基于超高頻RFID的音視頻溶洞電子導游系統(tǒng)設(shè)計

鄧健志，程小輝

(桂林理工大學，廣西 桂林 541004)

責任編輯:薛 京

桂林是世界著名的風景游覽城市，自古就有“桂林山水甲天下”的贊譽。桂林有3A級以上景區(qū)20多個，其中有2個5A級景區(qū)、10多個4A級景區(qū)。桂林有舉世無雙的喀斯特地貌。桂林山水風光有“四絕”:山青、水秀、洞奇、石美。“洞奇、石美”說的就是桂林的各式溶洞。桂林的地下有溶洞、天坑、漏斗、地下河等;溶洞中有各種沉積物，即鐘乳、石筍、邊石壩等，各樣怪石，鬼斧神工，琳瑯滿目。在桂林3A級溶洞景區(qū)就不下10個。

在各景點景區(qū)都配備有導游為游客講解，過去旅游的人較少，且人們主要是跟旅行團旅游，導游需求量不大。然而，隨著祖國各地乃至世界各地的游人慕名而來，同時喜好自由行的人群增加，各地導游的需求量劇增，而且要求導游掌握多種語言。

隨著旅游市場的發(fā)展，現(xiàn)逐步有了一些電子導游機。現(xiàn)在較好的一類電子導游機，主要采用了GPS衛(wèi)星定位或者GSM基站輔助定位游客的位置，以確定給游客提供相應地方的景點景觀講解。在室外、開闊的環(huán)境下這種方式是可行的，但是對于桂林的溶洞景區(qū)游覽而言，卻無法實現(xiàn)。

為了解決這個問題，本文設(shè)計了一個基于超高頻RFID的音視頻溶洞電子導游系統(tǒng)［1-5］。特別適合溶洞范圍大、景觀分散的特點。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

溶洞游覽主要有幾個特點:溶洞范圍大，無法接收GPS和GSM信號，溶洞內(nèi)景觀分散、相互獨立、景觀的游覽需要輔助燈效。超高頻RFID的讀卡器工作范圍可以達到3～10 m，對RFID標簽的讀寫沒有方向性，有良好的防沖突機制，支持工作范圍內(nèi)的多個RFID標簽無沖突處理。根據(jù)這些特點，本文的設(shè)計采用了超高頻RFID實現(xiàn)游客與景觀的相對定位。

本文的電子導游系統(tǒng)采用了超高頻RFID技術(shù)和嵌入式技術(shù)，主要實現(xiàn)了游客與溶洞內(nèi)景觀的相對定位，以實現(xiàn)景觀信息的語音、圖文、視頻的介紹和景觀燈效的節(jié)能控制，如圖1所示。

系統(tǒng)由兩部分組成:讀卡器和RFID導游機。讀卡器由微控制器、超高頻(UHF)讀寫模塊、射頻功放、耦合器隔離電路、天線、串口、燈光開關(guān)組成。RFID導游機由微控制器、LCD顯示屏、觸摸屏、音頻輸出、RFID標簽及存儲器、電源、串行口等常用外圍電路組成。

圖1 超高頻RFID導游系統(tǒng)

在溶洞景區(qū)的各景觀處，安裝超高頻RFID讀卡器一套。讀卡器的讀寫距離為3～5 m。讀卡器的UHF讀寫模塊連接控制器，控制器根據(jù)UHF讀寫模塊的偵測信息，開啟或者關(guān)閉景觀燈。

游客攜帶RFID導游機進入溶洞景區(qū)，到達某處景觀時，讀卡器就會偵測到有RFID導游機進入讀寫區(qū)域，讀卡器控制器控制景觀燈打開。RFID導游機同時語音響起該景觀的介紹，引導游客欣賞此處的景觀。

當游客結(jié)束觀賞離開前往下一景觀區(qū)時，偵測不到區(qū)域內(nèi)有游客，通過控制器關(guān)閉景觀燈效。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 RFID導游機

