智慧博物館智能感知的應用研究
——以可見光通信技術為例

海 鷗

（深圳博物館，廣東 深圳 518000）

博物館是重要公共文化場所，是連接過去與未來的紐帶。數字技術、信息技術給博物館帶來了全新發展的機會，也對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域。傳統的智能感知技術采用射頻通信方式，存在電磁干擾、通信擁塞、安裝麻煩等問題。而可見光通信能同時提供照明與通信功能，且具有免疫電磁干擾、頻譜豐富、保密性高等優勢，已逐漸成為室內、外短距離通信的熱點技術，具有很好的發展前景，更被認為是未來室內信息網絡“三網合一”的融合劑。故此，本文提出了一種基于可見光通信技術的博物館智能感知系統，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2萬多個，接待觀眾人數達6.5億人次。博物館已成為海內外游客領略中華文化的重要窗口，也是社會公眾教育、科學研究、休閑娛樂的重要場所。蓬勃發展的博物館，正成為越來越多人的游覽地[1]。但是，由于傳統博物館主要是透過文字、圖片、音響、實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到受眾的要求。即使采用數字化展覽技術使得博物館展覽更為生動、有趣、更有吸引力，也難以解決這種單向信息傳遞所帶來的弊端。博物館的管理者或者展覽的主辦方對于觀眾的觀賞興趣、喜好、對展品的傾向只能通過簡單的問卷調查來了解。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法科學合理地安排展覽內容、規劃展品位置等。故此，智慧博物館建設的重要一環是打破這種單向的信息傳遞方式，除了通過數字交互技術增加與觀眾的主動交互以外，更重要的是綜合利用傳感技術、無線通信技術、數據分析等技術來實現對博物館觀眾群體的信息感知和深度分析[2]，從而得到科學的數據來指導博物館的建設、規劃和管理，提升博物館的影響力以及展品的展示價值。但當前基于短距微波通信技術的智能感知應用還存在諸多弊端，如無線通信信道帶寬有限、產生無線電磁干擾、信道的相互干擾等問題。

2 LED可見光通信技術

可見光通信技術是一種以可見光為信號載體，通過光電探測器接收信號的無線光通信技術[3]。與其他通信技術（電話網、以太網、光纖通信、無線蜂窩通信和紅外通信等）相比，可見光通信技術是一種新興的通信技術。LED是一種能將電轉變為可見光的半導體器件。與白熾燈和熒光燈相比，LED具有壽命長、光效高、無汞、調制速度快等優點。隨著LED技術的進步和成本的降低，LED已經越來越廣泛地應用于照明和顯示領域。此外，由于LED具有優良的調制帶寬，故而在將LED用于照明的同時，還可以將它用作光信號源，即可以用信號調制LED，使信號加載到可見光上，以可見光的形式發射出來，形成以LED白光源為光源的可見光通信系統。在可見光通信系統中，白光LED具有通信與照明的雙重功能，由于LED的調制速率非常高，人眼完全感覺不到其閃爍。可見光通信系統可利用室內白光LED照明設備代替無線局域網基站，其通信速度可達每秒數十兆至數百兆。只要在室內燈光照到的地方，就可以實現長時間的高速數據傳輸。簡單的說就是“有光照就能上網”。

隨著LED照明技術的發展和成本的降低，基于可見光通信的技術變得越來越熱門。可見光通信技術始于日本，并取得了一定成果。2004—2006年，Komine從碼間干擾、多徑效應、光源布局和通信信道等方面對VLC系統性能影響進行研究，得出各種因素對VLC技術的影響效果。2008—2009年，日本可見光通信系統在數據傳輸方面取得突破性進展，最快數據傳輸速率達100Mb/s。2013年，英國科學家首次實現了每秒兆比特的室內可見光通信速率。

利用照明LED燈傳輸感知信息與定位信息，無需額外布線及安裝通信、定位設備，就可以實現“通照兩用”，降低了博物館此類項目的建設成本。隨著現代通信技術的發展，特別是可見光通信的發展，為智慧博物館建設中智能感知這一難題帶來了新的解決方案。

可見光通信有著其他通信技術所不具備的優勢："可見光通信成本低、易普及；#對人體無害，環境友好；$頻譜資源豐富且無須認證；%無電磁輻射，可應用于特殊場合等。因此可見光通信技術對環境要求十分苛刻的博物館具備廣闊的發展前景。

