基于ＰＤＡ的博物館電子導覽系統的設計與實現

摘要：將傳統的博物館數字化可采用多種方式，提出了一種新的嘗試。深入分析了基于PDA的博物館電子導覽系統的業務流程，闡述了整個系統的設計與實現及系統中幾項關鍵技術（如RDA、RFID、Wi－Fi等）的應用。

關鍵詞：個人數字助理； 無線射頻識別； 無線保真； 遠程數據訪問； 可擴展置標語言； 無線接入點

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0291-03

隨著計算機技術以及無線網絡技術的迅速發展，博物館的數字化已是大勢所趨。傳統博物館是以實物為核心，通過一定形式的陳列展示組織實施的教育活動，因此不可避免的一個缺陷就是展示形式的固定化，教育方式的模式化，因而也無法完全滿足博物館不同觀眾群體的特殊需求。數字化博物館則是以信息技術為平臺構架而成的新興的博物館類型，其藏品的核心內容就是傳統博物館各類藏品和研究成果的信息。這與傳統博物館有著顯著不同，同時也是數字化博物館進行公眾教育的優勢所在。本系統是基于PDA(personal digital assistant)和無線網絡技術，利用微軟的.NET平臺設計實現的博物館電子導覽系統，是博物館數字化的一種新的嘗試。

1系統分析與設計

1．1業務流程分析

游客進入博物館后，先從前臺服務人員處登記注冊并租借PDA，之后便可使用博物館提供的PDA在博物館內進行自助游覽。游客可以在PDA上選擇要參觀的博物館的某個樓層，可以看到該樓層的平面圖以及與自己所在位置的關系，行走線路圖。到了某個樓層后，游客可以點擊一個自己感興趣的展廳的平面圖，進而了解該展廳的簡介，主要是藏品。進入展廳后，可以根據展品的名稱或者編號等信息查詢其文字、圖片和語音介紹。也可根據其他相關信息，如朝代、所屬類型或文物級別來查找展品。若游客所持的PDA配置有RFID讀寫器，則只需將PDA靠近展柜上的RFID電子標簽，PDA就會自動為游客介紹該展品。

游客可將感興趣的展品在PDA上記錄下來，系統將據此為游客定制多媒體光盤，留作永久紀念，可隨時取出欣賞并重溫這次文化之旅。

游客還可通過PDA與系統產生互動，如博物館的實時信息發布，緊急情況處理和有獎問答等。另外，游客可以查詢整個博物館的輔助設施（如廁所、小賣部等）的位置等信息。

系統管理員負責對整個系統進行管理維護。可對文物庫進行管理、查詢、增加、刪除文物信息，對系統進行配置等。

1．2系統軟硬件設計

系統軟硬件設計既要考慮系統的實際需要，又要兼顧日后的升級換代。根據系統分析及其實際運行的需要，對系統的軟硬件進行了精心配置。硬件配置：PDA采用惠普的iPAQ hx2750， 該PDA內置CF II和SDIO雙插槽，支持內置藍牙1．2和Wi－Fi(802．11b)無線技術，操作系統是Windows Mobile 2003 SE；數據庫服務器采用高檔PC server；無線局域網傳輸系統是基于802.11b協議搭建，覆蓋整個博物館;其他設備有光盤刻錄機、打印機等。軟件配置：操作系統采用Windows XP；開發工具采用Visual Studio .NET 2003；開發語言為C#;后臺服務器上的數據庫管理系統采用MicrosoftSQL Server 2000，前端PDA上則采用Microsoft SQL Server CE。

1．3系統網絡體系架構設計

B/S（browser/server，瀏覽器/服務器）和C/S（client/server，客戶機/服務器）是當前常用的兩大主流網絡體系架構，各有特色，適用于不同的場合。鑒于本系統特點，前端PDA尚需具有一定的數據存儲和處理能力，故選用C/S模式。

