基于RFID及GIS的博物館藏品管理系統①

陳能成, 呂 友, 陳澤強,(武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 武漢 430079)(地球空間信息技術協同創新中心, 武漢 430079)

基于RFID及GIS的博物館藏品管理系統①

陳能成1, 呂 友1, 陳澤強1,21(武漢大學 測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 武漢 430079)2(地球空間信息技術協同創新中心, 武漢 430079)

基于“物聯網地理信息軟件平臺設計與實現”項目, 針對博物館藏品管理的業務流程, 設計實現了一種基于射頻識別及地理信息系統的博物館藏品智能管理系統. 利用地理信息技術制作館內電子地圖及在文物入館登記及巡檢時記錄文物存儲位置從而實現文物信息在線地圖可視化, 采用射頻識別技術實現對巡檢員的實時定位及巡檢工作考核. 結合兩種技術實現藏品信息自動采集與實時傳輸及館內藏品的統一高效管理. 相比于現有的博物管理系統, 該系統提高了藏品信息采集的效率與便捷性, 實現了對藏品的實時動態智慧化管理.

博物館管理; RFID; GIS; 智能管理

博物館具有收藏保管、陳列研究、宣傳教育職能,對文物的搜集、保護、研究、展示, 發掘其蘊藏的歷史、科學和藝術價值, 是博物館的核心工作之一[1]. 因此, 藏品管理水平的高低, 直接影響博物館各項活動的開展, 決定著博物館社會效益和經濟效益的發揮,在博物館工作中有著舉足輕重的作用[2]. 隨著現代博物館事業的快速發展, 如何實現對實物藏品科學有效智能的管理成為越來越重要的研究課題.

在當前博物館藏品RFID管理系統中, 主要為這樣一種方案: 該系統包括電子標簽、手持機、服務器三部分. 電子標簽一般使用貼、掛等方式與藏品固定在一起, 其中存儲了文物的一些信息, 用于藏品識別[3].手持機中裝有讀寫器, 可以對電子標簽進行讀寫. 服務器則存儲了館內所有藏品的信息. 該系統的工作流程為:在藏品入館前, 先錄入信息至電子標簽, 進入展區時系統對藏品標簽進行掃描; 藏品的每次變動都要經過系統的掃描, 每次掃描信息都錄入數據庫, 使標簽和藏品形成唯一對應關系. 管理員拿著RFID閱讀器在藏館巡視一遍即可將藏品核對清楚. 該方案在一定程度上實現了博物館藏品的信息化管理, 但也有明顯的不足之處: 1)該方案注重藏品資源自身的輸入、處信息. 博物館作為藏品收藏展覽的實體具有空間地理形態, 藏品除擁有各自的屬性信息外還具有與博物館地理坐標相關的空間信息, 因而在博物館內形成了縱橫錯雜的藏品資源布局, 智能化的藏品管理系統不僅對藏品的屬性信息進行管理, 還需要做到對藏品管理中與空間位置有關的信息進行有效的管理[4], 達到可視化和直觀的效果, 并將定位信息、導航信息等同時顯示在用戶界面, 實現信息資源的檢索與提取. 2)藏品的管理還應該包括每個文物所處的環境信息的實時監控, 如溫度、濕度、光照、空氣狀況等; 這些對藏品的保護至關重要, 但是目前基于RFID的藏品管理系統僅僅是一個對藏品的自身屬性信息管理的孤立的系統,并沒有與整個博物館藏品管理中的傳感網系統、視頻監控系統及博物館的部門人員管理系統等其他系統有效的協同工作, 管理綜合性差.

本文為提高博物館文物智能化管理水平, 基于RFID技術、傳感網技術及室內GIS技術, 提出了一種集移動管理終端與網絡后臺信息管理系統于一體的博物館藏品智能管理解決方案.

