應(yīng)用于博物館的智能導(dǎo)覽系統(tǒng)

王智鐸，楊軍凱，劉建聰

（華北理工大學(xué)人工智能學(xué)院，河北唐山，063210）

關(guān)鍵字：iBeacon室內(nèi)定位；自動(dòng)循跡避障；語(yǔ)音播報(bào)；可視化界面

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)旅游的需求也在逐漸增大，在此背景下景區(qū)的導(dǎo)覽方式也在進(jìn)行著變化，由傳統(tǒng)的講解員到現(xiàn)代導(dǎo)覽系統(tǒng)，傳統(tǒng)的講解員能夠提供生動(dòng)形象的講解并能夠及時(shí)為旅客答疑，但是存在著講解水平參差不齊、人數(shù)有限等問(wèn)題，無(wú)法滿足現(xiàn)代導(dǎo)覽行業(yè)的需求，而現(xiàn)代導(dǎo)覽系統(tǒng)是主要是通過(guò)電子導(dǎo)覽的方式實(shí)現(xiàn)旅客的自助導(dǎo)覽，能夠有效解決講解員少等傳統(tǒng)導(dǎo)覽方式所造成的問(wèn)題，但是也存在功能不完善、不能滿足景區(qū)個(gè)性化需求、不易操作等問(wèn)題?，F(xiàn)階段我國(guó)大部分導(dǎo)覽是依靠講解員與現(xiàn)代導(dǎo)覽系統(tǒng)相結(jié)合的方式，由于新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的深入發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化也在不斷地影響著旅游業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)覽系統(tǒng)的智慧化顯得尤為重要，因此針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于iBeacon 定位技術(shù)的智能導(dǎo)覽系統(tǒng)，通過(guò)iBeacon 信標(biāo)對(duì)導(dǎo)覽車定位，以實(shí)現(xiàn)定位講解的功能。本導(dǎo)覽系統(tǒng)具有智能化講解等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足旅客的需求，提升博物館等室內(nèi)場(chǎng)所的核心競(jìng)爭(zhēng)力，并促進(jìn)其轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 導(dǎo)覽系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為了提高博物館等室內(nèi)場(chǎng)所的社會(huì)效益和核心競(jìng)爭(zhēng)力，為了解決博物館內(nèi)講解員的培訓(xùn)周期長(zhǎng)、業(yè)務(wù)能力、服務(wù)質(zhì)量不一等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于iBeacon 的通信智能導(dǎo)覽系統(tǒng)[1]。本導(dǎo)覽系統(tǒng)依靠iBeacon 室內(nèi)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)室內(nèi)的精準(zhǔn)定位，配備多種傳感器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽車的循跡與自動(dòng)避障，采用百度地圖對(duì)博物館內(nèi)的場(chǎng)景建模和實(shí)現(xiàn)定位追蹤與搭建可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽車—定位系統(tǒng)—網(wǎng)站地圖的軟硬件相結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)，導(dǎo)覽車結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能導(dǎo)覽車示意圖

2 技術(shù)路線

■2.1 定位部分

由多組藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)與iBeacon 信標(biāo)組合實(shí)現(xiàn)特定場(chǎng)景的室內(nèi)定位，設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。使用藍(lán)牙中繼網(wǎng)關(guān)掃描室內(nèi)場(chǎng)景中所有可以搜索到的iBeacon 設(shè)備[2]，獲取導(dǎo)覽車的數(shù)據(jù)信息和RSSI 值，并將獲得數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器對(duì)RSSI值進(jìn)行處理，RSSI 值可以確定iBeacon 設(shè)備與藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的距離或者范圍，實(shí)現(xiàn)位置追蹤的目的，如圖3 所示。

圖2 定位部分設(shè)計(jì)流程圖

圖3 運(yùn)行測(cè)量結(jié)果

運(yùn)用RSSI 的Range—based 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法，擬合場(chǎng)景內(nèi)的RSSI 衰減模型，確保在室內(nèi)干擾下定位數(shù)據(jù)足夠精準(zhǔn)，并在百度地圖上進(jìn)行位置標(biāo)注，顯示網(wǎng)關(guān)的具體位置，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)對(duì)導(dǎo)覽車的定位追蹤。

圖4 定位坐標(biāo)圖

■2.2 電控部分

導(dǎo)覽車的底盤使用STM32F103 作為芯片，使用12V1.5AH 鋰電池供電，使用帶編碼器的直流減速電機(jī)作為動(dòng)力，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用TB6612 驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽車的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，使用PWM 對(duì)導(dǎo)覽車進(jìn)行調(diào)速。

導(dǎo)覽車電控部分包括STM32 主控板，12V 電機(jī)，編碼器，麥克納姆輪，兩個(gè)TB6612FNG 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，一個(gè)電源模塊，三個(gè)超聲波模塊以及循跡模塊，一個(gè)12V1.5Ah 鋰電池，STM32 與TB6612FNG 連接如圖5 所示。

圖5 STM32 與TB6612FNG 連接圖

避障功能使用HC-SR04 型號(hào)的超聲波傳感器模塊[3]，測(cè)量導(dǎo)覽車與周圍障礙物的距離，導(dǎo)覽車在前進(jìn)過(guò)程中，單片機(jī)接收到此模塊的數(shù)據(jù)后，通過(guò)判斷與障礙物的距離，并采用PWM 脈寬調(diào)制，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。超聲波避障的程序流程如圖6 所示。