系統體系結構如圖1所示。整個系統由三個子系統構成，即前端PDA系統、后臺服務器系統和多媒體光盤瀏覽系統。

前端PDA系統的本地SQL Server CE數據庫和后臺服務器系統的SQL Server數據庫的同步采用遠程數據訪問（RDA）方式。RDA在PDA上使用SQL Server CE database engine(數據庫引擎)和SQL Server CE client agent(客戶端代理)。向服務器SQL Server數據庫請求數據時，SQL Server CE client agent會通過HTTP向SQL Server CE server agent(服務器代理)發出一個請求。該服務器代理程序作為一個ISAPI擴展運行在Internet信息服務（IIS）下。

數據通過OLE DB從SQL Server database檢索，再由SQL Server CE server agent傳遞回客戶端。在PDA方面，數據由SQL Server CE client agent接收并存儲在本地SQL Server CE數據庫的一個表中。當數據位于本地SQL Server CE數據庫之后，PDA應用程序就可以對其進行處理。這種數據檢索過程就稱為RDA的拉（pull）過程。

可以通過本地SQL Server CE數據庫返回一個表來更新服務器端SQL Server數據庫。RDA稱這種數據更新為推（push）過程。SQL Server CE client agent會通過HTTP將數據發送到SQL Server CE server agent。然后SQL Server CE server agent會使用OLE DB對SQL Server數據庫進行更新并將任何發生的錯誤返回給PDA。

后臺服務器對前端PDA的管理控制通過TCP/IP來實現，監控PDA的狀態并向其實時發布信息等。

后臺服務器系統將游客定制的個人博物館數據庫轉換為XML數據庫，提供給多媒體光盤瀏覽系統使用。多媒體光盤瀏覽系統通過XML DOM/XML讀取器來查詢XML數據庫以滿足游客的各種瀏覽要求。

當系統網絡連接出現問題或在非網絡環境下，后臺服務器系統還可將博物館的SQL Server 2000數據庫轉換為XML數據庫，通過Microsoft ActiveSync將其下載至前端PDA中，前端PDA系統再將該XML數據庫自動轉換為其本地SQL Server CE數據庫。

1．4系統整體設計

在系統的設計開發過程中，嚴格遵循軟件工程的理論和方法，將面向對象設計方法和UML建模技術貫徹其中，從而保證了各子系統間的協調一致和系統整體目標的圓滿實現。

系統的網絡結構如圖2所示。系統管理員享有最高權限，可對整個系統進行后臺管理和維護。一般工作人員則直接面向游客，為其提供前臺服務并按照游客要求為其刻錄多媒體光盤。游客從工作人員處租借到PDA后，便可手持PDA自助游覽博物館。本系統采用的PDA內置有Wi－Fi(802．11b)無線技術，可通過AP(access point)與后臺服務器通信。后臺管理和前臺服務則通過局域網與數據庫服務器連接，從而保證了整個系統數據的同步一致。AP是無線接入點，用戶接入半徑50~100 m，它的作用是提供無線與有線網絡之間的橋接。在理論上每個接入點可容納1 024個終端的接入，但是由于數據實際傳輸的要求，一般一個接入點可以支持15~63個客戶端的無線終端。如果范圍比較廣，可以采用多個AP的方式。

本系統的一大亮點是采用了先進的RFID技術。該系統主要由三部分組成，即RFID標簽、RFID讀寫器和數據處理系統。RFID標簽用于存儲被識別對象的相關數據。RFID標簽包括一個微芯片和一個耦合元素(天線)，可通過射頻進行通信，它分為主動型和被動型兩種。主動型標簽本身需具備能源，可主動發送信號，而被動型標簽只能從讀寫器發出的詢問信號中獲取用于通信所需的能量。讀寫器包括射頻模塊、控制單元和一個耦合元素，它通過射頻通信給標簽發送詢問信號，對標簽數據進行讀/寫操作。數據處理系統則利用讀取的數據進行相關操作。本系統在PDA（pocket PC）的type Ⅱ CF接口上外擴一13．56 MHz的RFID讀寫器，可讀寫目前最流行的符合ISO 15693所有RFID標簽，如ICode SLI/SL2、LRI 512、my－d、Tag－It HF－Ⅰ均可進行數據讀寫。讀寫距離大約為6．35 cm（讀寫距離與標簽的天線尺寸有關）。RFID讀寫器直接由pocket PC供電，無須外部電池或其他特別方式供電，在待機模式下耗電很少（約43 mW），這可大大延長pocket PC的使用時間。