1 系統概述

1.1 系統需求分析

通過與博物館管理員的一步步交流溝通, 結合對藏品管理工作的相關調研, 整理出管理員對系統的基本要求. 基于物聯網GIS的博物館智能管理系統業務流程如圖1所示, 博物館對藏品的智能管理主要包括兩個流程: 藏品登記及藏品巡檢. 對于非本館的藏品進入本館或者館內藏品位置發生變化時, 需要進行相應的藏品登記: 博物館管理員攜帶RFID讀寫器讀取并記錄相應藏品的RFID標簽數據, 檢查藏品是否損壞等信息, 把相應的數據及藏品存放位置信息抄錄至手持機, 確定藏品信息登記完全無誤后提交到后臺管理系統, 藏品存放到指定位置后, 由部署在館內的傳感網對藏品存放環境進行實時智能監控. 對于館內的藏品需要管理員定期進行巡檢: 首先巡檢管理員結合當前館內藏品數據及巡檢人力信息制定合理的巡檢計劃及任務安排, 然后在系統中發布巡檢任務. 在系統前端, 巡檢人員登錄系統查看自己的巡檢任務, 利用GIS路徑分析功能生成巡檢路線, 完成巡檢任務.

1.2 基于物聯網的系統框架

本系統框架結構在標準的物聯網三層架構(感知層、傳輸層、應用層)基礎上進行擴展, 如圖2所示.

圖1 系統業務流程圖

感知層: 主要由安卓手機、RFID標簽和讀寫器及溫濕度傳感器組成, 文物在進出博物館或在博物館內流動時, 工作人員利用RFID閱讀器對傳感器、RFID標簽的信息通過藍牙數據傳輸進行數據采集, 記錄移動設備終端, 然后在終端設備上進行交互式操作, 將數據上傳至后臺管理服務器.

網絡層: 完成相關數據的接入與傳輸, 包括接入網與傳輸網兩種. 本系統的傳輸網由專網和公網組成,主要包括互聯網、專用網及移動通信網等.

處理層: 完成地圖相關的業務和文物管理.

相關業務, 由J2EE應用服務器和Arcgis Server服務器組成. J2EE應用服務器采用SSH(Struts2+ Spring+Hibernate)架構進行開發, 文物管理相關業務在APP客戶端及WEB客戶端使用Struts2完成與J2EE應用服務器的交互, 地圖數據相關的業務通過REST地圖服務接口與Arcgis Server服務器進行交互. J2EE應用服務器使用Hibernate將數據層屬性封裝成數據訪問接口, Arcgis Server將地理數據發布為各種能力的GIS服務, 完成處理層和數據層之間的通訊.

數據層: 負責基礎地理數據、屬性數據及RFID讀寫器采集數據的存取, 維護各種數據間的關系, 保障整個系統數據源的安全性. 地理數據通過ArcMap對空間數據進行組織并符號化后形成*.mxd地圖文件,屬性數據及RFID讀寫器采集數據采用MySql進行存儲與管理.

圖2 系統總體框架

2 關鍵技術

2.1 室內GIS

以地圖的方式顯示博物館內部的基本布局及館內藏品分布信息, 實現藏品及博物館管理員的實時定位對博物館藏品管理尤為重要. 本系統在Auto CAD開發的基礎上, 基于ArcgisGIS建立室內GIS矢量電子地圖模型結合空間數據庫對博物館內部建筑結構、組織機構分布以及各種信息資源的地理位置、空間布局等空間信息進行管理、更新、維護. 基于博物館的幾何網絡模型圖及博物館內的展廳、樓梯及走廊連通關系可建立具有網絡拓撲結構的博物館室內平面圖, 博物館空間數據采取分層的方式進行描述、表達和管理,博物館內的展廳、樓梯及走廊各為一個數據層; 每個展廳內裝有固定的讀頭, 藏品登記完成后系統管理平臺將藏品登記時錄入的存放位置信息傳送到空間數據庫中存儲, 并在室內電子地圖圖的相應位置顯示藏品圖標, 點擊生成路徑按鈕可根據展廳、樓梯及走廊的互通關系生成導航路徑.

