jìëé]iáñé=j=cê~ãéïçêâ=îççê=ocfajöéä~ëééêçé= bçìd~ãéë=áå=jìëé~

Transcriptie

1 jìëé]iáñé=j=cê~ãéïçêâ=îççê=ocfajöéä~ëééêçé= bçìd~ãéë=áå=jìëé~ aáãáíêá=mä~áëáéê éêçãçíçê=w mêçñk=çêk=h~êáå=`lkfku ÅçJéêçãçíçê=W mêçñk=çêk=hêáë=irvqbk báåçîéêü~åçéäáåö=îççêöéçê~öéå=íçí=üéí=äéâçãéå=î~å=çé=öê~~ç= j~ëíéê=áå=çé=áåñçêã~íáå~=üìã~åjåçãéìíéê=áåíéê~åíáçå

2 VOORWOORD i Voorwoord De afgelopen decennia zijn musea voortdurend in beweging geweest in een zoektocht naar innovatieve en creatieve methoden om de bezoek- en leerervaring van hun bezoekers zo optimaal mogelijk te maken. Met als doel informatie op een recreatieve en educatieve manier te presenteren aan de bezoekers, kunnen musea in dit hoogtechnologische tijdperk niet achterblijven en gaan ze, meer dan andere openbare instituten, mee in deze technologische revolutie. De tijd van statische, saaie musea is voorbij; levendige termen als interactiviteit en actief experimenteren doen hun intrede. Deze (r)evolutie is nog niet zo lang bezig en er dient dan ook nog veel onderzoek naar verricht te worden. Vooral het onderzoek naar mogelijke toepassingen in musea met als doel de verrijking van de bezoek- en leerervaring en de rol van moderne technologieën hierin, vormen een grote uitdaging. Deze toepassingen zouden niet enkel de leerervaring van de bezoeker moeten optimaliseren maar ook rekening houden met de typerende kenmerken van een museumomgeving. Frequente wijzigingen in het thema en de opstelling van musea vormt hierin zeker een uitdagende factor. De integratie van moderne technologieën in het museum tot vorming van een ambiënte museumomgeving en de ontplooiing van hoogtechnologische toepassingen die zich baseren op deze technologieën zullen leiden tot een wijziging in het stereotypisch beeld dat mensen hebben over musea. Musea zijn niet dood, ze beginnen pas met leven en ik ben dan ook fier hier een bijdrage tot te leveren met de uitwerking van deze thesis. Als gepassioneerde leider bij de scouts kan ik vertellen dat we zelden tot nooit naar musea op uitstap gaan, nu net omdat de kinderen het er saai en niet leuk vinden. Daar zou ik graag verandering in brengen! Vandaar dat ik me bij de uitwerking van deze thesis ook toegelegd heb op kinderen van 8 tot 11 jaar. Als groot kind in leiding kan ik me nog vaak inleven in hun leefwereld, hetgeen me zeker geholpen heeft bij de vorming van Muse@Life. Dit werk kon echter niet alleen door mijn interesse in de materie verwezenlijkt worden, maar ook door de hulp van tal van mensen. Ze hebben elk op hun eigen manier hun steentje bijgedragen om dit werk te maken tot wat het nu is. Mensen aan wie ik veel dankbaarheid verschuldigd ben, vanuit de grond van mijn hart omdat ze me gesteund hebben, in me geloofden en me gemaakt hebben tot de persoon die ik ben vandaag. In de eerste plaats zou ik graag mijn promotoren willen bedanken voor het vertrouwen dat ze in me stelden en de kans die ik aangeboden kreeg om deze thesis tot een goed einde te brengen. Tevens gaat mijn dank uit naar de mensen van het Archie-project, die altijd klaar stonden voor mij en me geholpen hebben in elk aspect van de ontwikkeling. Bedankt voor de leerrijke gesprekken, het uitwisselen van interessante ideeën, het nalezen van mijn scriptie, zeker voor het geloven in

3 mij, maar vooral voor de grote portie engelengeduld en begrip wanneer ik voor de zoveelste vraag weer eens bij jullie ten rade kwam. Speciale dank gaat uit naar Prof. Dr. K. Luyten die mij heeft doen inzien dat minder vaak meer is en die zelfs tussen twee buitenlandse vluchten door, de tijd nam om mij te blijven begeleiden in mijn werk. Dan zijn er nog twee heel speciale mensen voor wie geen dank te veel is. Twee mensen die een speciaal plaatsje hebben in mijn hart en voor wie ik elke dag alsmaar meer en meer bewondering krijg. Zij gaven me alle kansen om verder te studeren, steunden me op financieel als op emotioneel vlak, hebben altijd geloofd in de keuzes die ik maakte en gaven me de vrijheid te worden wie ik ben en te staan waar ik sta vandaag. Mams, paps, bedankt! Een persoon die zeker niet mag ontbreken in dit stukje, is mijn vriendin, Els, die altijd voor me klaarstond de afgelopen jaren en die me erdoor trok wanneer ik het even weer allemaal veel te somber zag. Tot slot wil ik nog alle mensen bedanken die hier niet bij naam genoemd werden maar die toch op de één of andere manier hebben bijgedragen tot de totstandkoming van dit werk. Bedankt! Dimitri Plaisier, juni 2007

4 TOELATING TOT BRUIKLEEN iii Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. Dimitri Plaisier, juni 2007

5 ABSTRACT iv Abstract Musea hebben de afgelopen decennia een enorme evolutie gekend. Van vaak statisch en saai tot dynamisch en interactief. Met als doel de bezoek- en leerervaring te verbeteren, hebben musea veel geld geïnvesteerd in de integratie van nieuwe technologieën tot vorming van een ambiënte museumomgeving. Deze integratie staat musea toe op een revolutionaire wijze in te grijpen in de presentatie van en de communicatie over de artefacten die zij tentoonstellen. Onderzoek naar de wijze waarop technologieën geïntegreerd en gebruikt kunnen worden binnen een museumomgeving, waarbij de leerervaring centraal staat, is dan ook gerechtvaardigd en op zijn plaats. In deze thesis bestuderen we de verschillende leerstijlen van een bezoeker en trachten we een framework te ontwikkelen waarmee musea op basis van hun thema, vlug en gemakkelijk educatieve spelen kunnen ontwikkelen.

6 INHOUDSOPGAVE v Inhoudsopgave Voorwoord Toelating tot bruikleen Abstract i iii iv Inhoudsopgave 1 1 Inleiding Musea in beweging Muse@Life Archie-project Muse@Life project Radio Frequency IDentification Inleiding Fundamenten van de technologie Radiogolven Modulatie/Demodulatie RFID-systeem Tags Passieve RFID-tags Actieve RFID-tags Semi-actieve (semi-passieve) RFID-tags Read Only (RO) Write Once, Read Many (WORM) Read Write (RW) Readers Seriële readers Netwerkgeoriënteerde readers Stationair Handheld reader Soorten RFID-systemen Communicatieschema s Gemoduleerde backscatter Transmitter type Transponder type Indoor locatiebepaling Inleiding Evaluatie van localisatiesystemen Werking van een localisatiesysteem Input via sensing technologieën

7 INHOUDSOPGAVE vi Algoritmen voor locatiebepaling Output van een locatie Non-hybride RFID-gebaseerde localisatiesystemen Hybride localisatiesystemen Conclusie Leren in musea Inleiding Leren in het museum Invloed van omgeving op leren Leerstijlen Situering Leercyclus van Kolb Eigenschappen van leerstijlen Divergeerders of dromers Assimilators of denkers Convergeerders of beslissers Accomodators of doeners Muse@Life en leerstijlen Dromer Denker Beslisser Doener Conclusie Muse@Life - Framework Inleiding Doel van het spel Creatie van een spel Intelligente Maquette Invulling van het framework Configuratiebestanden Mappenstructuur Architectuur Muse@Life - Applicaties Inleiding Generiek scenario Concreet scenario Gebruikersevaluatie Identificeer het doelpubliek Kies testgebruikers uit het doelpubliek Bepaal de focus van de observatie Plan de observatie Analyseer de informatie Vragenlijst Conclusie Conclusie 85 Bijlagen i

8 LIJST VAN FIGUREN vii Lijst van figuren 2.1 Elektromagnetische golf. ( 2006) Elektromagnetisch spectrum Hoofdcomponenten van een passieve tag Onderdelen van een microchip Enkele design patronen voor de antenne van een passieve tag Verschillende types van dipolige antennes GHz tags van Alien Technology. ( Low Frequency tags van Texas Instruments.( MHz/2.45 GHz semi-actieve tags van TransCore. ( Componenten van een reader Anti-collision RFID-reader gebruikt binnen het Muse@Life project (SocketCommunications, 2006) UHF stationaire netwerkgeoriënteerde reader van Alien Technology RFID printer van Zebra Technologies Near-field communicatie voor RFID-tags operatief op een frequentie kleiner dan 100MHz. (Badri Nath 2006) Far-field communicatie voor RFID-tags operatief op een frequentie groter dan 100MHz. (Badri Nath 2006) Gemoduleerde backscatter Transmitter communicatie tussen reader en tag Transponder communicatieschema Destructieve en constructieve interferentie bij multipath fading Copyright protected concept David Kolb en Design Alan Chapman , leerstijlen van Kolb, (Businessballs 2007) Assen in leercyclus van Kolb: Verwerken Continuüm en Perceptie Continuüm. (Businessballs 2007) Leercyclus van Kolb verdeeld in kwadranten volgens de vier leerstijlen. (Hoogstraat 2007) Samenvatting eigenschappen leerstijlen van Kolb. (Hoogstraat 2007) Gameplay van een Muse@Life-spel Opstelling voor het uitvoeren van testen betreffende de invloed van materialen op de lezing van een passieve MHz RFID-tag. Merk op dat de reader loodrecht geplaatst werd t.o.v. het tafelblad (constante hoek van π 2 radialen). De meetlat duidt de maximale leesafstand aan Resultaten van de metingen voor typerende maquette materialen Tag verborgen in kappamateriaal (linksboven) - Karton van kappa vóór verborgen tag (rechtsboven) - Karton van kappa achter verborgen tag (onder) Tag verborgen achter balsahout van 1mm (links) - Tag verborgen achter balsahout van 2mm (rechts)

9 LIJST VAN FIGUREN viii 5.6 Tag verborgen achter karton van 3mm dik (boven) - Tag verborgen achter papier van 1mm dik (midden) - Tag verborgen achter plasticfolie van 1mm dik (onder) Prototype van een Galliërsdorp maquette RFIDTaggedObject - Abstracte klasse voor elke interne voorstelling van een voorwerp dat voorzien kan worden van een RFID-tag Lezing van een RFID-tag - In het framework Concreet uitgewerkte maquette Figuurtje uit de maquette PDA met SocketCommunications RFID-reader Muse@Life applicatie - Initieel scherm Muse@Life applicatie - Het verhaal van Asterix Muse@Life applicatie - Het kind besluit Asterix te helpen Muse@Life applicatie - Lijst van uit te voeren acties Muse@Life applicatie - Munt gevonden Muse@Life applicatie - Beantwoorden van de vraag van de wachtende Romein Muse@Life applicatie - Informatie over de munt in de virtuele rugzak Muse@Life applicatie - Romein werd verslagen en munt werd in rugzak opgeslagen Muse@Life applicatie - Lijst van uit te voeren acties Muse@Life applicatie - De sikkel kan niet meegenomen worden Muse@Life applicatie -Terug bij Asterix Muse@Life applicatie - Voorwerpen overhandigen aan Asterix Muse@Life applicatie - Ster verdiend! Muse@Life gebruikersevaluatie - Testplan Muse@Life applicatie - Het verhaal van Obelix iii 2 Muse@Life applicatie - Het verhaal van Getafix iii 3 Muse@Life applicatie - Het kind besluit Getafix te helpen iv 4 Muse@Life applicatie - Lijst van uit te voeren acties iv 5 Muse@Life applicatie - Sikkel gevonden v 6 Muse@Life applicatie - Beantwoorden van de vraag van de wachtende Romein... vi 7 Muse@Life applicatie - Informatie over de sikkel in de virtuele rugzak vi 8 Muse@Life applicatie - Todo-lijstje na het vinden van de sikkel vii 9 Muse@Life applicatie - Ketel gevonden vii 10 Muse@Life applicatie - Beantwoorden van de vraag van de wachtende Romein... viii 11 Muse@Life applicatie - Informatie over de ketel in de virtuele rugzak viii 12 Muse@Life applicatie - Kind vindt het correcte antwoord op de vraag ix 13 Muse@Life applicatie - Lijst van uit te voeren acties ix 14 Muse@Life applicatie -Terug bij Getafix ix 15 Muse@Life applicatie - Voorwerpen overhandigen aan Getafix x 16 Muse@Life applicatie - Ster verdiend! x

10 LIJST VAN TABELLEN ix Lijst van tabellen 3.1 Sensing technologieën Leerstijlen van Kolb in matrixvorm. (Businessballs 2007) Materialen en hun propagatie-eigenschappen voor radiogolven (Lahiri (2005)... i

11 INLEIDING 1 Hoofdstuk 1 Inleiding 1.1 Musea in beweging Musea hebben de afgelopen decennia een enorme evolutie gekend. Van vaak statisch en saai tot dynamisch en interactief. Met als doel de bezoek- en leerervaring te verbeteren, hebben musea veel geld geïnvesteerd in de integratie van nieuwe technologieën tot vorming van een ambiënte museumomgeving. Deze integratie staat musea toe op een revolutionaire wijze in te grijpen in de presentatie van en de communicatie over de artefacten die zij tentoonstellen. Dingen die voorheen ondenkbaar waren, worden plots mogelijk en het spreekt dan ook voor zich dat onderzoek naar de wijze waarop technologieën geïntegreerd en gebruikt kunnen worden binnen een museumomgeving, gerechtvaardigd en op zijn plaats is. De essentie van een ambiënte museumomgeving is dat de technologie wel aanwezig is, maar onzichtbaar blijft voor de bezoeker. De omgeving moet ten dienste staan van de bezoeker en hem assisteren in zijn bezoek- en leerervaring. De technologieën spelen dus hoofdzakelijk een assisterende rol. Elke technologie heeft zijn voor- en nadelen die zullen bepalen in welke domeinen de technologie ingeschakeld kan worden. Ook kunnen bepaalde technologieën samenwerken waarbij de voordelen van de één de nadelen van de ander opheffen en omgekeerd. De samenwerking van deze technologieën en de toepassingen die hierbij mogelijk zijn vormen vandaag een noodzakelijk onderwerp van onderzoek. Om te komen tot een succesvolle interpretatie van de inhoud van zulk een onderzoek is het belangrijk eerst te weten wat de rol is van een museum binnen onze hedendaagse samenleving. Volgens de definitie zoals vastgelegd door ICOM 1 is het doel van een museum veelzijdig. Definitie 1.1. Een museum is een non-profit, permanent instituut dat ten dienste staat van de maatschappij en van diens ontwikkeling, opengesteld wordt voor het publiek en dat materieel bewijs van mensen en hun omgeving verzamelt, bewaart, onderzoekt, communiceert en tentoonstelt voor educatieve en recreatieve doeleinden. (ICOM 2007) Belangrijk op te merken uit Definitie 1.1 is dat een museum zowel een educatieve als een recreatieve rol heeft. Een bezoek aan het museum dient in het ideale geval dan ook gelijktijdig 1 International Council Of Museums

12 1.2 2 ontspannend en leerrijk te zijn. Het bereiken van dit doel is afhankelijk van verschillende factoren zoals onder andere de plaatsing van de artefacten in het museum, de wijze waarop informatie getoond en overgebracht wordt, de acties die een bezoeker eventueel zelf kan ondernemen ter exploratie van de artefacten.... De combinatie van deze factoren vormt de sleutel tot een succesvolle bezoek- en leerervaring. Moderne technologieën kunnen een assisterende rol spelen in het innovatief verwezenlijken van deze factoren. 1.2 De opdracht van deze thesis bestond uit het ontwikkelen van een educatief spel waarbij RFIDtechnologie gebruikt wordt om toegang te krijgen tot artefacten getoond in het museum en waarbij het leerproces van de bezoeker centraal staat. Dit project kreeg de naam en het werd ontwikkeld in het kader van het Archie-project dat momenteel aan het Expertisecentrum voor Digitale Media loopt, in samenwerking met het Gallo-Romeins museum en de Vlaamse Overheid. Vooreerst wordt kort uitgelegd wat de doelstellingen zijn van het Archie-project om zo het project beter te kunnen situeren Archie-project Het doel van het Archie-project bestaat erin het bezoek aan musea interactiever te maken door informatica technologieën te integreren in de omgeving. Hierbij plaatst men binnen het Archieproject drie hoofddoelstellingen centraal (EDM 2007). 1. Het aanleveren van contextgevoelige informatie en diensten. Context kan gedefinieerd worden als alle informatie die de situatie van een entiteit bepaalt (Muthukrishnan, Lijding & Havinga 2005). Een entiteit is hierbij een persoon, een plaats of voorwerp die relevant is bij de interactie tussen een gebruiker en de applicatie. Een systeem is contextgevoelig wanneer het informatie over context gebruikt om relevante informatie en diensten te leveren aan de gebruiker. Hierbij is relevantie afhankelijk van de taken die de gebruiker dient uit te voeren. In de lijn met musea kan context bijvoorbeeld gedefinieerd worden als het profiel van de bezoeker, presence, locatie van de bezoeker ten opzichte van een object of de locatie van een object ten opzichte van andere objecten... Omdat locatie één van de belangrijkste dimensies is van context en het, zoals Muthukrishnan et al. (2005) het zelf stellen, een brug vormt tussen de virtuele en de fysische wereld, hebben we binnen het project ook onderzoek verricht naar de mate waarin RFID-technologie ingeschakeld kan worden voor indoor lokalisatie. Deze vorm van context kan immers leiden tot interessante toepassingen voor educatieve spelletjes, wat tot de kern van het project behoort. 2. De interactie dient te gebeuren via mobiele apparaten. In het project wordt hiervoor dan ook gebruik gemaakt van PDA s. 3. Objecten komen tot leven en kunnen zelf informatie aanbieden en communiceren met de bezoeker. In het project komen kleine figuurtjes tot leven door gebruik te maken van RFID-technologie en een PDA. Deze hoofddoelstellingen zijn ook terug te vinden in het project. Het finale product van het project bestaat uit een framework, waarmee musea op basis van een concreet