RFID導游機由微控制器、LCD顯示屏、觸摸屏、音頻輸出、RFID標簽及存儲器、電源、串行口等常用外圍電路組成。導游機主要功能電路圖如圖2所示。

圖2 RFID導游機主要功能電路圖

導游機用ARM9系列微控制器S3C2440為控制核心。S3C2440是韓國三星公司采用ARM920T內(nèi)核系列的RISC微控制器，主要用于高端手持設(shè)備，主頻最高可達533 MHz。片內(nèi)融合了 MMU，AMBA BUS和 Harvard結(jié)構(gòu)，可以外擴大容量存儲器，可以很方便地移植WinCE，Linux，Andriod等操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)提供了1 Gbyte的大容量Flash，用于存儲景觀介紹的音、視頻數(shù)據(jù)。

RFID標簽采用雙界面卡，雙界面卡是接觸式與非接觸式接口為一體的智能卡，它可以通過觸點接觸和射頻兩個操作方式對卡內(nèi)芯片進行訪問。射頻方式用天線線圈與景觀讀卡器通信。微控制器S3C2440與RFID標簽的數(shù)據(jù)交互通過觸點實現(xiàn)。RFID標簽的接觸界面和非接觸界面分別遵循不同的通信標準。UDA1341是Philips公司的一款音頻數(shù)據(jù)編解碼芯片，用于輸出景觀介紹音頻。視頻顯示采用TFT彩色液晶。按鍵采用四線制電阻式觸摸屏和普通的輕觸式按鍵。

2.2 讀卡器硬件

讀卡器的電路框圖如圖3所示，由微控制器、超高頻讀寫模塊、射頻功放、耦合器隔離電路、天線、串口、燈光開關(guān)以及常用的外圍電路組成。

圖3 讀卡器的電路框圖

微控制器采用STC89C52單片機，STC89C52是一款低功耗、高性能微控制器，具有8 kbyte Flash、512 byte RAM、32位通用I/O口、3個定時器/計數(shù)器、串口。

超高頻讀寫模塊采用奧地利MicroSystems公司的超高頻RFID讀寫器的專用芯片AS3990，［6］芯片主要工作頻段為860～960 MHz。芯片內(nèi)集成了射頻收/發(fā)送電路、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、8位I/O接口等。發(fā)射電路中有調(diào)制器、編碼器、功放、鎖相電路、壓控振蕩器、頻率合成器等;接收電路有混頻器、低通和高通濾波器、解調(diào)器、CRC校驗等。協(xié)議轉(zhuǎn)換單元將輸入微控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準協(xié)議數(shù)據(jù)幀，并將接收數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成微控制器能接收的數(shù)據(jù)格式。芯片支持并行和串行，方便與后端控制電路進行數(shù)據(jù)通信。

AS3990的I/O與STC89C52的P1口連接，AS3990由STC89C52的P2.1提供時鐘，并可以給STC89C52發(fā)送中斷請求。AS3990通過射頻功率放大器、耦合器隔離電路連接射頻天線。射頻功率放大器可以通過提高功率擴大RFID標簽的讀寫距離。

STC89C52連接MAX232芯片，可以通過串口與PC等外部設(shè)備連接。P0口用于連接景觀照射燈光的控制電路。燈光控制電路可以采用繼電器實現(xiàn)弱電控制強電。

2.3 防護設(shè)計

由于溶洞內(nèi)常年低溫、潮濕，為了適合于溶洞的特殊環(huán)境，導游機和讀寫器都封裝在防護殼內(nèi)，有良好的防塵、防水防護等級。由于導游機和讀寫器的通信采用射頻通信，常規(guī)線的防護材料不影響通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

溶洞人工導游的工作方式:導游領(lǐng)頭走到一處景觀，然后人工打開景觀燈，或者用手電照射，指引游客觀看，并配與解說;介紹完該處景觀，引導游客前進，并同時手動關(guān)閉景觀燈。根據(jù)這個工作方式，設(shè)計系統(tǒng)軟件控制流程如圖4、圖5所示。

圖4中讀卡器控制流程:讀寫器啟動后，工作在查詢發(fā)射狀態(tài)，搜尋工作覆蓋范圍內(nèi)的RFID標簽。當偵測到有RFID后，給STC89C52控制器發(fā)送信號，STC89C52控制景觀燈開啟。并給RFID導游機發(fā)送相應景觀代碼。同時，繼續(xù)偵測是否有RFID標簽，如果有則給其發(fā)送景觀代碼;否則，STC89C52經(jīng)過一段延時后，控制景觀燈關(guān)閉。