圖6 超聲波避障程序流程圖

自動(dòng)循跡功能采用TCRT5000 紅外反射傳感器，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽車循黑線進(jìn)行導(dǎo)覽，此外，使用iBeacon 定位技術(shù)將導(dǎo)覽車的位置反饋到后臺(tái)上，便于博物館管理人員觀察各個(gè)導(dǎo)覽車的位置及工作狀態(tài)，方便管理。循跡模塊程序流程如圖7 所示。

圖7 循跡模塊程序流程圖

■2.3 可視化部分

導(dǎo)覽車配備實(shí)時(shí)更新的可視化界面，博物館管理員通過(guò)移動(dòng)端瀏覽器、微信小程序了解各個(gè)導(dǎo)覽車的實(shí)時(shí)位置、工作狀態(tài)和剩余電量等信息。方便實(shí)時(shí)監(jiān)控導(dǎo)覽車的狀態(tài)及位置，對(duì)導(dǎo)覽車進(jìn)行及時(shí)維護(hù)。

利用現(xiàn)有的JavaScript SDK（基于HTML5 和WebGL技術(shù)的瀏覽器應(yīng)用程序接口）開發(fā)可視化界面[4]，通過(guò)接收阿里云發(fā)送的JSON 數(shù)據(jù)包，解析并更新界面地圖中導(dǎo)覽車的信息。

■2.4 系統(tǒng)整體運(yùn)行

系統(tǒng)整體運(yùn)行時(shí)，首先使用藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)中的三點(diǎn)定位技術(shù)，與iBeacon 信標(biāo)相結(jié)合，完成服務(wù)器對(duì)場(chǎng)景的高精度建圖以及導(dǎo)覽車的定位。利用樹莓派來(lái)處理藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的位置信息，通過(guò)串口通信傳輸給導(dǎo)覽車，導(dǎo)覽車由STM32 單片機(jī)作為主控芯片控制運(yùn)行，進(jìn)行循跡和自動(dòng)避障，帶領(lǐng)游客前往指定地點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)講解。樹莓派將位置數(shù)據(jù)上傳到阿里云，并開發(fā)網(wǎng)頁(yè)，設(shè)定前端接收阿里云JSON數(shù)據(jù)包，更新網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽的可視化，系統(tǒng)流程如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)整體流程圖

3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）定位部分采用iBeacon 三點(diǎn)定位技術(shù)，對(duì)導(dǎo)覽車進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，通過(guò)高斯濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，使定位更加可靠準(zhǔn)確。

（2）系統(tǒng)使用STM32 單片機(jī)控制導(dǎo)覽車驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)覽車的自動(dòng)避障與循跡，多種傳感器智能化感知周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)路徑的規(guī)劃與導(dǎo)覽播報(bào)功能。

（3）可視化界面利用現(xiàn)有的 JavaScript SDK 進(jìn)行網(wǎng)站開發(fā)，通過(guò)接收J(rèn)SON 數(shù)據(jù)包，解析并更新網(wǎng)站界面地圖中導(dǎo)覽車的位置信息?？梢暬缑媸欠?wù)于博物館管理員，使其及時(shí)了解導(dǎo)覽車的位置，便于及時(shí)調(diào)控導(dǎo)覽車。

4 系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試

我們將iBeacon 設(shè)備等距離部署在一個(gè)放有幾張桌子做障礙物的屋子內(nèi)，調(diào)整桌椅的擺放用以模擬一個(gè)博物館的場(chǎng)景。由于iBeacon 信標(biāo)放置的高度越低時(shí)存在的干擾變量越多，因此將信標(biāo)放置在高度為2m 的情況下，每次測(cè)量中其他變量都保持不變，每隔2.5m 測(cè)量一次藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)與三個(gè)不同iBeacon 信標(biāo)的RSSI 值，測(cè)量范圍為0～25m，每個(gè)設(shè)備間的距離測(cè)量50 組，將所得的所有數(shù)據(jù)利用MATLAB 軟件進(jìn)行擬合，得到三條近乎貼合的曲線，求得環(huán)境衰減因子，如圖9 所示。經(jīng)過(guò)實(shí)際場(chǎng)景的測(cè)試，距離跟實(shí)際位置的誤差范圍僅有不到0.5m，可以較完美的實(shí)現(xiàn)路徑與可視化界面相結(jié)合。

圖9 環(huán)境因子測(cè)量

5 結(jié)束語(yǔ)

本導(dǎo)覽系統(tǒng)運(yùn)用STM32 控制導(dǎo)覽車運(yùn)行，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)與iBeacon 進(jìn)行定位，并開發(fā)可視化界面，使得管理人員實(shí)時(shí)了解導(dǎo)覽車的運(yùn)行路線，本導(dǎo)覽系統(tǒng)的實(shí)行可為游客提供全方位的服務(wù)，從而提升博物館等室內(nèi)游覽場(chǎng)所的科技文化內(nèi)涵。

隨著智能導(dǎo)覽系統(tǒng)的逐步應(yīng)用，導(dǎo)覽服務(wù)將更加個(gè)性化，導(dǎo)覽車替代導(dǎo)游的同時(shí)也可以作為信息的載體，可以在顯示屏上設(shè)置廣告及相關(guān)推廣信息，從而獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益。隨著導(dǎo)覽系統(tǒng)的推廣使用，可以將科技融入人們的日常生活，從而促進(jìn)室內(nèi)展覽的改革發(fā)展。