问题，智能导览子系统网络使用基于 TDOA 和RSSI 的混合算法对电子标签进行实时定位，由于此算法最少使用三个阅读器才能完成对电子标签的定位，故本文使用 CAN 通信的方式连接四个智能导览子系统组成网络。针对众多手机APP功能单一的问题，使用微信小程序做终端，其主要功能为：游客绑定电子标签实现一对一、景区地点汇总及导航、定位当前位置及室内展品的讲解等。为了解决智能导览定位子系统与微信小程序之间数据传输，使用新浪云做物联网服务器，在云服务器中新建应用，其次在云应用中编写相应的代码，实现硬件、小程序与物联网服务器的数据传输，同时在服务器中利用 My SQL搭建数据库管理游客信息。最后，本文通过一系列实验对系统的各部分性能进行了测试，包括室内定位精准度、游客登录及绑定、服务器数据传输等。实验结果表明，该系统的设计具有室内定位精度良好，可在微信小程序端将各种功能准确地展现给游客，实用性较好。
第一章绪论
1.1课题研究的背景与意义
旅游风景区是人们所说的旅游景区，即景区，通常说的是由自然、人文或人为创造的景观为能对游客产生吸引力的各种事物和因素，并可同时提供给旅游的人参观、游览或进行其他的休闲活动，设有各种设施设备给旅游的人完成各种人性化的服务，由数个景点共同构筑而成的地域。在旅游学的理论中，旅游景区不等于旅游区，旅游景区可按照许多不同的定义进行划分，在本文中从自然、人文等方面划分成自然景区、人类历史类景区、现代风景区。其中，自然类景区是各类自然环境在时间的洗礼中天然产生的景区，如山岳、湖海、河川、海滨、森林、温泉、溶洞、瀑布等。人类历史类景区通常认为是由人民生活、历史文物、文化艺术、民族风情和物质生产构成的。如历史遗址、传统民俗、节日文化等。现代风景区是指主题公园（如迪士尼、海洋公园）、度假区、农业观光区、高校校园景区、博物馆等。本文主要针对人类历史类景区及现代风景区进行研究。我国各地在开始开发旅游景区的同时发现旅游业的经济发展上的促进作用越来越显著。作为一个重要的经济增长点，凭着较快的发展，旅游业跻身对经济指数较高的产业之一，目前我国许多地区都将其作为产业结构的关键部分。与此同时，游客的旅游要求也越来越高，究其原因是游客旅游经验日益增多，不满足于只是粗略地看景区的表象，趋于灵活和智能化的旅游方式越来越受到大家的关注。旅游景区也目光前瞻地希望将新的技术放进景区里边，不仅可以提高景区的智能化水平吸引游客，还能方便景区的管理，一举多得的方式驱使下提升服务品质的客观需求应景而生。众所周知，现阶段的旅游行业若要快速融入提升服务品质的潮流中，与新技术（物联网、大数据等）的接轨是必然条件。此举必然可以加强旅游业的现实竞争力，提高旅游业的规模扩大化、促进经济增长。开展旅游和新技术协同发展的旅游服务，对于现代化景区、智能化旅游等理论的形成及技术的提升有很高的帮助。旧有的景区智能导游方式往往依赖于特殊的设备，游客在使用的时候往往需要租赁，其服务往往单一化，使用途中也很容易遇到无法及时解决的问题。就目前掌握的资料看：基于智能手机融合电子标签门票的这类智能导览服务在景区还没有比较成熟的应用，本课题拟在这方面进行相关的设计探索和实践。
1.2国内外研究发展现状
1.2.1导览服务现状
旅游服务在目前阶段中，主要用以下三种导览方式：一是景区导览牌；二是导游员人工导览；三是租借相关的导览设备。景区导览牌非常明显的缺点就是其本身是通过文字将景区介绍给游客，介绍的时候覆盖面较窄，调整内容的时候也常常会出现问题；目前比较普遍的多种方式其一的就是导游员讲解，这种方式中的一个关键点就是确保每个讲解员都能非常地熟悉该景区中想给游客展现的文化风采等内容。这种方式的难点包含导游培训时长不受控、复杂环境中无法保证服务品质等等。所以现阶段大部分景区内深度更高的导览服务中必然存在很多卓越的讲解员；依靠租借语音导览机的方式在一些博物馆和展馆中有一部分的应用。特别是在面向一些出入口少、管理起来较方便的封闭管理的展馆中，这个解决方案相当不错。而该方式的不足是只能够给游客提供相对简单的语音方面的服务且租赁的过程中会产生设备耗损。