為了保證系統的安全性，在系統服務器與外界Internet之間設置了防火墻，以防非法入侵。

1．5模塊設計

整個系統由三個子系統構成，即前端PDA系統、后臺服務器系統和多媒體光盤瀏覽系統。各個子系統又分設不同的功能模塊。系統的主要功能模塊如圖3所示。

2系統實現

2．1前端PDA系統的實現

前端PDA系統直接面向廣大游客，其設計得好壞將直接決定其被認可程度并將影響到整個系統的成功推廣。由于PDA本身固有的局限性，其屏幕僅為3．5英寸、分辨率也僅為240×320，友好的人機界面和完善的功能設計便成為著重考慮的部分，需要在系統分析的基礎上認真推敲。經過綜合權衡各種因素，本子系統的人性化設計能使游客在簡單快捷的操作中輕松完成對博物館的參觀，實現真正意義上的自助游。

當前開發PDA上的應用程序有多種開發工具可供選擇。本系統所選用的PDA的操作系統是Windows Mobile 2003 SE，基于該操作系統下的應用開發分為使用本機代碼和托管代碼的開發，分別使用不同的開發工具。使用本機代碼是為了獲得較高的性能，當需要直接訪問硬件或者資源有限的情況下使用。采用Microsoft Embedded Visual C++進行開發。使用托管代碼是為了開發以用戶界面為中心的應用程序，這種應用程序要求盡快面世或者要求開發速度很快。采用Visual Studio .NET 2003進行開發。 .NET Compact Framework是完整的桌面版.NET Framework的一個“輕型”版本。它包含完整.NET Framework基類庫的一個兼容子集，并且只含有很少的、專為移動設備所設計的新類。 .NET Compact Framework也包含公共語言運行庫的一個新的實現，它是全新的，可以有效地運行在小型設備上（小型設備的內存量和CPU能力均很有限，并且必須保存電量）。經過綜合分析，本子系統決定采用托管代碼進行開發，即采用C#語言開發.NET Compact Framework應用程序。

本系統涉及到博物館中大量數據信息的存儲、查詢和管理，因此數據庫的設計也至關重要。本系統的PDA上采用SQL Server CE數據庫，并且使用RDA技術實現遠程數據的訪問。SQL Server CE是運行于Windows CE設備上的一個簡化的關系型數據庫。它使用兼容的數據類型向上兼容SQL Ser－ver，并且在一個ARM處理器上只占用很小的800 KB空間，這很適合于資源受限的設備。其最為重要的特性是System.Data.SqlServerCe托管數據提供程序，它允許從.NET Compact Framework應用程序中對SQL Server CE數據庫進行操作。通過System.Data.SqlServerCe命名空間中的類可以訪問直接存儲在數據庫中的數據，并且它允許使用強大的遠程數據訪問（RDA）或者合并復制。這兩種強大的技術可以將數據從一個企業SQL服務器上復制到設備上的SQL Server CE中，以便在移動應用程序中使用這些數據。

前端PDA系統主要分為服務游客、遠程訪問服務器、管理員實施管理和本地數據庫四大功能模塊。服務游客模塊主要是指導游客參觀博物館，并按照游客的查詢要求提供相應的服務，如向游客展示文物的文字、圖片和語音解說信息，進行博物館的實時新聞發布和有獎問答以及緊急情況處理等。遠程訪問服務器模塊主要負責前端PDA與后臺服務器間的數據傳遞。遠程訪問采用RDA和TCP/IP兩種方式。RDA負責在PDA上的SQL Server CE和后臺服務器上的SQL Server之間傳遞數據。使用TCP/IP建立的PDA與后臺服務器間的網絡連接主要負責完成實時信息的交互，編程時使用Windows sockets(Winsocks)接口。管理員實施管理模塊主要向系統管理員提供了管理接口，進行PDA系統的管理和維護。本地數據庫模塊主要負責PDA本地SQL Server CE數據庫的管理以及將從后臺服務器下載的XML數據庫轉換為本地SQL Server CE數據庫。