13 1.2 3 thema gemakkelijk educatieve spelapplicaties voor kinderen van 8 tot 11 jaar kunnen ontwerpen, waarin het concept al spelend leren centraal staat Muse@Life project Centraal in het Muse@Life concept staat een intelligente maquette van een nederzetting of miniwereld met daarin figuren die kunnen communiceren met de bezoeker op basis van RFID-technologie. Elke figuur heeft een eigen verhaal waarbij tentoongestelde artefacten gekoppeld worden aan de context van plaats, tijd en gebruik. Er worden twee soorten van kennisoverdracht verwezenlijkt tijdens het spelen van het spel. Directe kennisoverdracht: door het opnemen van relevante informatie in de verhalen van de figuurtjes. Ook bij het meenemen van een artefact uit het museum dienen de kinderen een vraag over het artefact te beantwoorden, waarvan het antwoord direct af te leiden is uit de beschrijving van de artefacten. Indirecte kennisoverdracht: door de koppeling van de artefacten in plaats, tijd en gebruik. Doordat bijvoorbeeld een druïde-figuur vraagt om een sikkel te gaan halen, leert het kind niet enkel wat een sikkel is (directe kennisoverdracht), maar ook leert het de sikkel als instrument te situeren in plaats (in de natuur), tijd (bij Galliërs en Romeinen) en gebruik (druïde gebruikt de sikkel om kruiden te snijden). Naast de hoofddoelstellingen van het Archie-project, beoogt het Muse@Life project bijkomend nog de volgende vier deeldoelstellingen: Distillatie van informatie gemakkelijker en leuker maken voor kinderen door onderdompeling in een virtuele leefwereld. Het museum tot leven brengen door (vertrouwde en fantasierijke) figuren (karakters) te laten communiceren met het kind. Inspelen op de wijzigende thema s en opstellingen van ruimtes in een museum. Maquettes kunnen wijzigen naargelang het thema van het museum wijzigt. Bovendien kunnen ook meerdere thema s gelijktijdig behandeld worden in het museum, door verschillende maquettes te koppelen aan elk van deze thema s. Bezoekers kunnen dan zelf beslissen welke maquette ze het meest interessant vinden. Een verrijking teweeg brengen in het leerproces van het kind. Het principe van spelend leren staat hierin centraal Omdat in het Muse@Life project gebruik gemaakt wordt van RFID-technologie is het belangrijk eerst een grondig begrip te krijgen van de technologische componenten die hier typerend in voorkomen, samen met de pluspunten en de beperkingen van de technologie. Dit zal behandeld worden in hoofdstuk 2. Omdat in een Muse@Life spel kinderen op zoek moeten gaan naar één of meerdere voorwerpen in het museum, vormt locatie een belangrijke vorm van contextuele informatie voor het kind. Daarom werd binnen het Muse@Life project ook studie verricht naar de manieren waarop indoor locatiebepaling gedaan kan worden met behulp van de meest uiteenlopende technologieën. Niet

14 1.2 4 alleen de eigen locatie ten opzichte van het museum grondplan kan nuttig zijn, maar ook de locatie van andere spelers in het museum. De verschillende technieken gebruikt om indoor locatiebepaling mogelijk te maken worden besproken in hoofdstuk 3. Om een educatief spel te ontwikkelen waarbij het leren van de bezoeker centraal staat is het belangrijk een grondig begrip te krijgen van de manier waarop een bezoeker leert en welke leerstijlen hij hanteert. Ook is het belangrijk kennis te krijgen van de elementen die noodzakelijk aanwezig moeten zijn in een educatief spel en de omgeving, om een stimulatie van alle leerstijlen te garanderen. Deze aspecten zullen gedetailleerd besproken worden in hoofdstuk 4. Vervolgens bespreken we de technische details van het framework en geven we advies over de materialen die wel en niet gebruikt mogen worden bij de ontwikkeling van de maquette. Tenslotte bespreken we op basis van enkele scenario s een concrete applicatie die ontworpen werd bovenop het Muse@Life framework voor het thema van Galliërs en Romeinen en analyseren we de resultaten van een gebruikersevaluatie die voor deze implementatie uitgevoerd werd.

15 RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION 5 Hoofdstuk 2 Radio Frequency IDentification 2.1 Inleiding In het Muse@Life project wordt veelvuldig gebruik gemaakt van RFID-technologie. Enerzijds ter identificatie van de artefacten die getoond worden in het museum en anderzijds ter identificatie van de figuren gebruikt in de intelligente maquettes. Een gefundeerd begrip over de werking van de technologie en de verschillende componenten die er typerend in voor komen, mag dan ook niet ontbreken en zal in dit hoofdstuk gedetailleerd besproken worden. Men kan stellen dat RFID-technologie de laatste decennia zijn weg gevonden heeft in verscheidene toepassingsdomeinen, waarvan het logistieke domein binnen de bedrijfswereld toch wel één van de meest succesvolle is. Naarmate de kostprijs van de technologiecomponenten daalt, kan de technologie ook ingeschakeld worden in andere domeinen, zelfs in domeinen die niet onmiddellijk in de lijn van toepassing liggen voor RFID als identificatietechnologie. Zoals de naam reeds doet vermoeden ligt aan de basis van RFID het principe van radiogolven. Dit principe is niet nieuw. Het werd reeds gebruikt tijdens de tweede wereldoorlog. In een oorlogsomgeving spelen echter andere factoren dan in een consumentenomgeving, waardoor RFID de decennia na de tweede wereldoorlog een stagnatie in ontwikkeling kende. De technologie was toen nog veel te duur en men stond technologisch gezien nog niet ver genoeg om RFID in de jaren 40 à 50 al volwaardig te adopteren. Bovendien bestond RFID nog niet in de vorm zoals we die vandaag kennen. Toch paste men toen reeds technieken toe die later hun intrede zouden maken in wat we vandaag RFID-technologie noemen. 1. In vergelijking met andere identificatietechnologieën heeft RFID verschillende voordelen: Identificatie op afstand wordt mogelijk zonder dat hierbij een line of sight nodig is. Dit in tegenstelling tot barcode- en IrDA-technologie. Grote werkruimte van unieke ID s Extra opslagcapaciteit door de technische aard van de technologie. Naast de unieke ID kan ook bijkomende data opgeslagen worden. 1 Voor meer informatie over de geschiedenis van RFID, zie Melanie R. Rieback (2006)

16 2.2 Fundamenten van de technologie 6 Dynamisch data verzamelen wordt mogelijk door de RFID-tags te voorzien van een sensor die op reguliere basis bepaalde parameters uit de directe fysische omgeving meet. Meer tags gelijktijdig lezen zonder de nood aan menselijke inbreng. Ook bestaan er enkele nadelen die in latere hoofdstukken verder besproken zullen worden: Negatieve invloed van materialen op de werking van de technologie. Beperkte leeshoek en invloed van de oriëntatie van technologiecomponenten op de werking van de technologie. Toch hebben eerdergenoemde voordelen niet geleid tot een doorbraak van de technologie in de jaren 40 à 50. De reden hiervoor was de hoge kostprijs van de technologiecomponenten. De groeiende interesse in semi-conductoren en de trend van miniaturisatie in de afgelopen decennia hebben hier echter verandering in gebracht. Beide factoren hebben geleid tot een standaardisatie van de technologie en een drastische prijsverlaging, waardoor het gebruik er van in verscheidene domeinen plotseling financieel haalbaar werd. Het is dan ook niet verwonderlijk dat academici, maar ook de industriële wereld reeds aanzienlijk onderzoek verricht hebben naar de toepassing van RFID in de meest uiteenlopende domeinen. In het Muse@Life project onderzoeken we meer specifiek op welke wijze RFID-technologie ingeschakeld kan worden in het domein van identificatie van artefacten in een museum om te komen tot een educatief themaspel. In dit hoofdstuk bespreken we daarom ook gedetailleerd de werking van RFID-technologie en geven we een overzicht van de verschillende componenten die typisch binnen de technologie gebruikt worden. 2.2 Fundamenten van de technologie Radiogolven RFID-technologie baseert zich op het gebruik van continue radiogolven die een klasse vormen binnen het spectrum van elektromagnetische golven (zie figuur 2.2). Elektromagnetische golven worden gevormd doordat elektronen zich bewegen van het ene punt naar het andere. Hierdoor ontstaat een elektrisch en magnetisch wisselveld. De opeenvolging van de heen-weer cycli vormt de elektromagnetische golf (zie figuur 2.1). De golf van het elektrisch veld en die van het magnetisch veld planten zich loodrecht op elkaar en in de voortplantingsrichting voort.

17 2.2 Fundamenten van de technologie 7 Figuur 2.1: Elektromagnetische golf. ( 2006) Elektromagnetische golven worden verdeeld in klassen op basis van hun golflengte/frequentie. Radiogolven behoren tot de klasse met relatief lage frequenties. De resterende klassen zijn microgolven, infrarode straling, zichtbaar licht, UV-licht, röntgenstraling en γ-straling. Figuur 2.2: Elektromagnetisch spectrum. Radiogolven kunnen verdeeld worden in 5 verschillende frequentieklassen: Lage frequenties (LF): frequenties tussen 30 KHz en 300 KHz. Hoge frequenties (HF): frequenties tussen 3MHz en 30 MHz. Zeer hoge frequenties (VHF): frequenties tussen 30 MHz en 300MHz. Ultra hoge frequenties (UHF): frequenties tussen 300 MHz en 1 GHz. Microgolf frequenties (MF): frequenties tussen 1 GHz en 2.4 GHz.

18 2.3 RFID-systeem Modulatie/Demodulatie Een belangrijke eigenschap van de radiogolven die binnen de RFID-technologie gebruikt worden, is dat ze continu van aard zijn. Dit betekent dat ze een vaste amplitude en een vaste frequentie hebben, wat ze uitermate geschikt maakt voor encodering van binaire data. Door het wijzigen van bepaalde karakteristieken van de golf, kunnen variaties in de verschillende cycli gevormd worden en zo gelinkt worden aan een data bit-patroon. Een hoge positieve amplitude kan bijvoorbeeld vertaald worden naar een digitale bit met waarde één, terwijl die met een lage positieve amplitude vertaald kan worden naar een digitale bit met waarde nul. Het proces dat uitgevoerd wordt om de karakteristieken van een golf te wijzigen met als doel er binaire data mee te encoderen, wordt modulatie genoemd. Het omgekeerde proces wordt demodulatie genoemd. 2.3 RFID-systeem Een RFID-systeem wordt door Lahiri (2005) gedefinieerd als een geïntegreerde collectie van componenten die samen een RFID-oplossing voorstellen. Het bestaat hoofdzakelijk uit een reader en één of meer tags die elk een unieke ID bezitten. Tags kunnen voorzien zijn van sensoren waarmee dynamisch data uit de fysische omgeving opgevraagd kan worden. Ze hebben de mogelijkheid enkel data te lezen uit het intern geheugen of er ook naar te schrijven, ze functioneren op een hoge of lage frequentie, ze verkrijgen hun energie via een geïntegreerde energiebron of via de reader door middel van magnetische inductie... kortom, er bestaan vele soorten tags die zich van elkaar onderscheiden op de meest uiteenlopende vlakken. Een reader is op zijn beurt dan weer verantwoordelijk voor de communicatie met deze tags en voor de energievoorziening bij passieve tags. 2.4 Tags Volgens Lahiri (2005) kan een RFID-tag gedefinieerd worden als een geïntegreerd circuit dat data kan opslaan en dat deze data op een contactloze manier verzendt naar een reader met behulp van radiogolven. Tags kunnen op basis van twee karakteristieke eigenschappen onderverdeeld worden. 1. Op basis van hun energietoevoer en gespecialiseerde functies. Passief Actief Semi-actief/Semi-passief 2. Op basis van de dataopslagcapaciteiten. Read-Only (RO)

19 2.4 Tags 9 Write once, read many (WORM) Read-write (RW) Passieve RFID-tags Passieve RFID-tags beschikken niet over een geïntegreerde energiebron om zichzelf van energie te voorzien en hebben een eenvoudige interne structuur. Ze verkrijgen hun energie via het elektromagnetisch veld dat gegenereerd wordt door de reader. Die energie gebruiken ze om zichzelf op te laden en de opgeslagen data naar de reader te verzenden. Passieve RFID-tags beschikken dan ook over een onbeperkte levensduur, vereisen weinig tot geen onderhoud en zijn vaak veel kleiner en goedkoper dan actieve of semi-actieve tags. Omdat de passieve tag zijn energie haalt uit het energieveld geproduceerd door de reader, zal de communicatie altijd geïnitieerd worden door de reader in kwestie. Ook is de aanwezigheid van de reader van essentieel belang om data te verzenden. Passieve tags beschikken over een variëteit aan leesafstanden; hun bereik gaat van 5 centimeter tot 1 meter. Het bereik wordt hoofdzakelijk bepaald door de grootte van de antenne. (Lahiri 2005) Binnen het Muse@Life project werd gekozen voor passieve tags die functioneren op een frequentie van MHz. Ook werd gebruik gemaakt van een handheld reader met een maximale leesafstand van 6 cm. Belangrijk op te merken is dat de leesafstand tussen tag en reader bepaald wordt door de lengte van de antenne van zowel de reader als de tag. Beide apparaten dienen dus op elkaar afgestemd te zijn, maar dit wordt nog verder uitgediept in hoofdstuk Een passieve tag bestaat uit drie componenten (zie figuur 2.3): Figuur 2.3: Hoofdcomponenten van een passieve tag. Een semi-conductor chip verbonden met een antenne: De semi-conductor chip coördineert het proces van het verzenden en ontvangen van data gaande naar respectievelijk komende van de reader. De onderdelen van een microchip worden getoond in figuur 2.4. De condensator zet de AC-stroom die hij ontvangt van de antenne van de reader om in DCstroom. Deze energie wordt intern opgeslagen en wordt gebruikt om de andere onderdelen van de microchip van energie te voorzien. De klok extractor distilleert het kloksignaal uit het signaal verkregen van de reader. De modulator dient het ontvangen signaal op zulk een

20 2.4 Tags 10 Figuur 2.4: Onderdelen van een microchip. manier te moduleren dat het antwoord van de tag vervat zit in het nieuwe signaal. Dit signaal wordt dan opnieuw verzonden naar de reader. De logic component is verantwoordelijk voor de implementatie van het communicatieprotocol tussen de reader en de tag. Het geheugen wordt gebruikt om extra data op te slaan en is vaak gesegmenteerd in blokken. Een blok kan verschillende soorten van data bevatten, zoals een gedeelte van de ID, checksum bits om de correctheid van de verzonden data te controleren.... Door de technologische ontwikkelingen tijdens de afgelopen jaren is de grootte van de microchip reeds ingeperkt tot die van een zandkorrel.(lahiri 2005) Dit betekent uiteraard niet dat ook passieve tags hierdoor kleiner worden. De fysische dimensies van een passieve tag worden immers niet bepaald door de grootte van de microchip, maar wel door de lengte van de antenne. Een antenne: De antenne van een passieve tag heeft twee functies: enerzijds het verkrijgen van energie uit het signaal van de reader en anderzijds het versturen en ontvangen van data naar en van de reader. Volgens Lahiri (2005) bestaan er twee verschillende technieken om energie over te brengen: magnetische inductie en electromagnetic wave capture. Deze twee technieken stemmen overeen met twee elektromagnetische eigenschappen van een antenne: far field range en near field range. Electromagnetic wave capture maakt gebruik van de eerste terwijl magnetische inductie gebruik maakt van de tweede. Beide technieken leveren voldoende energie om de werking van de tag te verzekeren. In sectie 2.7 wordt de precieze betekenis van deze begrippen uitvoerig besproken. De antenne wordt fysisch verbonden met de microchip. De geometrie van de antenne is bepalend voor de operaties die de tag kan uitvoeren. Dit verklaart dan ook de grote verscheidenheid in designs van antennes. In figuur 2.5 worden enkele designs van antennes voor passieve tags getoond. Bovendien is de lengte van de antenne recht evenredig met