为了提高景区的信息化水平，现阶段的智能化导游成为了全新的出现在大众视野的模式，而且这种模式下的服务的目标主要面向外来的游客。正是这样的环境让景区的智能化导游模式逐步走进了大众的视野。在散客、自由行的游客规模逐渐变大的背景下，目前的旅游行业也要跟随市场的趋势去满足大众的不同期望值，智能导游以最新的通信技术为发展基石，把景区信息统一展示为智能化基础，将人与景区的交互作人性化基础，是智慧旅游中非常关键的一环，与此相关的项目课题得到了世界各国的普遍重视。
1.2.2 RFID技术研究现状
随着物联网技术的良性发展，现在基于位置信息的服务和定位逐渐成为物联网里边的一项占重比很高的技术，与此同时，位置信息服务面向的对象也逐渐从室内的一些静态不移动的物体转而向一些可移动的物体，实现对这些物体的实时跟踪。在众多物联网技术中，RFID 由于其较强的抗干扰能力、较大的数据存储能力，实时跟踪定位时可反馈的信息十分丰富，正因如此，其在室内的位置服务中优势十分明显。在 RFID 感知技术的研究方面，国外的开发比较早，例如TI、PHILIPS 等公司都是行业内的领头羊，产品相对比较成熟稳定。Feig 公司和上述两家公司对高频段的RFID技术掌握得都很透彻，在短、长距的通信技术均较成功。而适用于 RFID 的各种频段中，微波由于工作在 2.45GHz 较易与其他信号（如Wi Fi 等）混淆，现在应用得还比较少。从 RFID 技术成熟以来，在现阶段应用在各种频段的各种产品遍地开花，较成熟的工艺制作流程（即采用导电油墨印刷天线的方式）相较于传统制作流程（蚀铜天线的方式）很大程度上降低了成本。在过去的十年中，RFID 被广泛应用在人们生产生活的许多领域里，例如现代物流、仓库管理、工业自动化制造、医疗管理、交通管理、食品管理、RFID 防伪、商品零售等，如在商品零售方面，霍尼韦尔公司采用RFID 技术，能够自动追踪商品从仓库到货架的移动情况，并支持更加频繁的周期盘点，用于缩小虚拟商店库存与真实商店库存的差距；在垃圾管理中，韩国浦项市面对 100 户以上的公共住宅预设的地方投放了 RFID 食物垃圾计量设备；这种设备配有贴附贴纸的食品专用收集容器，居民可以用交通卡来支付所扔垃圾的费用。通过这种 RFID 食品垃圾计量设备，可以卫生地处理食品垃圾，而且还能减少 20%以上的食物浪费。在室内定位中，由于 RFID 技术本身的非视距及非接触性等特点，国内外的学者一直在研究 RFID 在定位方面的应用及拓展。2003 年密歇根州立大学的L.Ni 等首次提出了 LANDMARC 系统，是目前较为经典的定位系统。近几年来 RFID 定位算法取得了快速发展。2017 年V Gharat 等人提出将低频信号应用于多径非视距的定位，此技术安全、便宜、适用于室内使用。2018 年G Fuertes 等人在遗传算法的基础上，通过测量系统天线的收发辐射问题辨别其最佳点，将传输模型动态化使参数最优，提出的定位系统鲁棒性更高。在国内，关于 RFID 技术的研究起步较晚，大部分的研究重点在于分析国外的算法模型并加以改进。值得肯定的是近几年相关的研究已经取得了较快的发展，如石雪军等人基于到达角度测距算法，在时间差为测距依据，用步进电机代替天线阵列，使阅读器在识别标签的过程中从静态变成具备一定的角速度，此法新颖且提升了以前单一算法的定位效率，降低了误差。