2．2后臺服務器系統的實現

前端PDA系統雖然可以自成一體，并向管理員提供了系統管理維護的接口，但由于PDA自身固有的一些局限性（如屏幕太小、輸入不靈活等），少量數據輸入時尚可容忍，在大規模系統維護時勢必會造成諸多不便，既費時又費力。為解決這一問題，后臺服務器系統便應運而生，博物館的所有信息先輸入服務器端數據庫，借助本系統便可成功實現PDA本地數據庫更新維護的自動化。后臺服務器系統的作用不僅限于此，還可應游客要求為其定制個性化的數字博物館（以多媒體光盤的形式提供），可通過無線網絡管理眾多的前端PDA，為其提供實時在線服務。

系統采用Visual Studio .NET 2003進行開發，即采用C#語言開發.NET Framework應用程序。后臺服務器上的數據庫管理系統采用Microsoft SQL Server 2000。

后臺服務器系統主要面向博物館系統管理員和一般工作人員。系統管理員享有最高權限，可對整個系統進行后臺管理和維護。一般工作人員則直接面向游客，為其提供前臺服務。

后臺服務器系統主要分為前臺服務及多媒體光盤制作、遠程管理前端PDA、數據庫的管理維護和服務器端數據庫四大功能模塊。前臺服務及多媒體光盤制作模塊主要由博物館的一般工作人員操縱，為游客辦理登記注冊、PDA租借以及按照游客要求為其刻錄多媒體光盤等。遠程管理前端PDA模塊主要負責服務器端與前端PDA之間的數據傳遞，并對前端PDA進行監管。通過無線網絡，前端PDA與后臺服務器之間可實時交互，PDA利用RDA技術直接讀取服務器端SQL Server 2000數據庫，更新其本地SQL Server CE數據庫。此外，后臺服務器端還可通過TCP/IP方式向眾多PDA進行實時信息發布，使游客了解最新動態（如室外天氣情況、緊急情況之下的安全疏導等），并能及時響應游客的緊急求助等。數據庫的管理維護模塊由系統管理員負責操控，對系統進行管理和維護。服務器端數據庫模塊主要負責三個子系統之間的數據庫遷移和轉換以及Microsoft SQL Server 2000數據庫的系統管理。

2．3多媒體光盤瀏覽系統的實現

當游客興致勃勃地參觀完博物館后，往往會產生流連忘返之感。如何讓游客乘興而來，滿意而去呢？多媒體光盤瀏覽系統很好地解決了這一問題。游客在參觀的過程中，可通過PDA將感興趣的文物記錄下來并上傳至后臺服務器系統，后臺服務器系統將為游客建立個性化數字博物館并將其刻錄成多媒體光盤。游客便可將這次文化之旅永遠珍藏，隨時欣賞回味。游客在使用該系統時猶如又回到了博物館，手持著PDA，熟悉的場景及喜愛的文物重新展現于眼前，重溫昔日的文化之旅。

多媒體光盤瀏覽系統也是采用C#語言開發的.NET Framework應用程序。多媒體光盤瀏覽系統主要分為瀏覽光盤信息和光盤數據庫兩大功能模塊。瀏覽光盤信息模塊主要負責指導游客完成對光盤信息的瀏覽；光盤數據庫模塊主要是指存放于多媒體光盤上的游客定制的博物館信息。考慮到系統的方便實用，數據庫采用XML形式存放，由后臺服務器系統根據游客要求自動生成。多媒體光盤瀏覽系統通過XML DOM/XML讀取器來查詢XML數據庫以滿足游客的各種瀏覽要求。

3結束語

基于PDA的博物館電子導覽系統是對傳統的博物館進行數字化的一種新的嘗試，將大大提升博物館的信息化水平，是傳承歷史文化、提高國民素質的一種有效途徑，其應用前景甚是可觀。

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