21 2.4 Tags 11 Figuur 2.5: Enkele design patronen voor de antenne van een passieve tag. de golflengte waarop de tag actief is. (Lahiri 2005) Een dipolige antenne bestaat uit een elektrische geleider die in het midden onderbroken wordt. (zie figuur 2.3) Om de energieoverdracht van het reader signaal naar de tag zo optimaal mogelijk te houden, dient de totale lengte van de antenne half zo lang te zijn als de golflengte van de frequentie waarop de tag actief is. Een duale dipolige antenne bestaat uit twee dipolen. Een dipolige antenne reduceert de richtingsgevoeligheid van de tag. Hierdoor kan een reader de tag altijd lezen, ongeacht de oriëntatie van de tag en wordt één van de drie nadelen uit 2.1 al gereduceerd tot een minimum. Een gevouwen dipolige antenne bestaat uit twee of meer elektrische geleiders die in parallel met elkaar verbonden zijn en die elk de lengte hebben van de helft van de golflengte waarop de tag actief is. Indien twee geleiders gebruikt worden, noemt men de gevouwen dipolige antenne een 2-dradige gevouwen dipool. Bij n geleiders spreekt men van een n-dradige gevouwen dipool. Verschillende types van dipolige antennes worden getoond in figuur 2.6. Een zekere vorm van encapsulatie: De encapsulatie beschermt de tag tegen externe invloeden en bewaart de integriteit van de tag. Enkele voorbeelden van passieve tags worden getoond in figuur 2.7 en figuur Actieve RFID-tags Actieve RFID-tags zijn, in tegenstelling tot passieve tags, voorzien van een on-board energiebron en on-board elektronica voor het uitvoeren van gespecialiseerde taken. De energiebron kan variëren van een eenvoudige geïntegreerde batterij tot een meer geavanceerde zonnecel. Deze energie wordt gebruikt om de elektronica van stroom te voorzien en om de data, opgeslagen in het intern geheugen, te verzenden naar een reader. In tegenstelling tot passieve tags heeft een actieve tag dus geen nood aan energie van de reader om aan datatransmissie te doen. De on-board elektronica kan microprocessoren, sensoren en input/output poorten bevatten. Zo kan een actieve tag bijvoorbeeld bevestigd worden aan een container die voedingsmiddelen bevat. Bij deze producten is het van essentieel belang dat de temperatuur koel en constant gehouden wordt. De sensoren van de

22 2.4 Tags 12 Figuur 2.6: Verschillende types van dipolige antennes. Figuur 2.7: 2.45GHz tags van Alien Technology. (

23 2.4 Tags 13 Figuur 2.8: Low Frequency tags van Texas Instruments.( actieve tag kunnen dan op regelmatige tijdstippen de temperatuur in de container meten en deze waarden opslaan in het intern geheugen. Op basis van deze gegevens kan de tag vervolgens het tijdstip opslaan waarop de gewenste koelingtemperatuur overschreden werd. Deze informatie kan dan na transport, samen met de unieke tag-id, verzonden worden naar een reader. Een actieve tag kan men dus beschouwen als een draadloze minicomputer met bijkomende eigenschappen. (Lahiri 2005) Bij de communicatie tussen reader en actieve tag zal het steeds de actieve tag zijn die de communicatie initieert. Omdat de aanwezigheid van een reader niet noodzakelijk is voor datatransmissie bij een actieve tag, kan voortdurend data uitgezonden worden in de directe omgeving, zelfs indien geen enkele reader zich in het bereik van de zendende tag bevindt 2. Een actieve tag die op reguliere basis data verzendt, met of zonder de aanwezigheid van een reader, wordt ook wel een transmitter genoemd. Een ander type van actieve tags gaat in standby-modus bij de afwezigheid van een reader. Een reader kan de tag activeren door een aanvraag tot communicatie uit te zenden. Deze standby-modus bespaart energie, waardoor een actieve tag van dit type over het algemeen langer functioneert dan bijvoorbeeld een transmitter. Doordat de tag enkel data zendt wanneer hem hier naar gevraagd wordt, blijft de hoeveelheid aan geïnduceerde radiosignalen in de omgeving beperkt, wat leidt tot minder storing van andere zenders. Deze tags worden ook wel transponders genoemd. De leesafstand van een actieve tag is door de aanwezigheid van een eigen energiebron veel groter dan die van passieve tags. Leesafstanden van 30 meter en meer kunnen dan ook behaald worden. Een actieve tag bestaat volgens Lahiri (2005) uit vier componenten: Microchips: Microchips in actieve tags zijn vaak veel groter en bieden meer mogelijkheden dan de microchips in passieve tags. Antenne: Deze component neemt de vorm aan van een radiofrequentiemodule die tag signalen verzendt en reader signalen ontvangt. Bij een semi-actieve tag bestaat de antenne 2 Wordt ook wel broadcasting genoemd.

24 2.4 Tags 14 uit één of meer dunne strips metaal, vergelijkbaar met de antenne van een passieve tag. On-board energievoorziening: Deze component voorziet de on-board elektronica van energie. In het geval van een batterij kan een actieve tag 2 tot 7 jaar correct functioneren, afhankelijk van de sterkte van de batterij. De factor die het meest invloed heeft op de levensduur van de batterij, is de grootte van het interval waarin twee onafhankelijke datatransmissies uitgevoerd worden. Hoe groter dit interval, hoe kleiner de datatransmissie rate en dus ook hoe langer de levensduur van de batterij. Ook factoren als de on-board sensoren en processoren verbruiken energie en dragen dus bij tot een inkorting van deze levensduur. Wanneer de batterij van een actieve tag volledig ontladen is, stopt de tag met het zenden van data. Een reader die deze data toevallig aan het lezen was, kan niet bepalen of het niet langer ontvangen van data te maken heeft met een volledige ontlading van de batterij, of met het feit dat de tag plots buiten het leesbereik van de reader kwam. Daarom zenden actieve tags, samen met hun unieke ID en de data, ook de status van de batterij door. On-board elektronica: De on-board elektronica stelt de tag in staat gespecialiseerde taken uit te voeren. Ook geeft het de tag de mogelijkheid een connectie te maken met externe sensoren. Afhankelijk van de soort sensoren kan de tag een variëteit aan metingen uitvoeren. Merk wel op dat indien de functionaliteit van een tag toeneemt, de fysische grootte van de on-board elektronica eveneens toeneemt en daarmee dus ook de grootte van de tag zelf. Deze groei is aanvaardbaar omdat er geen uiterste limiet gesteld wordt op de grootte van een actieve tag. Zolang het gemakkelijk te bevestigen is aan het voorwerp dat geïdentificeerd moet worden en de toegenomen grootte van de tag in de context van gebruik niet storend werkt, kan een toename in fysische grootte geen probleem vormen. De mogelijkheid tot het uitvoeren van gespecialiseerde taken met actieve tags maakt dat ze ingeschakeld kunnen worden in een breed spectrum van toepassingen Semi-actieve (semi-passieve) RFID-tags Semi-actieve tags beschikken over een on-board energiebron en on-board elektronica en net als actieve tags hebben ze als doel gespecialiseerde taken uit te voeren. Hoewel dit sterk lijkt op de beschrijving van een actieve tag, bestaat er toch een belangrijk verschil tussen beide. In tegenstelling tot actieve tags gebruiken semi-actieve tags niet de on-board energiebron voor datatransmissie, maar wel de energie geleverd door het signaal van de reader. Bij deze tags initieert de reader steeds de communicatie. In figuur 2.9 worden enkele semi-actieve tags getoond Read Only (RO) Een RO tag kan tijdens zijn volledige levenscyclus slechts één keer geschreven worden. Data kan tijdens de productie rechtstreeks in het geheugen van de tag geplaatst worden. Hierna worden de individuele zekeringen van de microchip permanent dicht gebrand met behulp van een uiterst nauwkeurig gerichte laserstraal. Daarna ligt de data voor altijd vast en kan ze niet meer gewijzigd worden.

25 2.5 Readers 15 Figuur 2.9: 915 MHz/2.45 GHz semi-actieve tags van TransCore. ( Write Once, Read Many (WORM) Een WORM tag kan slechts één keer geschreven worden. Deze actie wordt, in tegenstelling tot een RO tag, niet gedaan door de fabrikant maar door de gebruiker zelf op het ogenblik dat hij de tag nodig heeft. Dit soort tags bieden een goede prijs-kwaliteit verhouding met een behoorlijke databeveiliging, wat hen tot geliefde tags maakt in de industriële wereld Read Write (RW) Een RW tag kan meermaals geschreven worden. Typisch varieert dit tussen en maal. Deze eigenschap levert een groot voordeel op omdat data geschreven kan worden door de readers, maar ook door de tags zelf. Een RW tag bevat ook een Flash of FRAM geheugencomponent om data op te slaan. Beveiliging van data vormt voor RW tags momenteel nog een grote uitdaging en ze zijn duur in productie. 2.5 Readers Een RFID-reader wordt door Lahiri (2005) gedefinieerd als een toestel dat data kan lezen van en data kan schrijven naar RFID-tags. Hiervoor dienen de tags en de reader aan twee vereisten te voldoen: 1. De tag als ook de reader dienen hetzelfde communicatieprotocol te implementeren. 2. De tag als ook de reader dienen te functioneren op dezelfde frequentie. Men spreekt van de creatie van een tag wanneer deze geschreven wordt door een reader. Het proces van het schrijven naar een tag en het daarmee uniek associëren van de tag met een object wordt comissioning genoemd. Analoog bestaat decomissioning uit het deassociëren van de tag met een object met eventueel de optie tot het vernietigen ervan (niet fysiek, maar wel op functioneel niveau). De tijdspanne waarin een reader radiogolven uitzendt om tags te lezen, wordt de duty cycle van een reader genoemd.

26 2.5 Readers 16 Readers die anti-collision ondersteunen kunnen meer tags per duty cycle lezen. Hiervoor dienen de tags zich allemaal in de footprint van de antenne van de reader te bevinden. In deze opstelling kunnen twee tags, bij het gelijktijdig reageren op een leessignaal van de reader, elkaar storen waardoor een collisie optreedt tussen beide antwoordsignalen. De kans op fouten in de datatransmissie is dan ook hoog. Als antwoord op dit probleem werden anti-collisie protocollen uitgewerkt. Finkenzeller (2006) definieert er drie: ALOHA, slotted ALOHA en binair zoeken. Een bespreking van deze protocollen zou te ver leiden, voor meer informatie wordt verwezen naar Finkenzeller (2006). Volgens Lahiri (2005) bestaat een reader uit de volgende componenten (zie figuur 2.10): Zender: De zender van de reader heeft als taak AC-stroom en zijn klokcyclus te verzenden naar alle tags binnen leesbereik. Dit doet hij met behulp van de antenne(s) van de reader. De zender is onderdeel van de transceiver (zie figuur 2.10). Deze laatste is verantwoordelijk voor het verzenden van het leessignaal naar de directe omgeving en het ontvangen van de antwoorden van de tags op dit leessignaal. De antenne poorten van een reader worden verbonden met de transceiver component. Slechts één reader antenne kan verbonden worden met één antenne poort. Ontvanger: De ontvanger vormt een onderdeel van de transceiver. Het ontvangt analoge signalen van de tag en zendt deze naar de microprocessor, waar het signaal geconverteerd wordt naar zijn equivalente digitale vorm. Microprocessor: Deze component is verantwoordelijk voor de uitvoering van het communicatieprotocol dat de reader gebruikt. Het decodeert het analoge signaal van de ontvanger en voert er foutencontrole op uit om fouten in de datatransmissie te achterhalen. De microprocessor kan ook low-level filtering uitvoeren op de data van de tag. Geheugen: Het geheugen wordt hoofdzakelijk gebruikt om informatie zoals instellingen van de reader en een lijst van tag lezingen op te slaan. Deze lijst is noodzakelijk om te voorkomen dat gelezen tag data verloren gaat bij het wegvallen van de connectie tussen de reader en het softwaresysteem. Het aantal tag lezingen die per tijdseenheid opgeslagen kunnen worden in het geheugen wordt gelimiteerd door de grootte van het geheugen. Indien het geheugen volledig bezet is door data verkregen uit tag lezingen, wordt nieuwe verkregen data niet meer opgeslagen om te voorkomen dat de huidige data overschreven wordt en dus verloren gaat. Input/Output kanalen voor externe sensoren: Hoewel readers continu actief kunnen blijven om tags te detecteren, is dit geen vereiste. Uiteindelijk zullen tags enkel op bepaalde tijdstippen van de lezing zichtbaar worden, waardoor het continu zoeken naar tags zal leiden tot een verspilling van energie. De I/O component zorgt er voor dat de reader aan- en uitgeschakeld kan worden op basis van externe events. Een bewegingssensor of lichtsensor detecteert zó bijvoorbeeld de aanwezigheid van een tag in het bereik van de reader. Vervolgens activeert deze sensor de reader waarop de betreffende tag gevonden en gelezen wordt. Het outputkanaal stelt de reader in staat lokale output 3 te leveren op basis van bepaalde geldende condities. 3 Een alarm, een lichtsignaal...

27 2.5 Readers 17 Controller: Een controller wordt door Lahiri (2005) gedefinieerd als een component die externe entiteiten, zoals een mens of een computerprogramma, in staat stelt te communiceren met en controle te krijgen over de functies van de reader. Meestal wordt de controller geïntegreerd in de reader, maar ze worden ook vaak als een apart hardware/software component verkocht. De controller software (SDK) van de reader gebruikt in het project is hier een voorbeeld van. Stroombron Communicatie-interface: De communicatie-interface voorziet de reader van instructies die hem in staat stellen te communiceren met externe entiteiten. Deze instructies hebben betrekking tot het verzenden van opgeslagen data, het accepteren van binnenkomende commando s en het terug verzenden van overeenkomstige antwoorden. Deze component kan geïntegreerd zijn in de controller of dienst doen als schakel tussen externe entiteiten en de controller zelf. Figuur 2.10: Componenten van een reader. Figuur 2.11 toont de anti-collision reader die gebruikt werd binnen het Muse@Life project. Readers kunnen volgens Lahiri (2005) verdeeld worden op basis van twee criteria: 1. Op basis van de communicatie-interface: Serieel Netwerkgeoriënteerd 2. Op basis van de mobiliteit van de reader: Stationair Handheld

28 2.5 Readers 18 Figuur 2.11: Anti-collision RFID-reader gebruikt binnen het project (SocketCommunications, 2006) Seriële readers Seriële readers maken gebruik van een seriële link om te communiceren. De reader wordt fysiek verbonden met de seriële poort van een computer door middel van een RS-232 of RS-485 connectie. Beide connecties hebben een eigen limiet op de maximale lengte van de kabel die gebruikt mag worden om de reader met de computer te verbinden. Zo laat RS-485 een langere kabel toe dan RS-232. Het grote voordeel van seriële readers ten opzichte van netwerkgeoriënteerde readers is de betrouwbaarheid van de communicatielink. Uiteraard zijn er ook nadelen verbonden aan een seriële interface: De limiet op de maximale kabellengte vormt een fysieke beperking. Het aantal seriële poorten op een computer is vaak beperkt. Omdat het aantal seriële readers dat men wenst te connecteren met een computer gelijk is aan het aantal seriële poorten dat men nodig heeft, kan dit een probleem vormen. Bij netwerkgeoriënteerde interfaces stelt dit probleem zich niet. Onderhoud: indien updates doorgevoerd moeten worden, is het onderhoudspersoneel verplicht elke reader fysisch in zijn/haar bezit te hebben. Lagere datatransmissie rate: de datatransmissie rate van seriële readers ligt over het algemeen lager dan die bij netwerkgeoriënteerde readers Netwerkgeoriënteerde readers Netwerkgeoriënteerde readers kunnen met een computer verbonden worden met behulp van bedrade of draadloze netwerken. De reader gedraagt zich als een netwerktoestel dat, zonder specifieke kennis over de hardware zelf, aangesproken kan worden. Het voordeel van netwerkgeoriënteerde readers ten opzichte van seriële readers is dat er geen

29 2.5 Readers 19 limiet bestaat op de maximale lengte van de kabel die de reader met de computer verbindt (als er al een kabel aanwezig is cfr. draadloos). Ook kunnen updates via het netwerk uitgevoerd worden waardoor het onderhoud vlotter verloopt. Uiteraard zijn er ook nadelen verbonden aan netwerkgoriënteerde readers. Zo is de betrouwbaarheid van de communicatielink bij netwerkgeoriënteerde readers veel lager dan die bij seriële readers. Indien de communicatielink door bijvoorbeeld congestie op het netwerk inactief wordt, kan het back-end systeem tijdelijk niet meer bereikt worden. In het geval van een draadloze communicatielink kunnen storingen van materialen in de omgeving ook een beperkende factor zijn Stationair Deze readers worden bevestigd aan een muur, een portaal, of eender welke andere fysische structuur die zich idealiter in de te bereiken leeszone bevindt. Stationaire readers hebben over het algemeen externe antennes nodig om tags te lezen. Een reader kan tot over vier antenne poorten beschikken (zie figuur 2.12 bovenaan). Figuur 2.12: UHF stationaire netwerkgeoriënteerde reader van Alien Technology. Een RFID-printer bevat bijvoorbeeld zulk een stationaire reader (figuur 2.13). Deze kan in één operatie smart labels printen. Dit zijn labels met een geprinte barcode en een intern verwerkte RFID-tag die geschreven wordt door een stationaire reader verwerkt in de printer. Elke soort informatie kan opgeslagen worden op de geïntegreerde tag, zoals productinformatie, de naam en het adres van de fabrikant.... De reader leest de smart label opnieuw na de schrijfoperatie om de correctheid van de data te verifiëren. Een stationaire reader kan volgens Lahiri (2005) in twee modi functioneren: Autonome modus: in de autonome modus leest een reader continu tags die zich binnen leesbereik bevinden. Telkens wanneer een tag gevonden wordt, zal de ID-waarde opgeslagen worden in een lijst, samen met het tijdstip van de lezing. Dit tijdstip doet dienst als threshold voor de betreffende tag; indien de geassocieerde tag niet meer gelezen kan worden in een

