应用于博物馆的智能导览系统

王智铎，杨军凯，刘建聪

（华北理工大学人工智能学院，河北唐山，063210）

关键字：iBeacon室内定位；自动循迹避障；语音播报；可视化界面

0 引言

随着生活水平的不断提高，人们对旅游的需求也在逐渐增大，在此背景下景区的导览方式也在进行着变化，由传统的讲解员到现代导览系统，传统的讲解员能够提供生动形象的讲解并能够及时为旅客答疑，但是存在着讲解水平参差不齐、人数有限等问题，无法满足现代导览行业的需求，而现代导览系统是主要是通过电子导览的方式实现旅客的自助导览，能够有效解决讲解员少等传统导览方式所造成的问题，但是也存在功能不完善、不能满足景区个性化需求、不易操作等问题。现阶段我国大部分导览是依靠讲解员与现代导览系统相结合的方式，由于新一轮科技革命和产业变革的深入发展，数字化、网络化、智慧化也在不断地影响着旅游业的发展，导览系统的智慧化显得尤为重要，因此针对上述问题，本文设计了一种基于iBeacon 定位技术的智能导览系统，通过iBeacon 信标对导览车定位，以实现定位讲解的功能。本导览系统具有智能化讲解等优点，能够满足旅客的需求，提升博物馆等室内场所的核心竞争力，并促进其转型升级。

1 导览系统简介

为了提高博物馆等室内场所的社会效益和核心竞争力，为了解决博物馆内讲解员的培训周期长、业务能力、服务质量不一等问题，设计了一种基于iBeacon 的通信智能导览系统[1]。本导览系统依靠iBeacon 室内定位技术实现整个室内的精准定位，配备多种传感器实现导览车的循迹与自动避障，采用百度地图对博物馆内的场景建模和实现定位追踪与搭建可视化平台，实现导览车—定位系统—网站地图的软硬件相结合的一体化设计，导览车结构如图1 所示。

图1 智能导览车示意图

2 技术路线

■2.1 定位部分

由多组蓝牙网关与iBeacon 信标组合实现特定场景的室内定位，设计流程如图2 所示。使用蓝牙中继网关扫描室内场景中所有可以搜索到的iBeacon 设备[2]，获取导览车的数据信息和RSSI 值，并将获得数据上传至服务器对RSSI值进行处理，RSSI 值可以确定iBeacon 设备与蓝牙网关的距离或者范围，实现位置追踪的目的，如图3 所示。

图2 定位部分设计流程图

图3 运行测量结果

运用RSSI 的Range—based 无线传感器网络定位算法，拟合场景内的RSSI 衰减模型，确保在室内干扰下定位数据足够精准，并在百度地图上进行位置标注，显示网关的具体位置，实现室内对导览车的定位追踪。

图4 定位坐标图

■2.2 电控部分

导览车的底盘使用STM32F103 作为芯片，使用12V1.5AH 锂电池供电，使用带编码器的直流减速电机作为动力，直流电机驱动模块采用TB6612 驱动芯片实现导览车的运动和转向，使用PWM 对导览车进行调速。

导览车电控部分包括STM32 主控板，12V 电机，编码器，麦克纳姆轮，两个TB6612FNG 电机驱动模块，一个电源模块，三个超声波模块以及循迹模块，一个12V1.5Ah 锂电池，STM32 与TB6612FNG 连接如图5 所示。

图5 STM32 与TB6612FNG 连接图

避障功能使用HC-SR04 型号的超声波传感器模块[3]，测量导览车与周围障碍物的距离，导览车在前进过程中，单片机接收到此模块的数据后，通过判断与障碍物的距离，并采用PWM 脉宽调制，控制电机转速以实现导览车运动状态的改变。超声波避障的程序流程如图6 所示。

图6 超声波避障程序流程图

自动循迹功能采用TCRT5000 红外反射传感器，实现导览车循黑线进行导览，此外，使用iBeacon 定位技术将导览车的位置反馈到后台上，便于博物馆管理人员观察各个导览车的位置及工作状态，方便管理。循迹模块程序流程如图7 所示。

图7 循迹模块程序流程图

■2.3 可视化部分

导览车配备实时更新的可视化界面，博物馆管理员通过移动端浏览器、微信小程序了解各个导览车的实时位置、工作状态和剩余电量等信息。方便实时监控导览车的状态及位置，对导览车进行及时维护。

利用现有的JavaScript SDK（基于HTML5 和WebGL技术的浏览器应用程序接口）开发可视化界面[4]，通过接收阿里云发送的JSON 数据包，解析并更新界面地图中导览车的信息。

■2.4 系统整体运行

系统整体运行时，首先使用蓝牙网关中的三点定位技术，与iBeacon 信标相结合，完成服务器对场景的高精度建图以及导览车的定位。利用树莓派来处理蓝牙网关的位置信息，通过串口通信传输给导览车，导览车由STM32 单片机作为主控芯片控制运行，进行循迹和自动避障，带领游客前往指定地点同时进行语音播报讲解。树莓派将位置数据上传到阿里云，并开发网页，设定前端接收阿里云JSON数据包，更新网页数据，实现导览的可视化，系统流程如图8 所示。

图8 系统整体流程图

3 技术特点

（1）定位部分采用iBeacon 三点定位技术，对导览车进行实时定位，通过高斯滤波算法对数据进行滤波，使定位更加可靠准确。

（2）系统使用STM32 单片机控制导览车驱动，实现导览车的自动避障与循迹，多种传感器智能化感知周围环境，实现路径的规划与导览播报功能。

（3）可视化界面利用现有的 JavaScript SDK 进行网站开发，通过接收JSON 数据包，解析并更新网站界面地图中导览车的位置信息。可视化界面是服务于博物馆管理员，使其及时了解导览车的位置，便于及时调控导览车。

4 系统实物测试

我们将iBeacon 设备等距离部署在一个放有几张桌子做障碍物的屋子内，调整桌椅的摆放用以模拟一个博物馆的场景。由于iBeacon 信标放置的高度越低时存在的干扰变量越多，因此将信标放置在高度为2m 的情况下，每次测量中其他变量都保持不变，每隔2.5m 测量一次蓝牙网关与三个不同iBeacon 信标的RSSI 值，测量范围为0～25m，每个设备间的距离测量50 组，将所得的所有数据利用MATLAB 软件进行拟合，得到三条近乎贴合的曲线，求得环境衰减因子，如图9 所示。经过实际场景的测试，距离跟实际位置的误差范围仅有不到0.5m，可以较完美的实现路径与可视化界面相结合。

图9 环境因子测量

5 结束语

本导览系统运用STM32 控制导览车运行，蓝牙网关与iBeacon 进行定位，并开发可视化界面，使得管理人员实时了解导览车的运行路线，本导览系统的实行可为游客提供全方位的服务，从而提升博物馆等室内游览场所的科技文化内涵。

随着智能导览系统的逐步应用，导览服务将更加个性化，导览车替代导游的同时也可以作为信息的载体，可以在显示屏上设置广告及相关推广信息，从而获得较大的经济效益、环保效益和社会效益。随着导览系统的推广使用，可以将科技融入人们的日常生活，从而促进室内展览的改革发展。