圖5中RFID導游機控制流程:RFID導游機啟動后，平時處在休眠狀態(tài)。當進入某景觀區(qū)，即進入讀卡器的工作覆蓋范圍時，接收到讀卡器發(fā)來的射頻信號。隨之激活RFID標簽，并有RFID標簽激活導游機。RFID標簽接收讀卡器的景觀代碼，并交送給微控制器S3C2440，微控制器從Flash中調(diào)出相應代碼的景觀音視頻介紹進行播放。播放過程或者播放結(jié)束后，游客可以根據(jù)需要選擇重播。否則，系統(tǒng)則自動記錄播放的景觀代碼，并進入低功耗模式等待下一次播放。

4 系統(tǒng)分析與測試

4.1 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)對游客的定位是獨立的、相對位置的定位，導游機和讀寫器有各自的ID，讀寫器能且只能找到其工作范圍內(nèi)的導游機。導游機和讀寫器通過各自的ID辨析并完成相應操作。就如采用RFID的公交、地鐵收費系統(tǒng)一樣，由于各讀卡器和導游機都有各自的ID號，且各讀卡器覆蓋的范圍不重合，工作時彼此獨立、互不通信、互不干擾，所以不會出現(xiàn)讀寫器間的沖突和混淆。由此，系統(tǒng)在實驗室進行了測試，用各分開的多個實驗室代表不同的景觀區(qū)，在各實驗室門口安裝讀卡器。當有人攜帶RFID導游機走近實驗室門口，讀卡器連接的燈光被點亮。然后，RFID導游機開始播放預設(shè)的音視頻解說。當攜帶RFID的人離開該讀卡器的覆蓋區(qū)域，燈光熄滅。功能演示效果符合設(shè)計要求。

4.2 測試分析

測試系統(tǒng)的信度分析:由于溶洞內(nèi)景觀通常是獨立分散的，游客的游覽通道通常只有一條，而且道路寬度不超過1～1.5 m，根據(jù)溶洞景觀游覽的特點，本系統(tǒng)讀卡器的讀寫距離設(shè)置為3～5 m，因此讀寫器適宜安裝在游覽景觀必經(jīng)通道最佳觀看點的路邊，足以覆蓋該游覽區(qū)內(nèi)的游客。同時，本系統(tǒng)工作頻率支持433 MHz，866 MHz，915 MHz等多個頻段，這些頻段的射頻信號繞射能力強，因此在本應用中不存在信號盲區(qū)。如圖1所示，A，B，C區(qū)為3處景觀，3處景觀彼此獨立。游客游覽到某個景觀區(qū)，導游機就會與該區(qū)域讀寫器通信。

5 結(jié)語

本設(shè)計將超高頻RFID技術(shù)與嵌入式控制技術(shù)使用在旅游行業(yè)，考慮了溶洞游覽時，溶洞范圍大，景觀分散的特點，設(shè)計了一個溶洞導游音視頻解說的電子導游系統(tǒng)，用超高頻RFID技術(shù)實現(xiàn)景觀與游客的相對定位，解決了GPS，GSM在溶洞中無法實現(xiàn)定位的問題。

［1］唐焯宜.基于AS3991的超高頻RFID讀寫器設(shè)計［D］.廣州:中山大學，2010.

［2］鄧健志，程小輝.礦山救援系統(tǒng)的人機界面設(shè)計［J］.煤礦機械，2008(3):188-190.

［3］靳釗，莊奕琪，王江安，等.無源超高頻RFID低壓高效電荷泵的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子科技大學學報，2010(6):934-938.

［4］程衛(wèi)軍，邵燕，張玉軍，等.基于ARM+GPS+GSM的智能電子導游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中央民族大學學報，2011(1):61-66.

［5］王濤春，陳軍，張學杰，等.基于GPS和PDA的電子導游系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.計算機應用，2004(S2):243-248.

［6］AS3990/AS3991 Datasheet［EB/OL］.［2012-01-01］.austriamicrosystems.