30 2.6 Soorten RFID-systemen 20 Figuur 2.13: RFID printer van Zebra Technologies. tijdspanne die groter is dan de betreffende threshold waarde, zal de tag verwijderd worden uit de lijst. Een applicatie kan zichzelf registreren om de lijst periodiek te ontvangen. Interactieve modus: in de interactieve modus voert een reader commando s uit die hij ontvangt van een applicatie of van een gebruiker die door middel van een compatibele client communiceert met de reader. Na het uitvoeren van het laatste ontvangen commando, wacht de reader op het volgende commando. Enkele voorbeelden van commando s die de reader kan uitvoeren zijn het verzenden van de huidige lijst, het wijzigen van instellingen van de reader Handheld reader Een handheld reader is mobiel van aard en kan in de palm van de hand gedragen worden. Vaak beschikt een reader van dit type over ingebouwde antenne(s). De opzet van een Personal Digital Assistant met een RFID-reader als CF-card erop bevestigd vormt een vrij goedkope handheld oplossing. In het Muse@Life project werd dan ook voor deze oplossing geopteerd. 2.6 Soorten RFID-systemen RFID-systemen kunnen volgens Lahiri (2005) verdeeld worden op basis van de frequentie die ze gebruiken. LF RFID-systemen: LF RFID-systemen werken op een frequentie van 125 KHz of KHz en maken gebruik van passieve tags. Deze systemen hebben ook een lage datatransfer rate van tag naar reader maar zijn uitermate geschikt in werkomgevingen die metaal, vloeistoffen en/of vuil bevatten. De golven overeenkomstig met deze lage frequenties worden slecht geabsorbeerd en kunnen gemakkelijk bepaalde materialen propageren. Een overzicht van enkele materialen en hun propagatie-eigenschappen voor radiogolven wordt getoond in bijlage A. Deze eigenschappen maar ook de maturiteit van de tags, hebben er toe geleid dat LF RFID-systemen momenteel een grote aanhang kennen in de industriële wereld. HF RFID-systemen: HF RFID-systemen functioneren typerend op een frequentie van MHz en hebben ongeveer dezelfde karakteristieke eigenschappen als LF RFID-systemen; een lage datatransfer rate, gebruik van passieve tags en een gemiddelde tot goede prestatie in een werkomgeving die metalen en/of vloeistoffen bevat. (zie bijlage A) HF RFID-systemen worden tegenwoordig vaak gebruikt in ziekenhuisomgevingen waar het RFID-systeem niet kan interfereren met reeds bestaande apparatuur. In het Muse@Life project maken we gebruik van een HF RFID-systeem.

31 2.7 Communicatieschema s 21 UHF RFID-systemen: Actieve UHF RFID-systemen functioneren op een frequentie van 315 MHz en 433 MHz. Een UHF systeem kan zowel actieve als passieve tags gebruiken en het heeft een hoge datatransfer rate. Het presteert echter zwak in werkomgevingen waar metalen en vloeistoffen aanwezig zijn. (zie bijlage A) Microgolf RFID-systemen: Een microgolf RFID-systeem werkt op een frequentie van 2.45GHz of 5.8GHz. Het ondersteunt zowel passieve als (semi-)actieve tags, heeft de snelste datatransfer rate maar presteert zeer zwak in werkomgevingen met metalen en/of vloeistoffen. Omdat de lengte van de antenne omgekeerd evenredig is met de frequentie (zie sectie 2.4.1), heeft de antenne van een passieve tag die functioneert binnen het microgolf frequentiedomein, de kleinste lengte. De 2.4 GHz frequentie wordt ook wel de ISM 4 -band genoemd. 2.7 Communicatieschema s Er bestaan verschillende schema s voor de communicatie tussen een reader en een tag: Gemoduleerde backscatter Transmitter type Transponder type Vooraleer we ons zullen verdiepen in deze schema s dienen we eerst een begrip te krijgen van de concepten near field bereik en far field bereik. Deze begrippen werden reeds geïntroduceerd in 2.4.1; we gaan er hier dieper op in. Ze definiëren de twee methoden die gebruikt worden om energie over te dragen van een reader naar een tag. Het gebied tussen de antenne van een reader en één volledige golflengte van de radiogolven uitgezonden door deze antenne, wordt het near field bereik genoemd. Het gebied dat groter is dan de afstand tussen de antenne van een reader en één volledige golflengte van de radiogolven die de antenne uitzendt, wordt het far field bereik genoemd. Passieve tags die functioneren in de LF- en HF-band van het radiospectrum gebruiken near field communicatie, terwijl de passieve tags die in UHF- en microgolf frequenties functioneren far field communicatie gebruiken. Aan de basis van near field koppeling tussen reader en tag ligt het principe van magnetische inductie. (Badri Nath 2006) Een reader laat een grote hoeveelheid aan wisselspanning circuleren door een geleidende spiraal, wat resulteert in een lokaal wisselend magnetisch veld. Wanneer een kleinere spiraal vervolgens binnen het bereik van het eerdergenoemde veld gebracht wordt, zal een kleine hoeveelheid aan wisselspanning ontstaan op de kleine spiraal. Deze wisselspanning kan omgevormd worden tot gelijkstroom die vervolgens cumulatief opbouwend opgeslagen wordt in een condensator. 5 Het is tevens deze spanning die gebruikt wordt om de chip in de tag van energie te voorzien. Tags die gebruik maken van near field communicatie zenden data terug naar de reader met behulp van load modulation. 4 Industry, Scientific and Medical 5 Een condensator is een elektronisch component dat opgebouwd is uit twee geleiders met een relatief grote oppervlakte, die zich dicht bij elkaar bevinden en door een isolator worden gescheiden. Een condensator is in staat elektrische geleiding vast te houden.

32 2.7 Communicatieschema s 22 Omdat elke spanning onttrokken aan de spiraal van de tag, zelf een klein magnetisch veld opwekt dat tegengesteld is aan het veld gegenereerd door de reader, zal de spiraal van de reader dit ervaren als een kleine verhoging in zijn eigen spanning. Deze fluctuaties zijn proportioneel aan de hoeveelheid spanning die geplaatst wordt op de spiraal van de tag zelf. Deze techniek noemt men load modulation. Om de unieke tag-id te verzenden naar de reader, dient de semi-conductor chip van de tag enkel nog spanning te plaatsen op zijn eigen antenne en deze te laten variëren in de tijd. De reader kan de tag-id vervolgens ontcijferen door de kleine fluctuaties in spanning op zijn eigen spiraal te meten. Near field koppeling tussen reader en tag heeft geleid tot de ontwikkeling van vele onderliggende standaarden, waaronder ISO en ISO Magnetische inductie impliceert ook enkele beperkingen. Het bereik van een RFID-tag met near field koppeling beperkt zich tot de formule c/2πf, waarbij c de lichtsnelheid voorstelt en f de gebruikte frequentie. De frequentie is dus omgekeerd evenredig met het bereik van een near field gekoppelde RFID-tag. Een tweede beperking bij magnetische inductie is het verband tussen de hoeveelheid beschikbare energie en de afstand van de tag tot de spiraal van de reader. De sterkte van het magnetisch veld neemt af met een factor 1/r 3 waarbij r de afstand tussen de tag en de reader voorstelt.(badri Nath 2006) Wanneer men dus meer bits wenst te gebruiken voor de tag-id en de reading tijd wenst te behouden, zal een hogere datatransfer rate nodig zijn. Een hogere datatransfer rate leidt tot een hogere frequentie. Eerdergenoemde beperkingen in combinatie met de toenemende vraag voor het verzenden van meer bits aan dezelfde datatransfer rate hebben geleid tot far field communicatie. In figuur 2.14 wordt het mechanisme voor near-field koppeling getoond voor RFID-tags die functioneren op een frequentie kleiner dan 100 MHz 6. RFID-tags die gebruik maken van far field communicatie vangen elektromagnetische golven op die verzonden worden door een dipolige antenne van de reader. Een kleinere dipolige antenne in de tag vangt deze golven op en zet de energieschommelingen, veroorzaakt door de golf, om in spanning die vervolgens opgeslagen wordt in een condensator. In tegenstelling tot de inductieve near field tags, opereren far field tags over een groter bereik waardoor load modulation niet meer gebruikt kan worden om informatie te verzenden naar de reader. De techniek die daarom gebruikt wordt bij far field communicatie wordt gemoduleerde backscatter genoemd. De reikwijdte van een far field systeem wordt gelimiteerd door de hoeveelheid energie die van de tag tot bij de reader komt en de gevoeligheid van de radio-ontvanger op het gereflecteerde signaal. Het signaal dat terug verzonden wordt naar de reader is uiterst klein, omdat het een resultaat is van twee attenuaties. De eerste attenuatie gebeurt bij het verzenden van elektromagnetische golven van de reader naar de tag en de tweede wanneer de gereflecteerde golven terug verzonden worden van de tag naar de reader. Beide attenuaties zijn gebaseerd op de functie 1/r 2, wat voor de twee attenuaties een totale attenuatie levert van 1/r 4 (met r de afstand tussen tag en reader).(badri Nath 2006) Door het bestaan van de wet van Moore en dankzij de trend van miniaturisatie bij semi-conductoren, MHz. 6 Alle tags die gebruik maken van near field koppeling functioneren typisch op een frequentie kleiner dan 100

33 2.7 Communicatieschema s 23 Figuur 2.14: Near-field communicatie voor RFID-tags operatief op een frequentie kleiner dan 100MHz. (Badri Nath 2006)

34 2.7 Communicatieschema s 24 zal de energie die nodig is om zulk een tag van energie te voorzien op een bepaalde frequentie steeds kleiner worden. Met moderne semi-conductoren kunnen tags ontwikkeld worden die vanop een veel grotere afstand bereikbaar zijn. Ook is de ontwikkeling van hooggevoelige radio-ontvangers sterk geëvolueerd en ook dit heeft bijgedragen tot de huidige leesafstand van om en bij de 3 meter bij far field tags. In figuur 2.15 wordt het mechanisme voor far-field communicatie getoond voor RFID-tags die functioneren op een frequentie groter dan 100 MHz. Figuur 2.15: Far-field communicatie voor RFID-tags operatief op een frequentie groter dan 100MHz. (Badri Nath 2006) In de volgende paragrafen worden eerdergenoemde communicatieschema s besproken Gemoduleerde backscatter Gemoduleerde backscatter communicatie wordt zowel bij passieve als semi-actieve tags gebruikt. Door de geometrie en de dimensies van een antenne te wijzigen, kan deze afgestemd worden op een bepaalde frequentie zodat zoveel mogelijk energie op deze frequentie geabsorbeerd wordt. Indien er een weerstand voorkomt op deze frequentie, zal de antenne een kleine hoeveelheid aan energie (in de vorm van kleine golven) terug zenden naar de reader. Deze kan de teruggezonden energie waarnemen met een hooggevoelige radio-ontvanger. Door deze weerstand te laten variëren in de tijd, wordt meer of minder energie terug verzonden naar de reader. Het patroon dat hiervoor gebruikt wordt vormt dan ook de encodering van de data. Bij gemoduleerde backscatter communicatie is het dus steeds de reader die de communicatie initieert. Een tag die dit schema implementeert kan niet communiceren in de afwezigheid van een reader omdat ze afhankelijk is van de energie geleverd door de reader. Figuur 2.16 toont een voorbeeld van dit communicatieschema.

35 2.7 Communicatieschema s 25 Figuur 2.16: Gemoduleerde backscatter Transmitter type Dit communicatieschema is enkel van toepassing op actieve tags. Hierbij zendt de tag op regelmatige tijdstippen een boodschap uit naar de directe fysische omgeving, ongeacht de aan- of afwezigheid van een reader. In dit communicatieschema is het dus eerder de tag die de communicatie initieert. Figuur 2.17 toont het principe van het transmitter communicatieschema. Figuur 2.17: Transmitter communicatie tussen reader en tag Transponder type Dit communicatieschema is van toepassing voor een speciaal soort van actieve tags; transponders. Deze werden reeds eerder besproken in sectie In dit communicatieschema gaat de tag in standby-modus bij de afwezigheid van een leessignaal. In deze toestand kan de tag periodiek boodschappen uitzenden om te controleren of een reader aan het luisteren is. Wanneer een reader zulk een signaal ontvangt, kan het de tag de instructie geven wakker te worden en zijn slaaptoestand te beëindigen. Vervolgens wordt de tag wakker en gedraagt het zich weer als een transmitter. In dit schema zendt de tag enkel data wanneer de reader hier expliciet naar vraagt. Figuur 2.18 toont de werking van het transponder communicatieschema.

36 2.7 Communicatieschema s 26 Figuur 2.18: Transponder communicatieschema.

37 INDOOR LOCATIEBEPALING 27 Hoofdstuk 3 Indoor locatiebepaling 3.1 Inleiding Er zijn heel wat interessante toepassingen te bedenken waarvoor informatie betreffende de locatie van voorwerpen of van personen t.o.v. deze voorwerpen of elkaar nodig zijn. Omwille van deze reden beschrijven we in deze paragraaf welke mogelijkheden RFID en andere technologien bieden voor het bepalen van de locatie van een entiteit. Locatiebepaling wordt gerealiseerd door een localisatiesysteem. Zulk een systeem bevat drie grote componenten (Muthukrishnan, Lijding & Havinga 2005): 1. Input komende van één (non-hybride) of meerdere (hybride) sensing technologieën 1 die zich baseren op signaalsterkte of op de gekende coördinaten van anchor nodes. 2. Een algoritme voor het berekenen van de locatie op basis van de input. 3. Output in de vorm van een locatie ten opzichte van een globaal coördinatensysteem of ten opzichte van andere objecten in de fysische ruimte. Hoewel de performantie van een systeem ook bepaald wordt door het gebruikte algoritme, zijn de beperkingen van een localisatiesysteem hoofdzakelijk te vinden bij de nadelen van de sensing technologie(ën) die er aan ten grondslag ligt. In het Muse@Life project werden bestaande algoritmen en systemen bestudeerd. Ook werd een taxonomie gedefinieerd van draadloze sensing technologieën die vandaag gebruikt worden in localisatiesystemen. Deze werden samen met hun voor- en nadelen vastgelegd in tabel 3.1. In dit hoofdstuk definiëren we ook enkele maatstaven waarop een localisatiesysteem geëvalueerd kan worden. Ook bestuderen we enkele methoden tot het bepalen van de locatie van een entiteit. We definiëren de begrippen non-hybride en hybride localisatiesystemen en merken op dat de laatstgenoemde systemen tot meer accurate schattingen van de locatie leiden. 1 De technologie die input levert tot het bepalen van de locatie van een entiteit, waarbij een entiteit gedefinieerd wordt als een persoon of object in de fysische ruimte.

38 3.2 Evaluatie van localisatiesystemen Evaluatie van localisatiesystemen Om bestaande localisatiesystemen met elkaar te vergelijken, dient men eerst een begrip te krijgen over de betekenis van de meetbare parameters die de goedheid van een localisatiesysteem aanduiden. Op basis van deze eigenschappen kan vervolgens een evaluatie van het localisatiesysteem uitgevoerd worden en kan deze vergeleken worden met andere systemen. Volgens Muthukrishnan et al. (2005) kan een evaluatie van een localisatiesysteem gedaan worden op basis van de volgende meetbare parameters: Nauwkeurigheid van het systeem: de mate waarin de geschatte positie overeenkomt met de werkelijke positie. Vaak wordt de nauwkeurigheid van een systeem vergezeld door de parameter precisie. Beide parameters worden vaak gebruikt om te bepalen of een localisatiesysteem geschikt is voor een bepaalde toepassing of niet. De precisie van een systeem geeft aan hoe vaak de gegeven nauwkeurigheid verwacht wordt bij het bepalen van de locatie van een entiteit. Zo spreekt men bijvoorbeeld van een nauwkeurigheid van 15 cm met een precisie van 95% van alle metingen. Concreet betekent dit dat men een nauwkeurigheid tot op 15 cm afwijking verwacht in 95% van alle metingen. Er bestaat dus een kans van 5% dat de meting een grotere afwijking heeft dan de vooropgestelde waarde van 15 cm. De nood aan calibratie speelt ook een belangrijke rol. Calibratie is het proces waarmee een toestel gedwongen wordt zich te houden aan een gegeven input/output mapping. Calibratie is belangrijk omdat data verkregen uit niet-gecalibreerde metingen vaak incorrect zijn door de delays op het verzenden en ontvangen van data binnen het localisatiesysteem. Binnen gecalibreerde systemen wordt hier rekening mee gehouden. (Whitehouse 2002) De responsabiliteit van het systeem wordt gedefinieerd als de snelheid dat het systeem nodig heeft om de locatie van een entiteit te bepalen en weer te geven. Het vormt een belangrijke parameter, zeker wanneer we rekening dienen te houden met de factor mobiliteit. De schaleerbaarheid vormt zeker een significante parameter in de evaluatie van een localisatiesysteem. Indien het systeem op een grootschalig niveau gebruikt moet worden, dient het nog altijd een correcte werking te kunnen garanderen. De graad van autonomie van het systeem definieert de mate waarin het systeem zich zelf kan configureren en organiseren. In een systeem dat grootschalig van aard is, wordt deze parameter van essentieel belang. De totale kost van het systeem vormt zeker geen onbelangrijke parameter en zal in vele gevallen de doorslaggevende factor zijn. Onder totale kost verstaan we de kosten van installatie, van deployment, de kosten van de infrastructuur en die van onderhoud. Een belangrijke factor bij de berekening van kost vormt zeker het energieverbruik van het systeem. Voor een grootschalig systeem is het niet haalbaar de batterijen voortdurend op te laden. Een efficiënte wijze van energieverbruik is dan ook wenselijk.