2.2 物聯網節點建模與注冊

本系統應用的各類傳感器及RFID電子標簽都是物聯網的節點, 在系統開發過程中, 對物聯網節點管理及對來自無數節點的數據進行統一的存儲非常的重要. 在節點管理及數據存儲之前需要了解節點相關信息, 知道數據來自哪一個物聯網節點, 這就需要將這些物聯網節點的ID, 地理位置, 數據類型和節點屬性等信息建模并在數據庫中注冊. 本文采用面向對象的設計思想及XML技術建立了統一的節點信息模型(如下所示), 基于該模型建立各個節點實例文檔, 并注冊到后臺服務器中, 服務器收到注冊XML文檔信息后解析文檔并將物聯網節點相關信息存入到數據庫, 自動完成物聯網節點的注冊.

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2.3 異構信息標統一處理

在該系統中不僅有來在各類傳感器的數據, 同時還會有巡檢員巡檢產生的數據, 如何將來自這些異構節點的數據傳輸到數據服務中心并進行統一的存儲非常重要. 在大多數情況下, 一般都是通過硬編碼的方式直接將各種感知設備接入到系統中, 按照不同的格式將不同的節點數據發送到數據服務中心. 這種情況導致每次增加一些感知設備時, 就需要不斷地修改源代碼, 系統的實用性低.

為了能夠實現異構數據的統一接入與存儲, 本系統以開放地理信息空間聯盟(Open Geospatial Consortium, OGC)制定的SOS(Sensor Observation Service)服務標準為基礎, 采用標準的XML文檔數據傳輸格式, 將數據文件發送到SOS Web服務的數據接收接口. SOS接收到數據文件后, 將會自動解析文檔并將數據存到數據庫中. 對于不同的物聯網感知節點所使用的XML文檔都具有相同的標簽, 只是標簽下所包含的內容有所不同.

3 系統設計及實現

3.1 移動前端功能設計

智能管理移動端有4個主要功能模塊(圖3):

(1) 用戶登錄: 對權限進行控制和驗證, 防止無權限人員登錄惡意篡改數據. 這里的用戶分為兩類:博物館一般管人員和超級管理人員. 一般管理人員只負責藏品入館登記及一般的巡檢操作, 超級管理人員除此之外還可進行藏品出館登記及制定巡檢計劃.

(2) 節點建模與注冊: 巡檢員根據已建立好的模型文件輸入相應的屬性信息建立物聯網節點的信息模型, 點擊注冊功能系統自動實現模型文檔的上傳與注冊.

(3) 數據接入: 該模塊是移動端功能的核心, 管理員在藏品登記或者巡檢時, 通過RFID讀寫器識別讀取貼在藏品上的RFID標簽信息, 并手動填寫與藏品相關的其他信息, 填寫方式盡量采取點選或者列表選擇. 信息填寫完畢后點擊上傳, 采集前端自動將所填的數據組織為SOS所需要的XML格式并將數據文檔傳至SOS服務中心.

(4) 地圖GIS展示: 采用地圖的方式來實時顯示管理員的位置、藏品在館內的布置圖及相應當前數據資料, 進行GPS定位、地圖顯示、路徑規劃. 對于系統檢測到異常信息的藏品與正常的加以區別顯示.

圖3 移動端功能模塊劃分

3.2 后臺技術框架設計

(1) 用戶管理: 管理各類項目相關信息, 分為用戶信息管理、館內設備管理和巡檢計劃管理三個子模塊, 以此實現對設備、用戶、巡檢信息的全面管理.

(2) GIS展示: 以地圖的方式直觀顯示展廳及館內相應區域藏品及設備的位置分布圖及相關數據資料在線顯示, 例如藏品詳細信息、設備工作狀態、當前管理員分布狀況等. 同時還具有路徑規劃功能, 提供由當前位置到特定位置的路線規劃.

