基于电力线载波通信的博物馆自动讲解系统

2013-12-17蔡思雨尚渭萍

电子科技 2013年4期

蔡思雨，尚渭萍

(1.四川大学历史文化学院，四川成都 610064;2.西安电子科技大学通信工程学院，陕西西安 710071)

现有的博物馆讲解机根据参观者输入的展品编号播放固定录音，展示形式固定化、教育方式模式化，存在较多问题:(1)无法实现自动播放，讲解机器无法判断参观者正在参观的文物，需要参观者手工输入文物的编号后才能开始播放相应的讲解录音。(2)只有简单的语音讲解，信息量少，无法将展品信息生动形象地呈现给参观者［1］。(3)所有的信息全部存放在讲解机内，首次部署或者日后更新时需要对成百上千的讲解机进行操作，工作量大、需要大量的人力资源、维护成本高。由于以上问题，传统讲解机已经无法满足参观者的需要以及数字化博物馆的要求。

针对传统讲解机的不足，提出了一种基于电力线载波通信技术的博物馆自动讲解系统，它不仅可以实现展品的自动化视频在线讲解服务，参观者还可以与系统互动，如博物馆实时信息发布、紧急情况处理、其它设施位置查询等。新的参观者讲解机需要与一台管理服务器相互通信，通信链路全部基于载波电力线和无线局域网［8］。为实现自动识别参观者身边展品，还需要在展品旁边放置一个低功耗的主动式射频上报模块与讲解机通信［10］。

1 系统总体设计

新型博物馆自动讲解系统由管理与视频资源服务器、380 V动力电线载波网络接入模块、电力线载波无线局域网接入点模块、展品主动式有源射频标签模块和手持式自动视频讲解机5部分组成。系统总体设计拓扑图如图1所示。

管理与视频资源服务器用于存储展品的相关信息及相应的视频、音频或图片资料，可以通过局域网内的电脑在B/S模式进行修改［2］。

图1 总体设计拓扑图

380 V动力电线载波网络接入模块用于将需要在以太网上传输的数据，经过一系列调制解调后耦合到380 V的动力电网上，把博物馆楼宇内的所有电力线载波无线局域网接入点模块相连接，实现全博物馆以百兆无线以太网连接［4］。

电力线载波无线局域网接入点模块把电力线网络与无线局域网相连接，使得手持式自动视频讲解机能够通过无线局域网连接服务器，存取需要的数据。展品主动式有源射频标签模块放在展品附近，以单工方式每秒钟给附近的视频自动讲解机发送一次展品编号［7］。

手持式自动视频讲解机开机后自动与附近的电力线载波无线局域网接入点模块握手连接，一旦参观者将其携带到展品附近，在收到展品编号后其可自动向服务器查找对应的视频资源，边下载边播放给参观者。参观者通过它还能接收实时信息发布、紧急情况处理或者查询其他设施位置等［9］。

2 系统各模块硬件设计

2.1 380 V动力电线载波网络接入模块

380 V动力电线载波网络接入模块硬件结构如图2所示。

图2 380V动力电线载波网络接入模块硬件结构图

380 V动力电线载波网络接入模块由电力线载波芯片、以太网物理层模块组成。网络设备发来的数据由RJ45接口，经过隔离变压器传输给以太网控制器KS8721SL。该隔离变压器主要将以太网控制器和局域网间的连接隔离，其内部有扼流圈可以消除共模信号，减少由共模干扰造成的信号错误。在KS8721SL中，曼彻斯特编码的数据流被分离成为时钟信号和NRZ信号，并通过串并变换将其转换成为4位并行数据输出给INT5200，数据在INT5200中进行OFDM调制，然后对OFDM信号进行10位DAC变换将数字信号变换成模拟信号，接下来采用带通滤波器对信号进行滤波，防止对其他部分产生干扰，然后经过自动增益放大电路将信号放大到适合在电力线上传输的幅度，经过耦合变压器将调制的信号耦合到电力线上发送出去。反过来，从电力线接收的OFDM信号经过耦合变压器传输给INT5200，INT5200对其进行相关转换及解调处理后传输给以太网控制器KS8721SL，以太网控制器最终将其转换好的信号通过RJ45接口送至网络设备与管理服务器和视频资源服务器相连。