39 3.3 Werking van een localisatiesysteem Werking van een localisatiesysteem Input via sensing technologieën Er bestaan verschillende types van sensing technologieën. Een overzicht wordt getoond in tabel 3.1. Afhankelijk van het vereiste bereik, propagatiesnelheid, kost, precisie, bandbreedte... kan voor elke specifieke applicatie een sensing technologie gekozen worden. RFID-technologie kan geplaatst worden in de klasse van radio frequentie gebaseerde sensing technologieën. Technologie Voordelen Opmerkingen Infrarood - Goedkoop - Typisch bereik van 5 meter - Compact - Beperkingen door line of sight condities - Laag energieverbruik - Onbruikbaar in direct zonlicht Ultrasound Radio Freq. DC Electromagnetisch - Relatief trage propagatie (snelheid van het geluid) - Laat exacte metingen toe op lage clock rates, waardoor het systeem eenvoudiger en goedkoper wordt - Beter dan IR in termen van bandbreedte, kost en snelheid - Typisch bereik van 3-10 meter - Omgevingsfactoren zoals andere geluiden hebben een substantieel negatief effect - Er bestaat geen degelijk propagatiemodel - Heeft last van multipath fading - Typisch bereik van Bluetooth is meter - Typisch bereik van WLAN is meter - Typisch bereik van RFID is 5 centimeter-10 meter - Typisch bereik van cellulaire systemen is meter - Hoge precisie - Typisch bereik van 1-3 meter - Hoge signaal propagatie snelheid - Signalen zijn gevoelig voor de omgeving - Calibratie noodzakelijk, waardoor duur - Moeilijk te installeren Optisch - Hoge precisie - Typisch bereik van 5 meter - Compact - Beperkingen door line of sight condities - Laag energieverbruik - Onbruikbaar in direct zonlicht UWB Radio - Hoge precisie en accuraatheid - Duur - Minder beïnvloed door multipath fading dan traditionele RF systemen Tabel 3.1: Sensing technologieën. - Hogere densiteit van receivers in vergelijking met traditionele RF systemen, maar ook makkelijker te installeren

40 3.3 Werking van een localisatiesysteem Algoritmen voor locatiebepaling De informatie verkregen van de onderliggende sensing technologie(ën) dient als input voor een locatiebepalingsalgoritme. Dit algoritme dient volgens Langendoen & Reijers (2003) drie taken uit te voeren: 1. Bepalen van de afstand tussen de host die de informatie van de sensing technologie(ën) ontvangt en de entiteit waarvan de positie bepaald moet worden. 2. Op basis van deze afstand de locatie van de entiteit schatten ten opzichte van een globaal coördinatensysteem of ten opzichte van andere objecten in de fysische ruimte. 3. Verfijning van de berekende positie. Deze taak is echter optioneel. Bepalen van de afstand Voor het bepalen van de afstand tussen de host en de te localiseren entiteit definiëren Muthukrishnan et al. (2005) twee mogelijke benaderingen. Bepalen van de afstand op basis van informatie omtrent het bereik van de onderliggende technologie. Binnen het Archie-project, waarin actief is, ontwikkelde men reeds een localisatiecomponent die gebruik maakt van deze benadering. Op basis van de verkregen g signaalsterktes wordt er per access point een reeks mogelijke locaties berekend die zich elk tot een verschillende afstand van de betreffende access point bevinden. Enkele technieken die gebruikt kunnen worden bij deze benadering zijn Time-Of-Arrival (TOA), Time Difference of Arrival (TDOA), Angle-of-Arrival (AOA) en Received Signal Strength Indication (RSSI). Deze laatste techniek werd gebruikt in de localisatiecomponent die momenteel actief is binnen het Archie-project. (Tutenel 2006) Bepalen van de afstand op basis van informatie verkregen uit een systeem van anchor nodes. Hierbij wordt het aantal hops dat een signaal dient af te leggen van de entiteit tot aan de host via de voorgeïnstalleerde anchor nodes als maatstaf voor afstand gebruikt. Enkele algoritmes die gebruik maken van deze benadering zijn onder andere Centroid Algoritme, DV-Hop, Amorphous en Point-In-Test (PIT). (He, Huang, Blum, Stankovic & Abdelzaher 2003) Bij DV-hop bijvoorbeeld worden anchor nodes geplaatst op gekende posities. Deze nodes zenden op continue basis berichten uit waarin informatie omtrent hun positie vervat zit. Deze berichten worden door nabijgelegen anchor nodes opgevangen en doorgezonden naar andere anchor nodes. De afstand tussen twee anchor nodes kan zo bepaald worden door het aantal hops tussen twee anchor nodes als metriek te gebruiken. (Muthukrishnan et al. 2005) Bepalen van de locatie De volgende stap in het algoritme is het bepalen van de locatie van de entiteit op basis van de afstand-informatie verkregen uit de vorige stap. Het is belangrijk op te merken dat het hier vaak gaat om een schatting. Volgens Hightower & Borriello (2001) bestaan er verschillende methoden om de locatie van een entiteit te schatten:

41 3.4 Non-hybride RFID-gebaseerde localisatiesystemen 31 Triangulatie gebruikt de geometrische eigenschappen van driehoeken om de locatie van entiteiten te bepalen. Triangulatie wordt opgedeeld in lateratie - dat gebruik maakt van afstandsmetingen - en angulatie - dat gebruik maakt van hoekmetingen. (Hightower & Boriello 2001) Trilateratie maakt gebruik van het bereik ten opzichte van ten minste drie gekende node posities om de coördinaten van onbekende nodes te berekenen. Deze methode start van een a priori geschatte positie dat later gaandeweg gecorrigeerd wordt tot de correcte positie bereikt wordt. (Niculescu & Nath 2004) Proximity verwijst naar de nabijheid van een entiteit tot een gekende verzameling van punten. Hierbij wordt de aanwezigheid van de entiteit ontdekt door gebruik te maken van technologieën met een beperkt bereik. Vaak wordt RFID-technologie als sensing technologie gebruikt om tot dit soort schatting van locatie te komen. Deze vorm van locatiebepaling met behulp van RFID-technologie werd onder andere getest in het Imogi-project, voorgesteld door Luyten & Coninx (n.d.). Dit project impliceerde de implementatie van een contextgevoelige mobiele gids voor musea. Uiteraard bestaan er meerdere technologieën die zich lenen tot de proximity methode. Infrarood technologie vormt hier een voorbeeld van. Uiteraard bestaan er nog meer methodes, we noemen hier enkel de voornaamste. Het spreekt voor zich dat de keuze van de technieken en de onderliggende technologie bepalend zullen zijn voor de nauwkeurigheid en de granulariteit van de verkregen locatie-informatie. (Muthukrishnan et al. 2005) Toegepast op de localisatiecomponent, gebruikt binnen het Archie-project, zullen in deze stap alle mogelijke locaties uit de vorige stap naast elkaar gelegd worden om zo te komen tot een schatting van één enkele locatie Output van een locatie Volgens Muthukrishnan et al. (2005) kan de locatie van een entiteit berekend worden ten opzichte van een globaal coördinatensysteem of ten opzichte van andere fysische objecten in de ruimte. Hiervoor bestaan uiteraard verscheidene mapping algoritmen, maar een bespreking hiervan zou te ver leiden. 3.4 Non-hybride RFID-gebaseerde localisatiesystemen Er bestaan verscheidene theoretische modellen die non-hybride RFID-gebaseerde localisatiesystemen voorstellen. (Sebastian 2005) Op het eerste zicht lijken deze modellen veelbelovend, maar wanneer ze in de praktijk toegepast worden, steken verscheidene problemen de kop op. Door deze problemen functioneren de modellen vaak niet in echte applicaties (Sebastian 2005). Eén van de grootste problemen bij RFID als sensing technologie is de invloed van de omgeving op de overdracht van RF-golven. Om theoretische RFID-modellen dus succesvol in de praktijk om te zetten dienen ze ook deze invloed in hun berekeningen op te nemen. Het LANDMARC systeem, voorgesteld door Ni, Liu, Lau & Patil (2004), probeert deze factoren van de omgeving op te lossen door te werken met zogenaamde referentie-tags, die zelf onderhevig zijn aan de effecten veroorzaakt door omgevingsfactoren. Toch kan dit systeem niet de invloed van alle omgevingsfactoren volledig maskeren.

42 3.5 Hybride localisatiesystemen 32 De frequente wijzigingen aan de indeling en inrichting van expositieruimten in musea, gericht op het thema van de tentoonstelling, leiden tot sterk variërende omgevingsfactoren. Dit spreekt uiteraard niet in het voordeel van RFID als sensing technologie. Indien men RFID wilt inschakelen tot het exact bepalen van de locatie van een entiteit zal men volgens Sebastian (2005) steeds moeten werken met actieve tags. Het bereik van deze tags ligt in tegenstelling tot passieve tags, immers veel hoger. Uiteraard komt dit met een prijs; actieve tags zijn vaak veel duurder, waardoor de installatie en de infrastructuur van een non-hybride RFIDgebaseerd localisatiesysteem, zoals LANDMARC, vaak heel duur is. Ook zijn localisatiesystemen, die gebruik maken van een RF-gebaseerde sensing technologie (zoals RFID), sterk onderhevig aan een fenomeen dat multipath fading genoemd wordt. (Lahiri 2005) Multipath fading is het fenomeen waarbij de verzonden RF-signalen weerkaatst worden op RFondoorlaatbare objecten. Deze objecten kunnen bijvoorbeeld muren, menselijke lichamen, voorwerpen in de ruimte... zijn. Deze weerkaatsing veroorzaakt een breking van de radiogolven waardoor ze verspreid worden in de ruimte. Hierdoor komen ze op verschillende tijdstippen en via verschillende paden terug aan bij de reader. Nu kunnen zich twee situaties voordoen: 1. De weerkaatste radiogolven lopen in fase; ze komen exact overeen met het golfpatroon van de origineel verzonden radiogolven. Dit heeft als effect dat nieuwe signalen met hetzelfde golfpatroon versterkt worden. De weerkaatste signalen en de nieuwe signalen interfereren dus met elkaar, maar op een constructieve manier. Deze vorm van interferentie wordt daarom ook wel constructieve interferentie genoemd. 2. De weerkaatste radiogolven lopen niet in fase; ze zijn het tegengestelde van het golfpatroon van de origineel verzonden radiogolven. Dit heeft als effect dat nieuwe signalen met hetzelfde golfpatroon verzwakt tot zelfs teniet gedaan worden. Beide golven heffen mekaar immers op. Deze vorm van interferentie wordt ook wel destructieve interferentie genoemd. Figuur 3.1 toont beide situaties in het geval van multipath fading. 3.5 Hybride localisatiesystemen Hoewel RFID als sensing technologie zijn voordelen kent 2, wegen deze niet op tegen de nadelen zoals gesteld in 3.4. Uit tabel 3.1 is af te leiden dat er verschillende types van indoor localisatiesystemen bestaan, die elk gebruik maken van hun eigen sensing technologie. Belangrijk om in te zien is dat elk systeem, door de sensing technologie die eraan ten grondslag ligt, zijn eigen vooren nadelen heeft. We gaan niet dieper in op concrete implementaties van localisatiesystemen, dat zou ons te ver leiden. Hiervoor verwijzen we graag naar Muthukrishnan et al. (2005). Het is veel waardevoller in te zien dat het combineren en integreren van verschillende sensing technologieën, leidt tot een meer accurate schatting van de positie van een entiteit. Zo kunnen de voordelen van één technologie, gebruikt worden om de nadelen van een andere op te vangen. Zulk een systeem wordt een hybride systeem genoemd en wordt sterk aangeraden door Muthukrishnan et al. (2005) en Abowd, Battestini & Connell (n.d.). 2 Geen line of sight en geen direct contact nodig...

43 3.6 Conclusie 33 Figuur 3.1: Destructieve en constructieve interferentie bij multipath fading. Ook RFID kent zo zijn functie binnen een hybride localisatiesysteem. Het systeem kan goedkoop gehouden worden door het gebruik van passieve RFID-tags die de bezoeker scant. In de applicatie dient de gebruiker een aantal artefacten te verzamelen in het museum, ter uitvoering van een opdracht. Hiertoe dient hij de betreffende getagde artefacten te scannen met een RFID-reader. Vermits de exacte positie van de artefacten gekend is, kan hieruit ook de temporele positie van de gebruiker afgeleid worden. Zo kan een spoor gedefinieerd worden waarin de locatie van de gebruiker afgebeeld wordt. De verschillende informatiestromen, afkomstig van meerdere sensing technologieën in een hybride systeem, kunnen zo als input dienen voor een locatiebepalingsalgoritme, die op zijn beurt op basis van deze informatiestromen, een meer accurate schatting kan maken van de positie van een entiteit. 3.6 Conclusie Vaak worden lokalisatiesystemen ontwikkeld voor specifieke omgevingen waarbij de omgevingsfactoren, die een negatieve invloed kunnen hebben op de werking van het systeem, zoveel mogelijk worden opgenomen in het model. Dit impliceert uiteraard ook dat een minimale wijziging aan de omgeving een nefast gevolg kan hebben voor de performantie van het systeem. Er bestaat dus niet zoiets als een general-purpose localisatiesysteem, dat in eender welke omgeving ingeschakeld kan worden. Elke technologie heeft bovendien zijn voor- en nadelen. De ontwikkeling van hybride systemen wordt daarom ook aangeraden. Zij integreren en combineren verschillende technologieën en de informatie die daar elk apart uit voortkomt, kan gebruikt worden om een nog betere schatting te maken van de positie van een entiteit in de fysische wereld. Toch blijft het moeilijk

44 3.6 Conclusie 34 accurate en flexibele localisatiesystemen te ontwikkelen waardoor het onderzoek in dit domein traag evolueert. Er worden veel oplossingen in de literatuur voorgesteld, maar geen één van hen is ideaal. (Ciavarella & Paternó n.d.)

45 LEREN IN MUSEA 35 Hoofdstuk 4 Leren in musea 4.1 Inleiding Daar de Muse@Life applicatie tot doel heeft kinderen al spelenderwijs te laten leren over de artefacten getoond in een museum, is het belangrijk eerst een grondig begrip te krijgen van de manier waarop kinderen leren en welke elementen in de leeromgeving belangrijk zijn om dit leerproces te stimuleren. Zo zullen we ontdekken dat elke persoon een eigen leerstijl heeft. De Amerikaanse psycholoog David A. Kolb definieerde er vier in totaal. Ook zal aangetoond worden dat het proces van leren gedefinieerd kan worden volgens een leercyclus bestaande uit vier leerfasen. Bij de ontwikkeling van een applicatie dat als doel heeft de gebruiker te laten leren, vormt de integratie van de meest essentiële elementen van alle leerstijlen uiteraard een belangrijk gegeven. Deze integratie is niet enkel van belang in de applicatie zelf, maar ook in de directe museumomgeving die als leeromgeving dient. Het is de wisselwerking tussen beide die zorgt voor een immersie van het kind in het thema van het museum. In dit hoofdstuk tonen we ook alle elementen die aanwezig moeten zijn in een leeromgeving om aan de vier leerstijlen van Kolb tegemoet te komen. 4.2 Leren in het museum De communicatie en tentoonstelling van artefacten in musea heeft de afgelopen decennia een enorme evolutie gekend. Het doel tot recreatie en educatie is nog altijd hetzelfde, alleen de vorm waarin het gebracht wordt, verschilt. Musea maken meer en meer gebruik van vernieuwende technologieën om hun doel te bereiken. Het louter presenteren van informatie op een bordje vóór het artefact is al lang verleden tijd. Vandaag wil men de bezoeker, door het prikkelen van verschillende zintuigen, onderdompelen in het thema van het museum en een verrijking teweeg brengen in zijn bezoek- en leerervaring. Leren in een museum kan beschouwd worden als een informeel proces; er wordt niet voor elke bezoeker apart een leertraject opgelegd. (Tonckens voorjaar 2005, p. 8-11) De bezoeker bepaalt zelf, op basis van zijn eigen ervaring, welke informatie relevant is en welke niet. Hierbij wordt een onderscheid gemaakt tussen twee vormen van informatie. Enerzijds bestaat er informatie die volledig nieuw is en waarvan men vóór het bezoek effectief nog niets wist. Ander-