3 基于可見光通信的智慧博物館環境感知系統

本文提出了一種基于可見光通信技術的博物館智能感知系統，利用照明LED燈傳輸感知信息,在此基礎上分析博物館內不同展區的人流密度情況，通過分析溫濕度監控從而實現對與人流聚集度的感知，可以計算出博物館的人流、溫濕度情況和人群聚集時間等規律，為博物館合理調整展品位置、提高空間利用率和展品價值、預防觀眾群體意外等提供客觀的數據分析和有益的規劃參考，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將傳感器群感知到的信息在已構建的可見光通信鏈路中傳輸并上傳至服務器；服務器端負責對接收到的數據進行分析[4]，依照不同博物館各異的需求，建立不同的模型；然后在數據庫中分析各展廳、各展品前的人流，并用Web形式提供可視化結果信息。本系統如圖1所示，主要包括以下幾個單元：可見光通信收發單元、數據服務器單元、感知信息可視化單元。

圖1 智慧博物館的智能感知系統結構圖（來源：作者自繪）

3.1 可見光通信收發單元

可見光通信收發單元主要包括可見光通信發送子模塊與可見光通信接收子模塊。LED屬于單向導電器件，故采用直流電壓持續為LED燈提供工作電流。當將持續的比特流信息輸入到電路中的PWM輸入引腳時，高電平使LED熄滅，低電平使LED點亮，通過調制LED發光來傳送信息的目的。并且由于調制頻率高，LED閃爍速度快，肉眼無法分辨，因此在數據傳輸時LED不影響展廳照明和觀眾的參觀體驗。可見光接收電路接收到由發送電路發出的光信號后，光電檢測器利用光電效應將光信號轉化成電信號。由于光信號在傳輸過程中，會受到放大電路器件本身所引起不可避免的內部干擾，以及發送端與接收端之間，來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盡可能的降低由于干擾產生的信號誤差。最后，經過放大和整形的信號輸出為數字信號。

3.2 數據服務器單元

本系統利用數據庫對感知設備感知到的數據進行存儲并分析，通過人體體溫和呼出的氣體在封閉空間中對溫濕度的影響來判斷博物館內的人流情況，然后通過數據庫，將分析結果發送至智慧博物館系統中展廳人流管理模塊和博物館觀眾服務模塊。首先將采集到的不同展區的溫濕度信息進行融合處理，標定出不同展區的人群密度等級，通過實時檢測到的數據與標定數據比較，可有效估計當前展區人群密度。

3.3 感知信息可視化單元

本系統通過Web形式將整個博物館的感知信息進行實時統計。如圖2所示，在示例的6個展廳中，六號展廳具有最多的人流分布；三號展廳的人流較少，且集中于某個角落；四號展廳的人流分布居于中央，這與其展品布設呈中心圓形有關。除此之外，Web端還有用戶注冊、用戶登錄、用戶管理以及賬戶設置等功能。博物館管理人員通過權限管理，對于涉及博物館安全等私密信息，除了管理員賬號可以查看外，普通游客不具備登錄權限。當觀眾登錄博物館網站或者APP時，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，也讓博物館管理人員更方便地進行人流疏導。

圖2 基于可見光通信的博物館智能感知顯示（來源：作者自繪）

4 總結與展望

博物館信息化、智能化建設的最終目的之一是為了讓更多的人走進博物館，了解博物館里展品所蘊含的歷史文化。而給觀眾提供更好的參觀體驗和服務則是博物館從業者應該著重思考地方，也是吸引觀眾走進博物館的重要因素。通過分析博物館各展廳人流匯聚情況并分享相關數據，使博物館工作人員對觀眾進行適當分流，則能提高觀眾參觀博物館體驗。收集相關展品前人流匯聚情況和停留時間數據，并通過智慧博物館大數據系統的分析，則可以得出觀眾對相關展覽布設以及展品的喜好。按照此類數據的比對和分析，以觀眾的興趣對陳設方式和展品進行調整，則可以吸引觀眾再來博物館。

本系統實現了一種基于可見光通信技術的博物館智能感知系統，利用照明LED燈傳輸感知信息并通過智慧博物館智能分析系統分析人流量及聚集情況，實現了基于可見光信息的大型場館感知與導航功能。通過此系統可以實時計算出博物館的人流、溫濕度情況和人群聚集時間等規律，為博物館合理調整展品位置、提高空間利用率和提高觀眾參觀體驗、預防觀眾群體意外等提供了客觀的數據分析和有益的規劃參考。