1.3现在存在的问题
传统的导游系统丰富了游客的游览体验，同时也为游客提供了更多的服务选择，但依然存在以下问题：①现阶段景区内的导航设施均无法同时用在室内和室外的交替环境中，无法将现代化景区在同一平台上展现给游客②智能手机中 app 种类众多但存在体积大、功能较单一、需共同协作方可满足游客在景区中的需求，这就使得后期产品的升级、多平台应用还有游客的应用带来了很多的问题。针对以上两点，本文使用 RFID 技术做室内定位技术、使用微信小程序依托智能手机为游客服务，拟解决以上问题。
第二章智能导览系统总体设计
2.1智能导览系统的总体功能设计
为了减少游客在景区中的负担，且可在同一平台中同时完成室内室外的定位信息及信息展示，也可使景区管理人员直观地了解到景区报警游客的实时位置，所以本设计的智能导览系统有以下几种功能。
(1)室内外定位的功能。当游客进入景区后，发放一张RFID 电子标签，通过登录本系统的微信小程序并注册，实现游客手机信息与发放的标签一对一对应。至此，游客在室外的定位由微信小程序的腾讯地图 API 完成，室内定位由电子标签与RFID 阅读器进行定位。当游客使用本系统时可以知道自己位于哪条街哪个路口，识别周围的相关景点并通过微信小程序告知游客景点方位和距离。
(2)定制的局部区域讲解功能。游客在景区中的室内游览活动的范围是固定的，游览的范围有限，要求定位的过程中时延应偏低。本文根据游客的具体行走范围设计独有范围内的讲解功能。专为室内定制的讲解功能，就是把游客目前所处的展厅的信息提前存储在微信小程序中，当游客到达展厅后，提醒游客开启室内地图，并将游客的位置定位在地图上，根据游客所处地点的不同，播放当前游客所处的展品的语音讲解信息，从而实现时延较低的展厅内部讲解功能。
(3)游客可以实现景区全览。微信小程序将景区内的地点进行汇总和分析，游客点击进入相关界面后先获得该景点的文字介绍，然后可点击“到这里去”，微信小程序根据游客当前位置提供到目标景点的导航功能。
(4)紧急求助的功能。游客在遇到紧急情况比如亲友走丢、游客受伤、矛盾纠纷、物品被盗时，可以通过微信小程序界面直接联系景区相关人员，景区景区管理人员可通过管理员模式获取求助游客的位置信息及报警求助信息，省略了游客汇报自身位置的步骤，提高景区的安全系数。
2.2智能导览系统总体方案
使用射频识别技术完成室内的定位，具体实施方法是在智能导览系统硬件中使用RFID 阅读器识别游客手中的电子标签，通过电子标签的位置确定游客位置。实现室外定位的功能利用的是 GPS 技术，随着 Android、IOS、Windows Phone 等智能手机的不断普及，现在的游客基本人人都有一台智能手机，并且 4G、5G 移动通信技术、互联网技术等逐步离不开人们的生活，GPS 定位功能存在于现阶段大部分人的智能手机中，但用户往往通过下载相应的软件才可使用相关功能。而微信小程序依托智能手机及微信 APP，可使用手机内部的GPS，进而对游客在室外的地点进行定位并显示。智能导览系统局部区域的讲解功能同样使用了射频识别技术。需要把智能导览定位子系统的硬件放置在已经做好电子地图的室内景区（如博物馆展厅等）。通过智能导览定位子系统网络对游客进行位置定位，确定游客具体在哪个展台前游览，通过 GPRS 模块上传游客坐标，并进一步在微信小程序上进行显示。室内景点处放置的智能导览系统硬件会识别、记录并上传相应标签的信息。其中识别需要 RFID 功能，记录需要主控芯片中有SD 卡，上传至云服务器需要GPRS 功能。游客可使用微信小程序作为路径观看的界面，微信小程序连接至云服务器数据库中，记录手持此标签的游客的到过及未到过的景点数据信息，并在界面中进行标注。紧急求助的功能是通过对微信小程序界面进行设计完成的。游客只需按下按钮就会改变新浪云数据库中相应的值，管理员通过新浪云数据库即可快速对发出求救的游客实施快速救援。