2.2 电力线载波无线局域网接入点模块

电力线载波无线局域网接入点模块硬件结构如图3所示。

电力线载波无线局域网接入点模块由电力线载波芯片、以太网物理层模块及WIFI模块和芯片天线组成，其中电力线载波芯片和以太网物理层模块的工作原理与380 V动力电线载波网络接入模块中的工作原理相同。WIFI模块和芯片天线模块采用市场上成熟的150 MHz瘦AP单板，用于实现电力线网络与无线局域网的连接。

图3 电力线载波无线局域网接入点模块硬件结构图

2.3 展品主动式有源射频标签模块

展品主动式有源射频标签模块硬件结构如图4所示。

图4 展品主动式有源射频标签模块硬件结构图

展品主动式有源射频标签模块以德州仪器的超低功耗MSP430F135处理器为核心。该处理器具有一个16位单片机，采用RISC结构，超低功耗特性使其在1 MHz的时钟下运行时，电流约为200～400μA，休眠模式的最低功耗只有1μA［3］。射频标签每秒钟唤醒一次，通过SPI接口控制CC1100在433 MHz的频率上发送I2C总线上EEPOM内事先写入的展品编号，完成后立即进入休眠模式。将该模块配合一块1 Ah的锂离子电池，可以连续工作3年以上，节省维护成本，当电量不足时闪烁低电量指示，提醒管理员充电［6］。

2.4 手持式自动视频讲解机

手持式自动视频讲解机硬件结构如图5所示。

图5 手持式自动视频讲解机硬件结构图

手持式自动视频讲解机以三星的ARM处理器S3C6410为核心。该处理器是 ARM11内核，包含16 kB的指令数据缓存和16 kB的指令数据TCM，内核电压在1.2 V的情况下，可以运行至667 MHz确保系统流程运行。本款ARM处理器内部包含显示控制器与电阻式触摸屏控制器，通过RGB输出接口与一块3.5寸TFT 24 bit LCD电阻触摸屏连接，实现人机交互与展品视频资料播放。这款ARM处理器内部也包含USB控制器和SPI接口控制器，通过USB接口与一块WIFI模块连接，实现无线局域网接入;通过SPI接口与CC1100射频芯片连接，在433 MHz频率上接收展品主动式有源射频标签模块上报的展品编号。此外还设计了键盘、充电管理、实时时钟电路以完善设备应用。

3 系统各模块软件设计

服务器程序全部基于微软.NET 3.5，开发语言为C#，采用Visual Studio2010开发，数据库采用My SQL轻量级免费数据库。手持式自动视频讲解机采用了目前最流行的安卓手持操作系统，版本为2.3.1，这个版本的安卓系统在三星6410上流畅运行，用户体验良好，安卓之上的应用程序在Eclipse平台之上开发。展品主动式有源射频标签模块采用C语音编写，程序采用模块化方式设计，便于维护升级。

4 系统优势

基于电力线载波通信的新型博物馆自动讲解系统有以下优势:(1)全自动为参观者视频讲解，仅需参观者选择服务语言后按键开始，无需选择展品编号设备自动为参观者播放正在参观的展品的视频资料。(2)更新讲解视频方便，所有视频资料放置在服务器上，部署和更新时不需要对每台手持设备进行操作，仅需要更新服务器上资料，节省人力资源。(3)方便安装与部署、不对博物馆建筑造成任何破坏，利用现有楼宇电力线，通过载波方式高速传输模拟或数字信号的技术，充分利用楼宇内坚固可靠的电力线作为载波信号的传输介质，不用重新铺设网线。(4)系统日后方便扩展物联网，通过增加基于WIFI的设备形成物联网，实现博物馆防盗监控、灯光控制、防火监控［5］。