46 4.3 Invloed van omgeving op leren 36 zijds bestaat er informatie die men reeds wist maar haast vergeten was en waarbij de betreffende kennis tijdens het museumbezoek wordt opgefrist. Het leerproces eindigt niet bij het einde van een bezoek. Het gaat verder, wordt verfijnd of krijgt verdieping doordat de bezoeker ook na zijn bezoek informatie blijft ontvangen van enerzijds mensen uit zijn directe sociale levenssfeer die ook een bezoek brachten aan het museum en anderzijds indirect uit de actualiteit. Collaboratie en sociale interactie tijdens, maar ook na een museumbezoek spelen dan ook een belangrijke rol in het leerproces. 4.3 Invloed van omgeving op leren Volgens Tonckens (voorjaar 2005) komt het leerproces pas op gang als iemand echt geïnteresseerd raakt en zich openstelt voor de opname van informatie. De meest ideale museumpresentatie is dan ook zodanig opgesteld, dat het de interesse van de bezoeker wekt en hem stimuleert om iets bij te leren, om zelf op onderzoek uit te gaan. Om dit doel te bereiken is het belangrijk de bezoeker voorafgaand aan de expositie in de juiste stemming te brengen. Dit kan men doen door bijvoorbeeld de historische context te schetsen, of aan de hand van een multimediapresentatie bepaalde emoties op te wekken. Een belangrijke overweging hierbij is uiteraard het profiel van de bezoeker. Zo dient bijvoorbeeld een historische context over de tweede wereldoorlog op een totaal verschillende manier gebracht te worden aan een volwassene dan wel aan een kind. Hierna weet de bezoeker ongeveer wat hij kan verwachten en staat hij open om nieuwe dingen te ontdekken. Ook beweert Tonckens (voorjaar 2005) dat themaroutes of eilandopstellingen motiverend werken, omdat iedere bezoeker hierdoor zelf kan beslissen wat hij als eerste wilt ontdekken en dit op basis van zijn persoonlijke interesse, voorkennis en/of vroegere ervaring(en). Dit wijst er nogmaals op dat het leertraject voor elke bezoeker verschillend is. Bovendien wordt het gebruik van hands-on activiteiten, beeld- en geluidsfragmenten en andere actieve middelen in de presentatie en tentoonstelling van de artefacten sterk aangeraden. Dit verhoogt immers de actieve deelname van de bezoeker aan de expositie, wat in rechtstreekse zin een positieve bijdrage levert aan zijn leerervaring. Er dient dus afgeweken te worden van de klassieke aanpak waarbij de bezoeker enkel kan kijken en lezen. Veel belangrijker is dat de presentatie van informatie interactie mogelijk maakt en de bezoeker uitdaagt tot exploratie. Hiervoor zullen meer zintuigen dan zicht alleen, op een actieve manier geprikkeld moeten worden. Het is dan ook hier dat moderne technologieën een sleutelrol zullen vervullen. 4.4 Leerstijlen Situering Niet elke bezoeker heeft dezelfde manier van leren. Om er voor te zorgen dat iedere bezoeker kan leren volgens de stijl die hij hanteert dient er voldoende variatie gebracht te worden in de presentatiemiddelen. Leren kan beschouwd worden als een proces dat uiteindelijk tot een gedragsverandering leidt. In dit proces zijn verschillende fasen aanwezig, zoals onder andere het toetsen van

47 4.4 Leerstijlen 37 nieuwe inzichten of het nadenken over dingen die je als mens overkomen. De Amerikaanse psycholoog David A.Kolb deed onderzoek naar de verschillende leerstijlen die mensen hanteren en hij onderscheidde er vier, die hij als onderling afhankelijke fasen vastlegde in een leercyclus. (Thesis 2007) De vier leerfasen kunnen beschreven worden in termen van vaardigheden die bij de fasen horen. 1. Concreet ervaren ( voelen ) 2. Reflectief observeren, waarnemen en overdenken ( kijken ) 3. Abstracte begripsvorming ( denken ) 4. Actief experimenteren ( doen ) Op basis van deze fasen kunnen vier leerstijlen gedefinieerd worden waarnaar bezoekers ingedeeld kunnen worden: de dromers, de doeners, de denkers en de beslissers. De kunst bestaat er nu in de presentatie zodanig af te stemmen op deze verschillende leerstijlen opdat de kans op een succesvol leerproces vergroot wordt. Om hierin te slagen definieerde Kolb voor elke leerstijl de nodige vereisten waaraan een leeromgeving dient te voldoen. Deze vereisten zullen verder in dit hoofdstuk uitgediept worden. De Muse@Life applicatie, die ontwikkeld werd in het kader van deze thesis, richt zich hoofdzakelijk op kinderen tussen 7 en 13 jaar. Volgens Vlaams ministerie van Onderwijs en Vorming (oktober 2003) zijn bovenstaande leerstijlen ook van toepassing op deze leeftijdsgroep. In de volgende paragraaf gaan we dieper in op de leercyclus van Kolb en bespreken we de vier eerdergenoemde leerstijlen Leercyclus van Kolb De theorie van David A. Kolb steunt op het idee van experiental learning, waar in de jaren 1900 reeds uitgebreid onderzoek naar werd verricht door Rogers, Jung en Piaget. Vandaag wordt de theorie van Kolb wereldwijd geaccepteerd door academici, onderwijzers en managers en vormt het een fundamentele basis om een beter begrip te krijgen over het menselijk leergedrag. (Businessballs 2007) Veel nieuwe theorieën over het leergedrag van de mens staan in verband met de theorie van Kolb. Zowel de taxonomie van Bloom als de leerstijlen van Felder vertonen kenmerken die sterk gelijken op principes uit de theorie van Kolb. (Howard, Carver & Lane n.d.) In dit hoofdstuk bespreken we dan ook enkel Kolb s theorie; andere theorieën zouden ons te ver leiden. Zoals eerder gesteld, onderscheidt de theorie van Kolb vier leerstijlen die gebaseerd zijn op een leercyclus bestaande uit vier fasen. De elegantie van Kolbs theorie schuilt in de dubbelzijdigheid waarmee het ons van informatie voorziet over het menselijk leergedrag. Zo krijgen we informatie op twee niveaus: 1. Informatie over de verschillende leerstijlen waarover een individu beschikken kan.

48 4.4 Leerstijlen Informatie over de leercyclus die van toepassing is op ons allemaal. In deze leercyclus van vier fasen vormen abstracte of concrete ervaringen een basis voor observaties en reflecties. Deze laatste worden geassimileerd en gedistilleerd tot abstracte concepten, die op hun beurt weer gevolg geven aan nieuwe acties. Deze acties kunnen op hun beurt weer actief getest worden, waardoor nieuwe ervaringen gevormd worden. Dit maakt de cyclus compleet. (Businessballs 2007) Kolb stelt dat, in het meest ideale geval, het leerproces een spiraal voorstelt waarin de leerling alle fasen doorloopt; zowel de fase van ervaren, reflectie, denken alsook die van doen. Door deze leerfasen met elkaar te combineren, kunnen vier types van leerstijlen gedefinieerd worden: 1. Divergeerders of creatieve dromers: concreet en reflectief 2. Assimilators of denkers: abstract en reflectief 3. Convergeerders of beslissers: abstract en actief 4. Accomodators of doeners: concreet en actief De volledige leercyclus van Kolb wordt getoond in figuur 4.1. Een persoon kan één of meerdere leerstijlen bezitten, maar in het geval van meerdere zal hij steeds, vaak afhankelijk van de situatie waarin hij zich bevindt, een voorkeur hebben voor één specifieke leerstijl. Deze voorkeur vormt altijd een product van twee variabelen, of meer bepaald twee soorten keuzen die de persoon in kwestie maakt. Kolb stelt deze variabelen voor als assen of continuüms, met aan beide uiteinden conflicterende modi: Concreet ervaren (voelen) Abstracte begripvorming (denken) Actief experimenteren (doen) Reflectief Observeren (kijken) Deze assen zijn ook zichtbaar in figuur 4.1. Daar vormt de horizontale as het Verwerken Continuüm, dat aanduidt hoe we een bepaald probleem benaderen, passief door te kijken of actief door te doen. De verticale as vormt het Perceptie Continuüm, dat aanduidt hoe wij denken of voelen over bepaalde dingen. Merk op dat beide uiteinden van de assen nooit gelijktijdig kunnen voorkomen; bij de benadering van een leersituatie zullen we intern altijd een keuze maken tussen voelen of denken en tegelijkertijd tussen doen of kijken. (Businessballs 2007) Figuur 4.2 geeft deze verhoudingen grafisch weer zoals ze ook voorkomen in de finale leercyclus van Kolb, zoals getoond in figuur 4.1. Wanneer men deze assenverdeling toepast op de finale leercyclus van Kolb in figuur 4.1 merkt men dat dit leidt tot een verdeling van de cyclus in vier kwadranten. Deze kwadranten vormen de vier leerstijlen van Kolb. De leerstijl die een persoon hanteert tot het oplossen van een probleem bepaalt waar hij de leercyclus begint. Uiteraard zal hij in het meeste ideale geval alle kwadranten van de cyclus aandoen. Om de vorming van de leerstijlen van Kolb beter te begrijpen is het handig de leerstijlen te bekijken vanuit het perspectief van een 2 2-matrix. (zie tabel 4.1)

49 4.4 Leerstijlen 39 Figuur 4.1: Copyright protected concept David Kolb en Design Alan Chapman , leerstijlen van Kolb, (Businessballs 2007)

50 4.5 Eigenschappen van leerstijlen 40 Figuur 4.2: Assen in leercyclus van Kolb: Verwerken Continuüm en Perceptie Continuüm. (Businessballs 2007) Voelen (Concreet Ervaren - CE) Begripsvor- Denken (Abstracte ming - AB) Doen (Actief Experimenteren - AE) Accomodatie (CE/AE) Convergeren (AC/AE) Kijken (Reflectief Observeren - RO) Divergeren (CE/RO) Assimileren (AB/RO) Tabel 4.1: Leerstijlen van Kolb in matrixvorm. (Businessballs 2007) Om een persoon met een bepaalde leerstijl aan te zetten tot leren, is het noodzakelijk te weten welke elementen in de leeromgeving essentieel zijn opdat de persoon in kwestie de eerste stap zal zetten in de leercyclus. Ook is het wenselijk de typische eigenschappen te kennen van een persoon met een specifieke leerstijl. Zo kan er bij de ontwikkeling van een applicatie ingespeeld worden op de noden van de lerende gebruiker. Dit laatste is vooral belangrijk in de context van de Muse@Life applicatie. 4.5 Eigenschappen van leerstijlen Elke leerstijl impliceert een aantal typische eigenschappen omtrent het profiel van een persoon die de betreffende leerstijl hanteert, als ook elementen die noodzakelijkerwijs dienen voor te komen in de leeromgeving van deze persoon. We zullen dan ook nagaan welke deze eigenschappen en elementen zijn voor elk van de vier leerstijlen. In figuur 4.3 tonen we nog eens de leercyclus van Kolb verdeeld in kwadranten, volgens de vier leerstijlen.

51 4.5 Eigenschappen van leerstijlen 41 Figuur 4.3: Leercyclus van Kolb verdeeld in kwadranten volgens de vier leerstijlen. (Hoogstraat 2007)

52 4.5 Eigenschappen van leerstijlen Divergeerders of dromers Dromers vormen een combinatie van concrete ervaringen en reflectief observeren. Ze hebben een groot voorstellingsvermogen en zien verschillende invalshoeken. Ook zoeken ze naar persoonlijke betekenisgeving. Dromers zijn goed in het toe-eigenen van nieuwe ervaringen en het genereren van nieuwe ideeën. Interesse en sensitiviteit voor persoonlijke en intermenselijke aspecten gaan vaak samen met deze leerstijl. Het zijn vaak creatieve mensen, die ook ruimte nodig hebben voor het creëren van ideeën. (Kallenberg & van der Grijspaarde 2003) Centraal staan: emotie, verbeelding, voorstellingsvermogen, persoonlijke betekenisgeving, fantasie, observeren en het genereren van nieuwe ideeën. Gericht op: waarneming Leren het beste via: Onderzoek en analyse Interactie Brainstormen Centrale vraag: Waarom wel of niet? De optimale leeromgeving: Expressie, sfeer Persoonlijke feedback en reflectie op ervaring Leren door inleving Begeleidend materiaal: Materiaal geeft antwoord op de vraag: Waarom wel of niet? Sfeer, vorm en kleur is van belang: het materiaal moet er sfeervol en aantrekkelijk uitzien. Aanbieden van persoonlijke verhalen die de interesse en sensitiviteit ten opzichte van persoonlijke en intermenselijke aspecten voeden. Aanbieden van subjectieve benadering, bijvoorbeeld door persoonlijke verhalen of poëtische en/of fantasierijke teksten. Aanbieden van diverse bronnen: tekst, voorwerpen, foto s, beeld, film, kranten, dagboekfragmenten, etc. Aanbieden van verschillende invalshoeken: visies en meningen van verschillende mensen. De stimulus is gericht op ervaren: iets bekijken, voelen, horen, etc en is poëtisch en fantasievol van aard.

53 4.5 Eigenschappen van leerstijlen Assimilators of denkers Denkers vormen een combinatie van reflectief observeren en abstracte begripsvorming. De kracht van de denker ligt in zijn analytische vermogen. Hij is gericht op informatie, feiten en begrippen die nodig zijn om een onderwerp conceptueel te begrijpen. Daarbij zoekend naar logische samenhang en een intellectuele uitdaging. Interesse is er vooral voor de schoonheid en volledigheid van de modellen zelf, ten koste van eventuele interesse in mensen of in praktische zaken. (Kallenberg & van der Grijspaarde 2003) Centraal staan: belangrijk is dat de denker intellectueel wordt uitgedaagd; het analyseren van ingewikkelde situaties en het veralgemeniseren ervan moet de rode draad vormen. Feiten, begrippen en informatie zijn daarbij van groot belang. Gericht op: herinnering en denken Leren het beste via: Concepten en modellen Intellectuele uitdaging Analyseren van gegevens Centrale vraag: Wat is het? De optimale leeromgeving: Verzamelen van informatie Observeren en schrijven Mening van de expert Leren door onderzoek Begeleidend materiaal: Materiaal geeft antwoord op de vraag: wat is het? Structuur en context zijn belangrijk: materiaal moet dan ook een duidelijke opbouw hebben. Aanbieden van informatie, feiten en begrippen waarmee de denker het onderwerp conceptueel kan begrijpen. Biedt de informatie aan in een bredere context (plaats, tijd, etc). De stimulus zit vooral in overzichtelijke achtergrondinformatie: gestructureerd en in een bredere context geplaatst.

54 4.5 Eigenschappen van leerstijlen Convergeerders of beslissers Beslissers richten zich op de vertaling van de theorie in de praktijk en ze vormen een combinatie van abstracte begripsvorming en actief experimenteren. Hun kwaliteit is probleemoplossend denken, beslissingen nemen, routes uitstippelen en praktische vertalingen maken van ideeën met aandacht voor efficiëntie, zakelijkheid en technische aspecten. Geconcentreerde aandacht en het lef om nieuwe wegen in te slaan, gaan vaak samen met deze leerstijl. (Kallenberg & van der Grijspaarde 2003) Centraal staan: van belang bij de beslisser is dat de opgedane kennis praktisch, geldig en toepasbaar moet zijn. Stimuleer het probleemoplossend denken en uitproberen van een theorie in de praktijk. Gericht op: plannen en doen Leren het beste via: Uitproberen van methodes Praktische zaken Modellen Centrale vraag: Hoe werkt het? De optimale leeromgeving: Basiskennis, model Eén juist antwoord Docentgestuurd Leren door info Begeleidend materiaal: Materiaal geeft antwoord op de vraag: hoe werkt het? Van belang is ordening, efficiëntie en functionaliteit. Het materiaal moet dan ook een degelijke basis bieden en bestaan uit een stappenplan, plaatjes, schema s en teksten die direct gebruikt kunnen worden binnen de opdrachten. Aanbieden van schema s en modellen om de praktische vertaling en bruikbaarheid van de informatie te versterken. Aangeboden feiten en objectieve informatie (geen meningen) dient zich reeds bewezen te hebben. De stimulus bestaat uit informatie en technieken waarmee de leerling op een praktische en efficiënte wijze aan de slag kan, denk aan afstreeplijsten en checklisten.

55 4.5 Eigenschappen van leerstijlen Accomodators of doeners Doeners vormen een combinatie van actief experimenteren en concreet ervaren. Ze zijn sterk gericht op het ondergaan van nieuwe ervaringen op actieve en intuïtieve wijze, waarbij kansen worden gezocht en risico s genomen. Hun talent schuilt in het realiseren van plannen en opdrachten. Interesse is bij de doener vaak intuïtief en impliciet, gericht op actie, invloed, meesterschap en nieuwe ervaringen. (Kallenberg & van der Grijspaarde 2003) Centraal staan: Belangrijk binnen het leerproces is een afwisseling in werkvormen: concrete actie, spanning, crisis, competitie en in beweging blijven. Alles draait om nieuwe ervaringen. Gericht op: voelen Leren het beste via: Doen en experimenteren Risico s en acties Nieuwe ervaringen Centrale vraag: Wat zou er gebeuren als? De optimale leeromgeving: Toepassen van kennis Vaardigheden Levensechte cases Leren door doen Begeleidend materiaal: Laat de leerlingen in het materiaal spelen en speculeren rondom de vraag: gebeuren als? wat zou er Afwisseling is van belang. Het materiaal moet dan ook voorzien zijn van spectaculaire informatie, veel beelden, korte en bondige teksten en directe opdrachten - opdat de leerlingen snel aan de slag kunnen. De aangeboden informatie moet essentieel zijn en slaan op de dagdagelijkse praktijk, die levensecht wordt voorgesteld. Aanbieden van opdrachten zodat het leerproces begint met instructie en doen. Informatie aanbieden via beeld, geluid, film geniet de voorkeur boven tekst.