2.3智能导览室内定位子系统基本硬件
2.3.1主控芯片
主控芯片为智能导览室内定位子系统硬件部分的核心，主要对阅读器收集的游客数据进行采集、记录并上传等功能，所以需要其具有较快的数据处理能力与驱动能力。本系统硬件设计选取的主控芯片为 STM32F103C8T6 芯STM32F103C8T6 是一个中密度性能线，具有 32 位的Cortex-M3 内核，48 路LQFP 封装。工作电压范围2-3.6V，工作频率为 72MHz，1.25DMIPS/MHs，带有512K 字节的闪存程序存储器，高达64K字节的 SRAM，内2 个有12 位的ADC，29 路独立数字I/O 口，所有1/O 口可以映射16个外部中断，3个通用定时器，并且具有2 个SPI、2 个IIC、3 个USART 串口、以及一个 USB，一个增强型CAN 总线接口。本子系统对硬件要求不是很高，选用C8T6 芯片足够实现所需要的功能，同时也降低了构造成本。STM32F103C8T6 最小系统由复位单元、启动模式、外部晶振以及供电等四部分组成。
2.3.2环境识别功能硬件
射频识别模块：选择的芯片是工作在 920-925MHz（中国范围内）超高频率下的R2000 芯片。电子标签选择的是无源电子标签。具体芯片特点及使用方法放在第三章进行叙述.
2.3.3通信模块
该芯片由上海希姆通有限公司研制开发，具有集成度高、核心芯片成本低、性价比高等优势，被广泛应用于物联网硬件终端等场合。SIM868 支持CSM/GPRS 四个频段，包括850，900，1800 及1900MHz，可通过标准AT命令控制，支持嵌入式 TCP/UDP 协议、0710 MUX 协议等，具有3 个串口，1 个下载串口，1个GPS 串口，支持语音通话、SMS 短信。SIM868 包含的GPRS 服务类型为CLASSB，该类型目前是国内支持GPRS 的智能手机采用最多的服务类型。使用该模块需要注意的是，工作电压应大于 6V 小于12V。
第三章定位技术及相应算法
在景区的人性化和智能化中，游客的当前位置情况分析是服务的根本和条件，它很明显地关系到智能导览系统的信息化程度和智能化高低，空间定位技术的重要性不言而喻。智能导览的定位方法融合了信息技术中的很多的新兴技术，比如空间定位技术、嵌入式技术、无线通信技术、手机软件（微信小程序）开发技术等。本章将介绍本设计中使用的定位技术及相应的算法。
3.1室内外定位
室内外定位(Indoor-Outdoor Positioning)，一般是通过使用专门的设备或者使用专门的平台，在室内的环境和室外的环境里均能够将目标的实时位置进行跟随和监视，并将跟随结果提供在某个平台或多个平台上，上述所有的提供定位服务的软硬件设备统称为室内外定位系统(Indoor-Outdoor Location System)。室内外定位由室外定位和室内定位两部分组成，传统的定位方法一般都由单个的技术实现，随着各种技术的发展，现在一般也可以把单纯用于室内定位的技术与较成熟的室外定位技术通过切换或混合等方法进行组合，进而实现功能。传统的室内外组合定位往往需要在独特的环境中完成或者需要某些特殊的硬件配置（滤波器、传感器、差分 GPS 等）的支持，应用于组合定位技术的时候往往有些不便，推广起来也有一定的困难，而目前的成熟技术中均没有在两种环境中都可以达到定位精度较高、成本低廉的功能，由此易知，景区范围内的智能导览服务还有很大的可智能化的可能，比如根据景点的室内环境不同针对性地提供室内地图、改进室内定位的方法并使其可以和室外的定位在同一平台上展现、在室内的定位信息基础上完成室内展厅的讲解等等。