(3) 預警管理: 管理傳感網器監測數據, 識別異常檢測數據并根據配置的異常處理策略進行預警動作處理.

(4) 數據查詢: 用于查詢后臺數據庫中存儲的各種信息.

圖4 服務器端功能設計

3.3 數據庫設計

數據庫采用MySQL數據庫, 由于篇幅原因這里不再給出, 本系統采用面向對象的思想建立了18張表,分別為文物表、操作單據表、操作明細表、文物圖片表、文物活動軌跡表、攝像頭表、區域表、區域文物表、展廳信息表、博物館信息表、傳感器關聯表、傳感器表、傳感器參數表、文物空間表、報警信息表和參數池.

3.4 核心功能實現

本文開發實現的博物館智能管理系統整體運用C/S架構, 其中服務器端采用B/S架構. 服務端采用SSH(Struts2+Spring+Hibernate)框架, 通過整合jQuery、Bootstrap等第三方庫, 實現一步交互; 移動端調用藍牙連接接口與閱讀器進行標簽數據讀寫及相關傳感信息輸出, 使用HTTP POST方法與服務端傳輸數據.

進入登錄界面并成功登錄后將會進入主界面, 移動端主要有兩項核心功能: 在博物館地圖上在線查看館內藏品信息和收集藏品詳細信息(圖5), 移動端在收集藏品信息時需要借助RFID讀寫器采集貼在藏品上的RFID標簽信息, RFID讀寫器通過藍牙傳輸方式傳給到移動端, 移動端解析數據并自動填充到相應的選項中.

圖5 移動端主要界面

4 結語

為提高博物館藏品管理效率及智慧化水平, 本文設計實現了集智能管理終端系統和后臺信息管理系統于一體的博物館藏品智能管理系統. 系統在基于RFID信息采集及GIS地圖可視化的基礎上實現了藏品的入館初始登記、借出登記、借入登記、離館登記、報廢登記、在線展示及預警管理等主要的藏品管理業務,改變了博物館藏品傳統的管理方式, 使信息管理由數值領域進入到空間領域, 使得藏品在館內的管理更加安全便捷, 提高了管理人員的工作效率.

1 徐文杰,管會生,王亞東.基于RFID技術的博物館文物管理系統的設計.微計算機信息,2010,26(72):180–184.

2 昔克,原思聰,孫昌成.基于RFID技術的博物館人員和館藏文物管理系統的設計.金卡工程,2008,(1):49–52.

3 任國棟,陳林華,陶學鋒,方先行.基于Unity3D的虛擬博物館信息可視化系統.計算機系統應用,2013,22(9):86–90.

4王建,孫詠,李巖,高岑.面向公路物流運輸企業的GIS監管系統.計算機系統應用,2015,24(12):105–109.

Museum Collection Intelligent Management System Based on RFID and GIS

CHEN Neng-Chen1, LV You1, CHEN Ze-Qiang1,21(State Key Laboratory of Information Engineering in Survey, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China)2(Collaborative Innovation Center of Earth Space Information Technology, Whuhan 430079, China)

Based on the project of “design and implementation of internet of things and GIS software platform”, we design a museum collection intelligent management system based RFID and GIS, in view of business process for museum collections management. Through the management of museum indoor map and recorded location of cultural relics in the registration and inspection of them, the system achieves the goal of realizing the online map visualization of cultural relics. And the system also can use RFID technology to realize the real-time location of inspectors and assess the inspection work of the inspectors. Combined with these two technologies, the system implements functions of auto-collect and real-time transmission of collection information and achieves the goal of unified and efficient management of the museum collections. Compared to the conventional way of collection management, this system improves the efficiency and convenience of collection information collection, and realizes the real-time dynamic intelligent management of the collection.

museum management; RFID; GIS; intelligent management

國家自然科學基金(41301441);中國博士后科學基金(2014M562050,2015T80829)

2016-07-11;收到修改稿時間:2016-08-18

10.15888/j.cnki.csa.005676