56 4.5 Eigenschappen van leerstijlen 46 Aanbieden van informatie via een persoon (in gesprek met/luisteren naar): medeleerling, docent, audio, video of een rondleiding. Aanbieden van nieuwe ervaringen: excursie, interviews, museum met veel activiteiten. De stimulus is levendig, sensationeel, actief en liefst met bewegend beeld. In figuur 4.4 wordt samenvattend een overzicht gegeven van alle leerstijlen en hun eigenschappen. In de volgende sectie zullen we nagaan in welke mate de applicatie inspeelt op de noden van deze vier leerstijlen. Figuur 4.4: Samenvatting eigenschappen leerstijlen van Kolb. (Hoogstraat 2007)

57 4.6 en leerstijlen en leerstijlen De applicatie tracht zoveel mogelijk deze leerstijlen te volgen in haar presentatie van informatie, als ook in de opzet van het museum als leeromgeving. We zullen in deze sectie controleren in welke mate een aan de typische eigenschappen van de leerstijlen en hun leeromgeving tegemoet komt Dromer Sfeer, vorm en kleur is van belang: het materiaal moet er sfeervol en aantrekkelijk uitzien. Het doel van het project bestaat erin een framework te leveren aan musea waarmee ze gemakkelijk en vlug nieuwe educatieve spelen kunnen genereren, gebaseerd op het thema van het museum en dit met behulp van een intelligente maquette die hierin centraal staat. Inkleding van het museum, conform aan het thema, speelt dan ook een belangrijke rol in het leerproces van de dromer en maakt het museum tot zijn ideale leeromgeving. De dromer moet een gevoel krijgen van immersie in de thematische wereld die het museum tracht te scheppen, waarin hij zijn fantasie en voorstellingsvermogen de vrije loop kan laten. We gaan hier niet dieper in op de inkleding van de museumomgeving, omdat dit een studie op zich vormt. Wel lichten we één element toe dat impliciet gekoppeld wordt aan de applicatie en dus een centraal gegeven vormt in het museum als leeromgeving, namelijk de intelligente maquette. De dromer zal in de applicatie moeten interageren met een intelligente 3D realistische maquette waarin (bekende) figuren opgesteld werden. Deze figuren moeten qua vormgeving en kleuren zo realistisch mogelijk zijn. Ze moeten bijdragen tot een onderdompeling van de dromer in het thema van het museum. Een sfeervolle en realistische maquette samen met een museumomgeving conform ingekleed aan het thema, vormen twee essentiële elementen om te komen tot een optimale leeromgeving voor de dromer. Aanbieden van persoonlijke verhalen die de interesse en sensitiviteit ten opzichte van persoonlijke en intermenselijke aspecten voeden. De personages in de maquette worden voorgesteld als levende entiteiten. Ze leven in de wereld die het museum als thema voorstelt, ze hebben hun eigen verhaal, hun eigen gevoelens en hun eigen problemen. Wanneer de dromer met zijn PDA een personage scant en er mee begint te praten, is het de bedoeling dat hij het gevoel krijgt alsof hij echt een conversatie voert met het personage. Het is dan ook van belang dat deze conversatie zo realistisch mogelijk beleefd kan worden. Door een gebrek aan kunde in grafische modelleringsomgevingen (bijvoorbeeld Flash) is de realistische weergave van de conversaties in de implementatie van de applicatie eerder beperkt. Het spreekt voor zich dat een bewegend figuurtje, dat effectief de lippen beweegt wanneer er gesproken wordt, de beleving van het kind alleen maar vergroten kan. Momenteel kan de dialoog in audio of in tekstuele vorm gebracht worden aan het kind. De toevoeging van audio kan alleen maar een positieve bijdrage betekenen tot de immersie van de dromer in de gecreëerde thematische wereld. Wat ook belangrijk is bij dromers is het persoonlijke en intermenselijke aspect. In de applicatie heeft elk personage een eigen verhaal waarin een persoonlijk probleem gesteld wordt. De dromer zal

58 4.6 en leerstijlen 48 gevraagd worden dit probleem op te lossen. Nu net omdat de dromer alle ingrediënten krijgt om te geloven dat het personage echt is en daadwerkelijk bestaat, zal hij het personage als een vriend beschouwen, wat het persoonlijke en intermenselijke aspect voedt. De dromer kan volledig wegdromen in de verhaallijn van het personage dat hij zelf kiest en ondergedompeld worden in de fantasierijke wereld van zijn eigen verbeelding. Aanbieden van subjectieve benadering, bijvoorbeeld door persoonlijke verhalen of poëtische en/of fantasierijke teksten. Ook deze voorwaarde is voldaan en de verklaring hiervoor is analoog aan de verklaring van de vorige voorwaarde. Er worden persoonlijke verhalen aangereikt aan de dromer, van allerlei verschillende personages die hij zelf ontdekken kan. Dit zorgt voor een subjectieve benadering, die de dromer alleen maar verder zal stimuleren in zijn leerproces. Aanbieden van diverse bronnen: tekst, voorwerpen, foto s, beeld, film, kranten, dagboekfragmenten.... De stimulus is gericht op ervaren: iets bekijken, voelen, horen, etc en is poëtisch en fantasievol van aard. Dromers zijn vooral gericht op waarneming. Het stimuleren van verschillende zintuigen is bij hen dan ook enorm belangrijk. Dit kan onder andere gedaan worden door het presenteren van foto s, beelden, films... Momenteel is het in het framework enkel mogelijk om aan voorwerpen tekstuele en audio informatie te koppelen samen met een foto van het voorwerp. Om deze voorwaarde nog meer in te willigen zouden ook filmpjes omtrent bijvoorbeeld het gebruik van het voorwerp opgenomen kunnen worden in het framework. Een stimulatie van zoveel mogelijk zintuigen is dus van essentieel belang in het doen slagen van het leerproces van een dromer. Ook de presentatie van de voorwerpen in het museum speelt hierbij een rol. Momenteel gaan we uit van een opstelling waarbij voorwerpen niet aangeraakt of verplaatst mogen worden en waarbij dit enkel mogelijk is door het voorwerp in te scannen en digitaal te transporteren. Bij het voorwerp dient de dromer als opdracht een vraag te beantwoorden op basis van een beschrijvende tekst. Hierbij neemt de ervaring van het kijken de bovenhand. Uiteraard zijn andere benaderingen ook mogelijk. Een echte opgraving van een (valse) prehistorische munt zou bijvoorbeeld een positieve bijdrage kunnen leveren aan de ervaring van het voelen. Het is ook hier weer dat nieuwe technologieën hun nut zullen bewijzen. Een afwisseling van verschillende soorten ervaringen bij de presentatie van de voorwerpen zal een sleutel vormen tot een succesvol leerproces van de dromer Denker Structuur en context zijn belangrijk: materiaal moet dan ook een duidelijke opbouw hebben. Aanbieden van informatie, feiten en begrippen waarmee de denker het onderwerp conceptueel kan begrijpen. Bied de informatie aan in een bredere context (plaats, tijd... ). De getoonde voorwerpen in het museum worden door middel van conversaties met de per-

59 4.6 en leerstijlen 49 sonages rechtstreeks gekoppeld aan een bredere context van plaats, tijd en gebruik. Doordat Getafix de druïde bijvoorbeeld vraagt achter een sikkel om kruiden te wieden voor Obelix, worden er verschillende vormen van contextuele informatie indirect overgebracht. De denker weet nu immers, door op zoek te gaan naar deze sikkel, hoe de sikkel eruit ziet, dat een sikkel gebruikt werd in de tijd van de Galliërs, dat het hoofdzakelijk druïdes waren die er gebruik van maakten en dan wel om kruiden te wieden. Bovendien kunnen verschillende voorwerpen gekoppeld worden aan één personage. Dit creëert een zekere context die de denker nodig heeft om een conceptueel begrip te krijgen van het getoonde voorwerp. Bij het scannen van een voorwerp zal altijd het voorwerp digitaal afgebeeld worden op de PDA, met daaronder een beschrijvende tekst. Om een voorwerp mee te nemen, dient de denker een vraag over het voorwerp te beantwoorden. Het correcte antwoord is steeds terug te vinden in de beschrijvende tekst. De denker zal nu zelf op (onder)zoek moeten gaan naar het juiste antwoord in de tekst. Dit idee van onderzoeken komt overeen met het profiel van de denker Beslisser Van belang is ordening, efficiëntie en functionaliteit. Het materiaal moet dan ook een degelijke basis bieden en bestaat uit een stappenplan, plaatjes, schema s en teksten die direct gebruikt kunnen worden binnen de opdrachten. Ook de beslisser vindt zijn weg in het Muse@Life framework. Een beslisser leert hoofdzakelijk door informatie. Het materiaal moet dan ook direct gebruikt kunnen worden binnen de opdrachten. Tijdens het spelen van het Muse@Life spel dient de beslisser verscheidene opdrachten uit te voeren. Zo dient hij op zoek te gaan naar het voorwerp waar het personage hem zonet achter vroeg. Belangrijk hierbij is dat hij voldoende voorzien wordt van informatie over dit voorwerp. Er wordt hem hiertoe een afbeelding van het voorwerp en de locatie van het voorwerp getoond. Bij het beantwoorden van de vraag over het voorwerp zal de beslisser geassisteerd worden door een beschrijvende tekst die direct toegepast kan worden op de gestelde opdracht - namelijk het beantwoorden van de vraag. Ook belangrijk is dat er altijd maar één correct antwoord mogelijk is. Ordening is voor een beslisser ook van groot belang. Het feit dat de beschrijvende tekst en de afbeelding van het voorwerp altijd op dezelfde wijze getoond worden leveren hierbij een positieve bijdrage. Aangeboden feiten en objectieve informatie (geen meningen) dient zich reeds bewezen te hebben. De informatie over de voorwerpen in de beschrijvende tekst is uiteraard objectief en historisch correct. De stimulus bestaat uit informatie en techniek waarmee de leerling op een praktische en efficiente wijze aan de slag kan, denk aan afstreeplijsten en checklisten. Bij elke opdracht die de beslisser dient uit te voeren, krijgt hij een todo-lijst van alle acties die hij sequentieel dient uit te voeren om te komen tot een succesvol slagen in de opdracht.

60 4.6 en leerstijlen Doener Afwisseling is van belang. Het materiaal moet dan ook voorzien zijn van spectaculaire informatie, veel beelden, korte en bondige teksten en directe opdrachten - opdat de leerlingen snel aan de slag kunnen. Informatie aanbieden via beeld, geluid, film geniet de voorkeur boven tekst. De informatie over de getoonde voorwerpen wordt nu enkel gegeven in audio en/of tekstueel formaat. Ook wordt altijd maar één beeld van elk voorwerp getoond. Er is weinig afwisseling in de presentatie van informatie in die zin dat film, geluidsfragmenten... niet opgenomen zijn in het Muse@Life framework. Hierdoor schieten we op dit punt tekort voor het leerprofiel van de doener. Wel zijn de opdrachten duidelijk en direct. De opdrachten worden telkens gesteld met één duidelijk doel - Zoek een voorwerp, zoek het correcte antwoord - waardoor ze direct toepasbaar zijn. Een afwisseling in de presentatie van informatie over de getoonde voorwerpen hoeft daarom niet altijd te komen vanwege de PDA. Een opstelling van het voorwerp, waarbij actief experimenteren mogelijk wordt, vormt een ideale opdracht voor de doener en hoeft niet onmiddellijk een inbreng van de PDA te hebben. Deze vorm van actief experimenteren is dan ook vaak specifiek voor het getoonde voorwerp, waardoor het niet algemeen in het framework opgenomen werd. De aangeboden informatie moet essentieel zijn en slaan op de dagdagelijkse praktijk, die levensecht wordt voorgesteld. De verwezenlijking van deze voorwaarde is sterk gebonden aan het voorwerp dat getoond wordt. Zo kan men bijvoorbeeld in een filmpje tonen hoe de sikkel gebruikt werd, wat het handvat is, welke de scherpe en de botte zijde is... Aanbieden van informatie via een persoon (in gesprek met/luisteren naar): medeleerling, docent, audio, video of een rondleiding. Bij het scannen van een voorwerp is het mogelijk de beschrijvende informatie te laten vertellen door een persoon met behulp van audio dat vooraf opgenomen werd Conclusie We mogen dus stellen dat het Muse@Life framework voldoende elementen bevat ter stimulatie van de vier leerstijlen. Dit is essentieel wanneer we willen dat de bezoekers gestimuleerd worden in hun leerproces.

61 - FRAMEWORK 51 Hoofdstuk 5 Muse@Life - Framework 5.1 Inleiding De opdracht van deze thesis bestond uit het ontwikkelen van een educatief spel voor kinderen dat gebruik maakt van RFID-technologie om toegang te krijgen tot artefacten die tentoongesteld worden in een museum en waarbij het leerproces van het kind centraal staat. Hierbij werden enkele specifieke doelstellingen gedefinieerd: Distillatie van informatie makkelijker en leuker maken voor kinderen door onderdompeling in een virtuele leefwereld. Het museum tot leven brengen door (vertrouwde en fantasierijke) figuren (karakters) te laten communiceren met het kind. Inspelen op de wijzigende thema s en opstellingen van ruimtes in een museum. Maquettes kunnen wijzigen naargelang het thema van het museum wijzigt. Bovendien kunnen ook meerdere thema s gelijktijdig behandeld worden in een museum, door verschillende maquettes te koppelen aan elk van deze thema s. Bezoekers kunnen dan zelf beslissen welke maquette ze het meest interessant vinden. Een verrijking teweeg brengen in het leerproces van het kind. Het principe van spelend leren staat hierbij centraal Deze doelstellingen hebben geleid tot de ontwikkeling van het Muse@Life framework. Dit framework kan beschouwd worden als een soort template dat het museum in staat stelt vlug en gemakkelijk een educatief Muse@Life-spel te ontwikkelen dat gebaseerd is op het huidige thema van het museum. Indien meerdere thema s in de tentoonstelling aanwezig zijn, kunnen ook meerdere Muse@Life-spelen ontwikkeld worden, elk gebaseerd op een eigen thema. Ook is het belangrijk op te merken dat aan elk Muse@Life-spel een intelligente maquette gekoppeld wordt. Dit is conform aan de eilandopstellingen zoals voorgesteld in 4.3. Door een gebrek aan kennis van grafische talen en modelleringsomgevingen (bijvoorbeeld Flash) werd het ontwerp van de user interface voor het framework simpel gehouden. Het betreft hier dan ook een prototype. Het framework werd ontwikkeld in C# voor het platform Windows Mobile 5.0 Pocket PC Device dat over het.net 2.0 Compact Framework beschikt. Voor het gebruik van de SocketCommunications RFID-reader (zie

62 5.1 Inleiding 52 figuur 2.11 in 2.5) werd gebruik gemaakt van de SocketCommunications library. De opeenvolging van acties die typerend uitgevoerd worden in een wordt getoond in figuur 5.1. Figuur 5.1: Gameplay van een

63 5.2 Doel van het spel Doel van het spel Het doel van elk bestaat erin zoveel mogelijk sterren en punten te verzamelen. Wanneer het spel met een groep gespeeld wordt (schoolgroep, jeugdvereniging... ) kan de score van ieder kind apart vergeleken worden en het kind met de hoogste score wint dan het spel. Een ster kan verdiend worden bij elk figuurtje doordat het kind slaagt in de gegeven opdracht. Ook kan het kind punten verdienen bij het beantwoorden van de vragen die bij de te halen voorwerpen horen. Bij het beantwoorden van de meerkeuzevragen bestaat er altijd maar één correct antwoord. Zulk een meerkeuzevraag kan maximaal vier en minimaal twee antwoordopties bevatten. De speler krijgt evenveel kansen om te antwoorden als er antwoordopties zijn. Dit betekent dan ook dat de speler uiteindelijk altijd wel het correcte antwoord zal vinden. Om de educatieve waarde van het spel te bewaren, is het van essentieel belang dat er vragen gesteld worden over de voorwerpen. Zoniet, zouden kinderen de voorwerpen haastig verzamelen om zo vlug mogelijk een ster te bemachtigen en zouden ze niet langer geïnteresseerd zijn in de beschrijvende tekst die bij het voorwerp hoort. Zonder vragen over het voorwerp heeft de beschrijvende tekst dan ook geen enkel nut en dreigt het principe van al spelend leren verloren te gaan. Daarom werden twee maatregelen doorgevoerd in het design ervan: Bij het beantwoorden van een meerkeuzevraag wordt gokken afgestraft. Elk foutief antwoord zorgt voor een vermindering van het aantal punten dat het kind verdienen kan bij het beantwoorden van de vraag. Het is dus beter de beschrijvende tekst zorgvuldig te lezen om een correct antwoord te vinden dan wel om haastig alle antwoordopties af te lopen tot het correcte antwoord toevallig gevonden wordt. De puntenverdeling werd zodanig opgesteld dat een ster minder punten waard is dan het correct beantwoorden van een vraag. Het levert het kind dus meer punten op om de vragen correct te beantwoorden, dan wel om op korte tijd zoveel mogelijk sterren te verzamelen. 5.3 Creatie van een spel Bij de creatie van een Muse@Life-spel met behulp van het Muse@Life framework dient men twee acties uit te voeren. Eerst dient men de intelligente maquette te ontwikkelen. Omdat de intelligentie van deze maquette schuilt in het gebruik van RFID-technologie, dient men rekening te houden met de materialen die hierin gebruikt worden. Hier werd dan ook onderzoek naar verricht en de resultaten zijn terug te vinden in 5.4. Vervolgens dient men het framework zodanig in te vullen dat het complementair werkt met de maquette. Op deze manier dragen beide elementen als één geheel bij tot het thema van het museum. In dit hoofdstuk zullen de technische details van het framework belicht worden op basis van de generische gameplay zoals getoond in figuur 5.1.

