智慧博物館智能感知的應(yīng)用研究
——以可見光通信技術(shù)為例

海 鷗

（深圳博物館，廣東 深圳 518000）

博物館是重要公共文化場(chǎng)所，是連接過(guò)去與未來(lái)的紐帶。數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)給博物館帶來(lái)了全新發(fā)展的機(jī)會(huì)，也對(duì)博物館的智能化提出了新的需求，特別是智慧博物館的智能感知領(lǐng)域。傳統(tǒng)的智能感知技術(shù)采用射頻通信方式，存在電磁干擾、通信擁塞、安裝麻煩等問(wèn)題。而可見光通信能同時(shí)提供照明與通信功能，且具有免疫電磁干擾、頻譜豐富、保密性高等優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為室內(nèi)、外短距離通信的熱點(diǎn)技術(shù)，具有很好的發(fā)展前景，更被認(rèn)為是未來(lái)室內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)“三網(wǎng)合一”的融合劑。故此，本文提出了一種基于可見光通信技術(shù)的博物館智能感知系統(tǒng)，利用照明LED燈傳輸感知信息并智能分析人流量及聚集情況。

1 智慧博物館的智能感知需求

目前，在我國(guó)已有各種類型的備案博物館4 600多家，每年舉辦展覽約2萬(wàn)多個(gè)，接待觀眾人數(shù)達(dá)6.5億人次。博物館已成為海內(nèi)外游客領(lǐng)略中華文化的重要窗口，也是社會(huì)公眾教育、科學(xué)研究、休閑娛樂(lè)的重要場(chǎng)所。蓬勃發(fā)展的博物館，正成為越來(lái)越多人的游覽地[1]。但是，由于傳統(tǒng)博物館主要是透過(guò)文字、圖片、音響、實(shí)物展示等方式單方向地向觀眾傳遞信息，在冰冷的展覽陳列玻璃面前，單一的傳播方式難以達(dá)到受眾的要求。即使采用數(shù)字化展覽技術(shù)使得博物館展覽更為生動(dòng)、有趣、更有吸引力，也難以解決這種單向信息傳遞所帶來(lái)的弊端。博物館的管理者或者展覽的主辦方對(duì)于觀眾的觀賞興趣、喜好、對(duì)展品的傾向只能通過(guò)簡(jiǎn)單的問(wèn)卷調(diào)查來(lái)了解。此種落后的方式很難真正了解到觀眾的各類喜好傾向。所以各博物館管理者無(wú)法科學(xué)合理地安排展覽內(nèi)容、規(guī)劃展品位置等。故此，智慧博物館建設(shè)的重要一環(huán)是打破這種單向的信息傳遞方式，除了通過(guò)數(shù)字交互技術(shù)增加與觀眾的主動(dòng)交互以外，更重要的是綜合利用傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)博物館觀眾群體的信息感知和深度分析[2]，從而得到科學(xué)的數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)博物館的建設(shè)、規(guī)劃和管理，提升博物館的影響力以及展品的展示價(jià)值。但當(dāng)前基于短距微波通信技術(shù)的智能感知應(yīng)用還存在諸多弊端，如無(wú)線通信信道帶寬有限、產(chǎn)生無(wú)線電磁干擾、信道的相互干擾等問(wèn)題。

2 LED可見光通信技術(shù)

可見光通信技術(shù)是一種以可見光為信號(hào)載體，通過(guò)光電探測(cè)器接收信號(hào)的無(wú)線光通信技術(shù)[3]。與其他通信技術(shù)（電話網(wǎng)、以太網(wǎng)、光纖通信、無(wú)線蜂窩通信和紅外通信等）相比，可見光通信技術(shù)是一種新興的通信技術(shù)。LED是一種能將電轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽獾陌雽?dǎo)體器件。與白熾燈和熒光燈相比，LED具有壽命長(zhǎng)、光效高、無(wú)汞、調(diào)制速度快等優(yōu)點(diǎn)。隨著LED技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，LED已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于照明和顯示領(lǐng)域。此外，由于LED具有優(yōu)良的調(diào)制帶寬，故而在將LED用于照明的同時(shí)，還可以將它用作光信號(hào)源，即可以用信號(hào)調(diào)制LED，使信號(hào)加載到可見光上，以可見光的形式發(fā)射出來(lái)，形成以LED白光源為光源的可見光通信系統(tǒng)。在可見光通信系統(tǒng)中，白光LED具有通信與照明的雙重功能，由于LED的調(diào)制速率非常高，人眼完全感覺不到其閃爍?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)可利用室內(nèi)白光LED照明設(shè)備代替無(wú)線局域網(wǎng)基站，其通信速度可達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆。只要在室內(nèi)燈光照到的地方，就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的高速數(shù)據(jù)傳輸。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是“有光照就能上網(wǎng)”。

隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，基于可見光通信的技術(shù)變得越來(lái)越熱門?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)始于日本，并取得了一定成果。2004—2006年，Komine從碼間干擾、多徑效應(yīng)、光源布局和通信信道等方面對(duì)VLC系統(tǒng)性能影響進(jìn)行研究，得出各種因素對(duì)VLC技術(shù)的影響效果。2008—2009年，日本可見光通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面取得突破性進(jìn)展，最快數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)100Mb/s。2013年，英國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了每秒兆比特的室內(nèi)可見光通信速率。

利用照明LED燈傳輸感知信息與定位信息，無(wú)需額外布線及安裝通信、定位設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)“通照兩用”，降低了博物館此類項(xiàng)目的建設(shè)成本。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是可見光通信的發(fā)展，為智慧博物館建設(shè)中智能感知這一難題帶來(lái)了新的解決方案。

可見光通信有著其他通信技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)："可見光通信成本低、易普及；#對(duì)人體無(wú)害，環(huán)境友好；$頻譜資源豐富且無(wú)須認(rèn)證；%無(wú)電磁輻射，可應(yīng)用于特殊場(chǎng)合等。因此可見光通信技術(shù)對(duì)環(huán)境要求十分苛刻的博物館具備廣闊的發(fā)展前景。

3 基于可見光通信的智慧博物館環(huán)境感知系統(tǒng)

本文提出了一種基于可見光通信技術(shù)的博物館智能感知系統(tǒng)，利用照明LED燈傳輸感知信息,在此基礎(chǔ)上分析博物館內(nèi)不同展區(qū)的人流密度情況，通過(guò)分析溫濕度監(jiān)控從而實(shí)現(xiàn)對(duì)與人流聚集度的感知，可以計(jì)算出博物館的人流、溫濕度情況和人群聚集時(shí)間等規(guī)律，為博物館合理調(diào)整展品位置、提高空間利用率和展品價(jià)值、預(yù)防觀眾群體意外等提供客觀的數(shù)據(jù)分析和有益的規(guī)劃參考，從而提升博物館的智慧化程度和管理水平。本文所提出的博物館智能感知系統(tǒng)將傳感器群感知到的信息在已構(gòu)建的可見光通信鏈路中傳輸并上傳至服務(wù)器；服務(wù)器端負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[4]，依照不同博物館各異的需求，建立不同的模型；然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中分析各展廳、各展品前的人流，并用Web形式提供可視化結(jié)果信息。本系統(tǒng)如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)單元：可見光通信收發(fā)單元、數(shù)據(jù)服務(wù)器單元、感知信息可視化單元。

圖1 智慧博物館的智能感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（來(lái)源：作者自繪）

3.1 可見光通信收發(fā)單元

可見光通信收發(fā)單元主要包括可見光通信發(fā)送子模塊與可見光通信接收子模塊。LED屬于單向?qū)щ娖骷?，故采用直流電壓持續(xù)為L(zhǎng)ED燈提供工作電流。當(dāng)將持續(xù)的比特流信息輸入到電路中的PWM輸入引腳時(shí)，高電平使LED熄滅，低電平使LED點(diǎn)亮，通過(guò)調(diào)制LED發(fā)光來(lái)傳送信息的目的。并且由于調(diào)制頻率高，LED閃爍速度快，肉眼無(wú)法分辨，因此在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)LED不影響展廳照明和觀眾的參觀體驗(yàn)?？梢姽饨邮针娐方邮盏接砂l(fā)送電路發(fā)出的光信號(hào)后，光電檢測(cè)器利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。由于光信號(hào)在傳輸過(guò)程中，會(huì)受到放大電路器件本身所引起不可避免的內(nèi)部干擾，以及發(fā)送端與接收端之間，來(lái)自外部自然光的外部干擾，所以在接收電路中，采用額外的差分放大電路來(lái)盡可能的降低由于干擾產(chǎn)生的信號(hào)誤差。最后，經(jīng)過(guò)放大和整形的信號(hào)輸出為數(shù)字信號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)器單元