3.2景区智能导游的室内外定位技术
GPS 定位目前是在室外的无障碍物遮挡的范围内的首选的一种定位技术，其定位的精度、成本优势很突出，而且其终端的选择十分方便且定位的稳定性较高。目前的室内定位技术相对较多，各自有各自的特点，现在都是根据自身的在定位上的需要来进行选择。
3.2.1 GPS技术
全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)，由空间卫星系统、地面监控系统、用户接收设备组成。
3.3射频识别
本论文在智能导览定位子系统中安装了超高频射频识别模块，用于对游客手中的电子标签进行实时定位进而对游客位置定位，完成后续的室内讲解功能。在射频识别系统中使用阅读器识别电子标签里的内容，并根据时间到达差和信号强度值测距算法对标签的位置进行检测。
3.3.1 RFID系统工作原理
RFID 技术是一种识别技术，其相较于其他识别技术的特点是无线且不需要接触，是在 20 世纪90 年代开始发展起来的，基本工作原理是在空间内发射定频的无线电磁波信号，利用射频芯片通过识别信号中的信息去完成信息的收和发的工作，最终达到了识别目标时无需接触就可完成标签中信息的阅读。射频识别技术基于空间耦合原理，是一种通过发射射频信号使其在空中传播，采用非触碰方式去识别目标携带的信息的技术。射频即辐射到空间中的电磁波，通常300KHz-300GHz 之间。现阶段阅读器和电子标签有两种类型空间耦合。一种是电感耦合。由于其耦合方式，耦合原理是电磁感应定律，所以识别距离较近。一般情况下应用于低频阅读器、高频阅读器等射频系统中。另一种耦合方式是电磁反向散射耦合，利用的是电磁波的空间传播规律，常用于识别距离相对较远的RFID中，比如超高频读写器、微波读写器这两种。射频识别系统根据工作频率的不一样，可分成四大类，低频LF(Low Frequency)、高频HF(High Frequengy)、超高频UHF(Ultra High Frequency)和微波MW(Microwave)等四个频段。频段不同，工作特性也不同：低频和高频中能量传输方式基于电感耦合，正因如此识别范围较短；超高频和微波频段RFID系统基于电磁耦合反向散射的基本原理，正因如此识别范围较长。频阅读器等射频系统中。另一种耦合方式是电磁反向散射耦合，利用的是电磁波的空间传播规律，常用于识别距离相对较远的RFID中，比如超高频读写器、微波读写器这两种。射频识别系统根据工作频率的不一样，可分成四大类，低频LF(Low Frequency)、高频HF(High Frequengy)、超高频UHF(Ultra High Frequency)和微波MW(Microwave)等四个频段。频段不同，工作特性也不同：低频和高频中能量传输方式基于电感耦合，正因如此识别范围较短；超高频和微波频段RFID系统基于电磁耦合反向散射的基本原理，正因如此识别范围较长。
3.4基于RFID的定位系统
在本设计中游客手持 RFID 标签，依靠智能导览定位子系统的阅读器来检测游客的方位和返回的信号强度值。与现有大多数无线定位方法差不多，基于射频识别技术的智能导览定位系统是利用射频信号的输出反射时间、信号强度值、相位等等参数的测量值再进一步计算后推算待测标签所处的具体位置。按照定位推算时的基本参数的不同，可以把当前的 R