64 5.4 Intelligente Maquette Intelligente Maquette Een eerste stap in de vorming van een bestaat uit de creatie van een intelligente maquette. Omdat de intelligentie van deze maquette schuilt in het gebruik van RFID-technologie, dient men rekening te houden met de materialen die hierin gebruikt worden. Om de technologie onzichtbaar te maken voor de bezoeker, dient men de tags te verwerken in het ontwerp van de maquette. Uiteraard mogen de gebruikte materialen dan ook geen negatieve invloed hebben op de werking van de technologie. Binnen het project werd onderzoek verricht naar de invloed van materialen die typerend door architecten gebruikt worden bij het ontwerpen van bouwmodellen in maquetteformaat. De RFID-componenten in dit onderzoek bestonden uit een HF MHz passieve RFID-tag (ISO15693) (Identity 2006) en een CF RFID reader Card van SocketCommunications (SocketCommunications 2007) bevestigd op een PDA-toestel. De resultaten van dit onderzoek zullen hier besproken worden. Een succesvolle lezing van een RFID-tag is afhankelijk van twee factoren: 1. De afstand δ tussen de reader en de tag. 2. De hoek σ tussen de reader en de tag. We wensten door het onderzoek een begrip te krijgen van de invloed van bepaalde materialen op de lezing van een tag. De testen dienden daarom zodanig opgesteld te worden dat de invloed van bovenstaande factoren herleid werd tot een minimum. Er werd daarom gekozen voor een opstelling zoals getoond in figuur 5.2 waarbij de hoek σ constant gehouden werd op π 2 radialen en waarbij de maximale leesafstand δ als metriek voor de testen dient. De maximale leesafstand kan gedefinieerd worden als die afstand waarbij nog net een succesvolle lezing mogelijk is. Figuur 5.2: Opstelling voor het uitvoeren van testen betreffende de invloed van materialen op de lezing van een passieve MHz RFID-tag. Merk op dat de reader loodrecht geplaatst werd t.o.v. het tafelblad (constante hoek van π 2 radialen). De meetlat duidt de maximale leesafstand aan.

65 5.4 Intelligente Maquette 55 Bij de test van elk materiaal werd systematisch de leesafstand vergroot tot een maximale leesafstand bekomen werd. Deze waarden werden vergeleken met de maximale leesafstand van een zuivere tag, dit is een tag zonder enige vorm van draagmateriaal. Voor het meten van deze afstand werd een tag bevestigd op een visdraad van 1mm dikte om de invloed van dit materiaal zo minimaal mogelijk te houden. Zo werd een maximale leesafstand gemeten van 6 centimeter bij een zuivere tag. De resultaten van alle metingen worden getoond in figuur 5.3. Figuur 5.3: Resultaten van de metingen voor typerende maquette materialen. Afbeeldingen van de materialen en de testen zelf zijn terug te vinden in figuur 5.4, figuur 5.5 en figuur 5.6. Uit figuur 5.3 kan besloten worden dat de typische maquette materialen weinig tot geen invloed hebben op de lezing van de gebruikte passieve 13.56MHz RFID-tag. Deze materialen worden dan ook best gebruikt bij het ontwerpen van de maquette. Er is één materiaal dat een uitgesproken negatieve invloed heeft op de lezing van de tags en dat dus ook best vermeden wordt bij de creatie van de maquette en dat is aluminiumfolie. Een voorbeeld van een intelligente maquette wordt getoond in figuur 5.7. In deze maquette werden RFID-tags verborgen in het materiaal rondom en op de figuren waardoor identificatie van de figuren mogelijk werd. In het framework werd dan ook een mogelijkheid voorzien om gemakkelijk meerdere tags te koppelen aan de identificatie van één figuur. Belangrijk op te merken is dat de oriëntatie bij de plaatsing van de tags een belangrijke rol speelt. Uit hoofdstuk 2 bleek reeds uit de communicatieschema s van passieve tags, dat de velden van de reader en de tag, loodrecht op elkaar moesten staan om een succesvolle lezing mogelijk te maken. In het geval van de SocketCommunications RFID-reader betekent dit dat de reader evenwijdig moet zijn met de passieve tag.

66 5.4 Intelligente Maquette 56 Figuur 5.4: Tag verborgen in kappamateriaal (linksboven) - Karton van kappa vóór verborgen tag (rechtsboven) - Karton van kappa achter verborgen tag (onder) Figuur 5.5: Tag verborgen achter balsahout van 1mm (links) - Tag verborgen achter balsahout van 2mm (rechts)

67 5.4 Intelligente Maquette 57 Figuur 5.6: Tag verborgen achter karton van 3mm dik (boven) - Tag verborgen achter papier van 1mm dik (midden) - Tag verborgen achter plasticfolie van 1mm dik (onder)

68 5.5 Invulling van het framework 58 Figuur 5.7: Prototype van een Galliërsdorp maquette. 5.5 Invulling van het framework De invulling van het framework gebeurt volledig op basis van het thema dat het museum beoogt. Door gebruik te maken van externe XML-gebaseerde configuratiebestanden, afbeeldingen en audiobestanden kan het framework gemakkelijk aangepast worden tot vorming van een concreet We verklaren eerst de XML-gebaseerde configuratiebestanden. Vervolgens wordt het formaat besproken waarin de afbeeldingen en audiobestanden opgeslagen moeten worden. Tot slot worden nog de verantwoordelijkheden en de taken van de voornaamste componenten binnen het framework besproken en lichten we de belangrijkste beslissingen toe die genomen werden in het design van het framework Configuratiebestanden In de map Config worden drie configuratiebestanden opgeslagen: 1. stories.xml: bevat alle verhalen en dialogen van de figuren uit de maquette. Elke figuur kan over meerdere verhalen beschikken en op basis van het antwoord van de bezoeker worden overeenkomstige dialogen gedefinieerd. Artefacten in het museum kunnen aan één of meer figuren gekoppeld worden. 2. artefacts.xml: bevat informatie en een beschrijving van de artefacten tentoongesteld in het museum. 3. artefactquestions.xml: bevat de vragen die horen bij de artefacten tentoongesteld in het museum.

69 5.5 Invulling van het framework 59 stories.xml Dit XML-bestand bevat alle verhalen en dialogen van de figuren uit de maquette en het bestaat uit de volgende belangrijke elementen: <character>: in dit element worden alle dialogen gedefinieerd die bij één bepaald karakter/figuur horen. Bij dit element dienen ook de volgende attributen gedefinieerd te worden: ID: zoals gesteld in 2.3 bezit elke RFID-tag een unieke ID. Hierdoor kan de RFIDtag onderscheiden worden van andere tags. De waarde van dit attribuut komt dan ook overeen met de unieke ID van de RFID-tag die het karakter in de maquette identificeert. Deze waarde wordt intern in het framework gebruikt om het karakter aan te duiden. name: dit is de naam van het karakter en wordt gebruikt in de communicatie naar de kinderen. <additionalids>: voor de identificatie van een karakter kunnen meerdere tags gebruikt worden. Dit om te garanderen dat een karakter op de maquette altijd succesvol gescand kan worden. In de concrete uitwerking van een maquette uit hoofdstuk 6 worden bijvoorbeeld in totaal zes tags gebruikt ter identificatie van één karakter. De ID-waarden gedefinieerd binnen dit element dienen slechts als aliassen voor de ID-waarde die gedefinieerd wordt in het ID-attribuut van het character-element. Deze laatste wordt de primaire ID-waarde genoemd en deze wordt intern door het framework gebruikt. Onmiddellijk na het inlezen van een tag wordt de ID-waarde dan ook vertaald naar de overeenkomstige primaire ID-waarde. <objects>: aan elk karakter kunnen één of meer artefacten gekoppeld worden die tentoongesteld worden in het museum. De objecten gedefinieerd binnen dit element komen minstens één keer voor in de verhalen van het karakter en worden gedefinieerd op basis van een unieke RFID-waarde en een naam. In tegenstelling tot karakters kunnen de artefacten in het framework slechts met één tag geïdentificeerd worden. In de definitie van de dialogen van het karakter mag niet de naam van het artefact gebruikt worden, maar wel de RFID-waarde. Dit om de herbruikbaarheid van RFID-tags te bevorderen. <story>: in het framework komt dit element overeen met één dialoog waarin een probleemstelling van het karakter geformuleerd wordt. Omdat een karakter meerdere problemen kan hebben kan het character-element ook meer dan één story-element bevatten. Dit element bestaat verder nog uit de volgende subelementen: <initial>: dit is de dialoog die gestart wordt wanneer het kind voor de eerste keer het karakter scant. Hierin wordt typerend het probleem gesteld en gevraagd of het kind wilt helpen. <alternative>: dit element bevat alle alternatieve dialogen die gevoerd worden nadat het kind voor de eerste keer een conversatie had met het karakter. Deze conversaties worden aangeduid met het altconv-element en zijn afhankelijk van eerdere keuzes van het kind. Zo kan het activeaction-attribuut de volgende waarden aannemen: Waarde 0: het kind weigerde eerder het karakter te helpen. Het kind wordt dan typerend gevraagd of hij nu wel wilt helpen. Waarde 1: het kind ging in op de vraag om het karakter te helpen. Het kind wordt gevraagd om de gevonden artefacten te overhandigen.

70 5.5 Invulling van het framework 60 Waarde -1: het kind werd niet gevraagd om een probleem op te lossen bij de eerste conversatie. Hier begroet het karakter het kind en gaat verder met zijn activiteiten. In dit geval spreken we van een passief karakter. <actions>: in dit element worden alle dialogen gedefinieerd overeenkomstig met de acties die het kind eerder koos. <objectstofetch>: dit element bevat alle artefacten die verzameld moeten worden om het gestelde probleem op te lossen. <finalstory>: in dit element wordt de dialoog gedefinieerd die het karakter start met het kind, nadat alle opdrachten bij het karakter uitgevoerd werden. artefacts.xml Dit XML-bestand bevat informatie en een beschrijving van de artefacten tentoongesteld in het museum en het bestaat uit de volgende belangrijke elementen: <artefact>: dit element bevat de beschrijving van een artefact en het beschikt over de volgende attributen: RFID: dit attribuut bevat de unieke ID-waarde van de RFID-tag die het betreffende artefact identificeert. Deze waarde wordt intern in het framework gebruikt om het artefact aan te duiden. name: dit attribuut geeft de naam van het betreffende artefact en wordt gebruikt in de communicatie naar de kinderen. location: geeft de locatie van het artefact in het museum. sound: duidt het audiobestand aan dat de beschrijving van het artefact in audioformaat bevat. Dit audiobestand dient dan uiteraard wel aanwezig te zijn in de Sounds map van het framework. artefactquestions.xml Dit XML-bestand bevat de vragen die horen bij de artefacten tentoongesteld in het museum en het bestaat uit de volgende belangrijke elementen: <artefact>: dit element bevat de meerkeuzevraag die bij het betreffende artefact hoort. Om aan te duiden over welk artefact het precies gaat, dient als waarde voor het RFIDattribuut de waarde van de unieke ID van de RFID-tag van het artefact gegeven te worden. Dit element bevat de volgende subelementen: <question>: bevat de vraag over het artefact, samen met het ID van de correcte antwoordoptie. Deze ID wordt opgeslagen in het correctanswerid-attribuut. <answer>: bevat een mogelijk antwoord op de vraag. Het wordt geïdentificeerd door een ID-attribuut, dat tevens gebruikt wordt voor de aanduiding van het antwoord tijdens het spel.

71 5.5 Invulling van het framework Mappenstructuur Het framework kan verder concreet ingevuld worden door bestanden toe te voegen aan de mappen van het framework. Elke map komt overeen met een bepaald type van bestanden: Config: bevat alle configuratiebestanden. Images: bevat alle afbeeldingen van de elementen die voorkomen in het spel. Het bevat de volgende drie submappen: Artefacts: bevat alle afbeeldingen van de artefacten gebruikt in het spel. Deze afbeeldingen dienen een hoogte en een breedte te hebben van 152 pixels en dienen geëncodeerd te zijn in het GIF-formaat. De naam van het bestand dient overeen te komen met de unieke ID van de RFID-tag die het artefact identificeert. Characters: bevat alle afbeeldingen van de karakters/figuren die voorkomen in de maquette. Deze afbeeldingen dienen aan dezelfde voorwaarden te voldoen als de afbeeldingen van de artefacten. Voor de naam wordt gebruik gemaakt van de primaire ID-waarde zoals eerder gedefinieerd. Enemies: bevat alle afbeeldingen van vijandige figuren in het spel. Zij dienen te voldoen aan dezelfde voorwaarden als de afbeeldingen van de artefacten en de figuren, hoewel voor de naam geen RFID-waarde gebruikt wordt. Wel dient de naam te beginnen met enemy en te eindigen op een cijfer van één tot vijf. Er dienen altijd vijf vijandige figuren gedefinieerd te worden. Het bestand notknown.gif wordt gebruikt wanneer een artefact of karakter gescand wordt waarvan geen afbeelding in de daarvoor voorziene map gevonden werd. Sounds: bevat alle audiobestanden van dialogen van figuren en beschrijvingen van artefacten. De naam van het bestand gebruikt in deze map dient steeds overeen te komen met de naam gebruikt in de XML-gebaseerde configuratiebestanden Architectuur In bijlage B werd het klassendiagram van het Muse@Life framework opgenomen. We bespreken hier de voornaamste componenten en duiden hun rol aan in de architectuur. Ook zal besproken worden welke componenten betrokken zijn bij de lezing van een RFID-tag. Belangrijke componenten Bij de ontwikkeling van het framework was het belangrijk zo generiek mogelijk te blijven in het design, zodat het museum gemakkelijk en flexibel het framework kan aanpassen aan wijzigende of variërende thema s. Het opslaan van spelgegevens in externe configuratiebestanden vormt reeds een eerste concretisering van dit genericiteitsprincipe. Ook binnen het framework komt dit principe tot uiting. We bespreken hiertoe de belangrijkste klassen uit de architectuur: RFIDTaggedObject: deze abstracte klasse vormt de basisklasse voor elke klasse die een real-life voorwerp voorstelt dat voorzien kan worden van een RFID-tag. Er wordt informatie in opgeslagen die aan elk van dit soort objecten gekoppeld kan worden in de context van het

72 5.5 Invulling van het framework 62 Figuur 5.8: RFIDTaggedObject - Abstracte klasse voor elke interne voorstelling van een voorwerp dat voorzien kan worden van een RFID-tag. Muse@Life-spel. De klassen Character en Artefact zijn beide afgeleid van deze klasse, zoals getoond in figuur 5.8. De Character klasse vormt de interne voorstelling van een figuurtje in de maquette dat voorzien is van één of meerdere RFID-tags. De Artefact klasse daarentegen vormt de interne voorstelling van een voorwerp dat getoond wordt in het museum en ook voorzien werd van een RFID-tag. Deze klassen voegen zelf nog informatie en operaties toe, afhankelijk van het soort voorwerp dat ze definiëren. Door deze aanpak kan gebruik gemaakt worden van polymorfisme en kunnen gemakkelijk nieuwe voorwerpen toegevoegd worden aan het framework. Dit komt overeen met het genericiteitsprincipe zoals eerder gesteld. Character: wordt extern gedefinieerd als een personage met eigen gevoelens, eigen verhalen en dus ook een eigen geheugen. Daartoe worden alle acties die het kind onderneemt in een conversatie met het personage, intern in het betreffende Character-object opgeslagen. De verantwoordelijkheid van het onthouden of het kind reeds eerder het personage aansprak en welke keuzes het toen maakte ligt bij deze klasse, samen met het onthouden van alle verhalen die het personage te vertellen heeft. Game: bevat algemene informatie betreffende het spel. Zo houdt het onder andere bij welk personage actief is. Dit is het personage dat eerder een probleem stelde aan het kind en waarvoor het kind momenteel een opdracht aan het uitvoeren is. Om ervoor te zorgen dat de spellogica zo veel mogelijk gescheiden blijft van de GUI, worden alle wijzigingen in het spel, via de Game klasse, doorgegeven aan de MuseAlifeGUI klasse. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van events en wordt het ontwerpprincipe van Observer/Observable geïmplementeerd. ArtefactExpert en CharacterExpert: deze klassen werden geïmplementeerd volgens het singleton ontwerppatroon. Ze vormen information specialists voor enerzijds alle getoonde artefacten in het museum en anderzijds alle figuren op de intelligente maquette. Elke vorm van informatie omtrent deze entiteiten dient dan ook altijd via deze klassen opgevraagd te worden. De klassen halen hun informatie, met behulp van een parser, ArtefactParser respectievelijk StoryParser, uit de XML-gebaseerde configuratiebestanden die eerder besproken werden.