本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)感知設(shè)備感知到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并分析，通過(guò)人體體溫和呼出的氣體在封閉空間中對(duì)溫濕度的影響來(lái)判斷博物館內(nèi)的人流情況，然后通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)，將分析結(jié)果發(fā)送至智慧博物館系統(tǒng)中展廳人流管理模塊和博物館觀眾服務(wù)模塊。首先將采集到的不同展區(qū)的溫濕度信息進(jìn)行融合處理，標(biāo)定出不同展區(qū)的人群密度等級(jí)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)比較，可有效估計(jì)當(dāng)前展區(qū)人群密度。

3.3 感知信息可視化單元

本系統(tǒng)通過(guò)Web形式將整個(gè)博物館的感知信息進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。如圖2所示，在示例的6個(gè)展廳中，六號(hào)展廳具有最多的人流分布；三號(hào)展廳的人流較少，且集中于某個(gè)角落；四號(hào)展廳的人流分布居于中央，這與其展品布設(shè)呈中心圓形有關(guān)。除此之外，Web端還有用戶注冊(cè)、用戶登錄、用戶管理以及賬戶設(shè)置等功能。博物館管理人員通過(guò)權(quán)限管理，對(duì)于涉及博物館安全等私密信息，除了管理員賬號(hào)可以查看外，普通游客不具備登錄權(quán)限。當(dāng)觀眾登錄博物館網(wǎng)站或者APP時(shí)，只可以查看到博物館各展廳中人流匯集的基本信息，從而合理安排自身的參觀線路，既為觀眾提供更好的參觀服務(wù)，也讓博物館管理人員更方便地進(jìn)行人流疏導(dǎo)。

圖2 基于可見光通信的博物館智能感知顯示（來(lái)源：作者自繪）

4 總結(jié)與展望

博物館信息化、智能化建設(shè)的最終目的之一是為了讓更多的人走進(jìn)博物館，了解博物館里展品所蘊(yùn)含的歷史文化。而給觀眾提供更好的參觀體驗(yàn)和服務(wù)則是博物館從業(yè)者應(yīng)該著重思考地方，也是吸引觀眾走進(jìn)博物館的重要因素。通過(guò)分析博物館各展廳人流匯聚情況并分享相關(guān)數(shù)據(jù)，使博物館工作人員對(duì)觀眾進(jìn)行適當(dāng)分流，則能提高觀眾參觀博物館體驗(yàn)。收集相關(guān)展品前人流匯聚情況和停留時(shí)間數(shù)據(jù)，并通過(guò)智慧博物館大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的分析，則可以得出觀眾對(duì)相關(guān)展覽布設(shè)以及展品的喜好。按照此類數(shù)據(jù)的比對(duì)和分析，以觀眾的興趣對(duì)陳設(shè)方式和展品進(jìn)行調(diào)整，則可以吸引觀眾再來(lái)博物館。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種基于可見光通信技術(shù)的博物館智能感知系統(tǒng)，利用照明LED燈傳輸感知信息并通過(guò)智慧博物館智能分析系統(tǒng)分析人流量及聚集情況，實(shí)現(xiàn)了基于可見光信息的大型場(chǎng)館感知與導(dǎo)航功能。通過(guò)此系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)計(jì)算出博物館的人流、溫濕度情況和人群聚集時(shí)間等規(guī)律，為博物館合理調(diào)整展品位置、提高空間利用率和提高觀眾參觀體驗(yàn)、預(yù)防觀眾群體意外等提供了客觀的數(shù)據(jù)分析和有益的規(guī)劃參考。