FID 技术的定位算法分成基于测距定位和基于非测距算法定位两大类。目前常用的通过测量距离的方法一般是进行测量标签和阅读器之间的角度或者距离信息，再在数学模型中利用多个边测算或最大似然估计法完成位置估算。而基于非测距算法则需判断网络（射频信号）连通性的好坏、链路质量的高低或直接对现实场景进行分析，再通过这些信号对标签的位置进行定位。如果按照目前比较成熟的分类方法，可将定位方法分成三边或多边定位、场景分析和位置感应近似度三类。
3.5 RFID定位算法研究
近年来由于无线通信的环境越来越丰富，所以单一的定位算法往往在进行定位时不能达到目的和要求，多算法协同工作已经成为室内定位的主要方向。针对这些问题，本节在使用比较常见的 TDOA 定位基础上，研究了将TDOA 和RSSI 混合使用的方法，获取了更加适用于本设计的定位估计值，有效改善了 RFID 室内移动目标的跟踪性能。
3.5.1 TDOA算法
信号到达时间差方法的基本构成是运用得到电子标签和 N个阅读器之间的信号发、收的时间差来计算的，TDOA 方法和TOA 很类似，计算的依据也是到达的时间差值，但 TOA 所述的时间只取了信号发收之间的单程时间差，用这个时间差进行计算对时间的同步性要求会很高。也因为 TDOA 算法把TOA 算法中较绝对的信号到达时间转化成了通过信号到达差这个参数计算电子标签与阅读器之间的距离，所以 TDOA 对信号到达时间的同步性没有较高的依赖性。由于干扰因素、信道模型等很多方面的差异，室内和室外的应用场景不能混为一谈，但是定位的方法及思想是相同的，许多室内应用的定位方法就是根据具体需求去发展创新的室外使用的较成熟的定位方法。以测量距离为参数的定位算法中，TDOA 是目前已知算法中最合适拓展并应用在室内应用场景中的，而且其最能展现射频信号（电磁波）的长处。目前已经出现的经典算法有 Chan 算法和Taylor 算法等，均通过借助参考阅读器，利用更多的信息去缩小定位误差。
3.5.2 RSSI算法
RSSI 算法是基于接收信号强度值的一种定位方法，基本原理是测量空间中传播的射频信号的功率大小，进而确定距离远近的关系并以此来计算待测标签和阅读器之间的距离，由于 RFID 系统中本身就对信号强度值进行测量，所以使用这个方法的时候不需要新添硬件（如阵列天线等），不会消耗更多的网络、信号质量不会被影响，所以在 RFID技术中使用 RSSI 无需多余的成本增加。实际应用中，通过标签到阅读器的功率损耗确定两者距离。根据信号的衰减和损耗，当阅读器接收标签反射的信号时，射频识别的软件系统将会比较发射、接收到的信号的强度值，进而根据无线信号在空间中的传输的方式计算出阅读器与反射标签即待测标签的距离。
3.6定制的局部区域讲解
在景区的室内景点（如博物馆、纪念馆、科技馆、展览馆等）门口放置智能导览子系统，当游客到达门口后，在游客手持标签对应的微信小程序端推送消息“已经到达xx景点处，是否打开室内地图”，游客确认后，进入为该室内景点定制的局部区域地图及相应的展品讲解功能。
3.6.1讲解方法
智能导览室内子系统的功能主要体现在定位及讲解上面。为了实现对单个游客的专属定位及讲解，本文使用的是超高频射频识别技术。通过 RFID 系统完成对游客的定位，这一定位是在有限的区域中（智能导览子系统网络存在的地方），以在学校为例，具体的做法如下：
(1) 首先是需要智能导览室内子系统网络搭建。在需要室内定位及讲解的地方放置此硬件系统，用于后续对游客手持标签的定位及与之相对应的讲解。
(2) 根据智能导览室内子系统识别的电子标签信息，使用前文所述的定位方法进行定位，并通过 GPRS 模块上传至新浪云数据库中，并同步至微信小程序中，即执行定位功能。
(3) 微信小程序播放事先录制好的讲解音频，如“现在您正处于第一展台处，在您面前的是‘蜘蛛掠影，本展台主要展现了蜘蛛的生殖、蛛网、捕食及保护适应等……”。