UWB技术在展馆智能语音导览系统中的应用

语音导览系统概述

在一些实体会展场馆活动中，往往采用现场讲解人员的介绍，为了让参与者都能够了解展览的详细内容，通常采用讲解人员配备语音导览设备的形式，目前所广泛使用的语音导览设备主要有手持扩音器、头戴式话筒麦克风、耳挂无线收音器。根据技术特点来看，无线形式的导览设备无疑是目前应用技术中较为先进的一种，是由硬件组件搭配软件所构成，依托其技术可通过后台调控的形式实现多信息、跨语言内容的传输，使参与者能够根据自身的需求进行调整选择，但这种设备在使用过程中却存在较为明显的缺点，如设备的操作较为的复杂，对于文化程度较低的老年人、儿童或外国人员等，无法在短时间内熟悉设备的操作流程，其次是设备的派发与回收中存在较大的不便性，且设备本身也易在使用过程中出现无法及时补充电量或是损坏等情况。

UWB技术概述

主要原理分析

UWB技术是以冲击脉冲信号作为载体的无载波扩谱技术，与其他通信方式不同的是，其能够对急剧上升及下降时间的冲击脉冲进行一定的调制。UWB技术能够发射冲击脉冲串，信号的性质属于基带信号或是射频信号，不具有中频和射频。UWB技术下的数据传输速率可达到MHz~GHz量级，其不需要依托载波实现信号的传输和底层通信技术，通过信号脉冲的形式便能完成信号传输，并且信号传输中信号脉冲时间可达到纳秒级，能够有效提升传输带宽。UWB技术具有更为突出的通信连接以及精确定位的功能，相对于传统无线通信传输技术在信号的传输稳定性更为的显著，首先对信道衰落的敏感性较差，截获能力弱、定位精度较高、具有较为迅速的数据传输速度，另外由于UWB技术较为成熟，具有较高的安全性，且应用功耗低，具有极为广阔的发展前景。就UWB技术而言，目前最佳的应用场景是室内或较为封闭的环境中。UWB技术应用中的详细参数如表1所示。

定位技术

由于UWB技术在信号传输穿透方面具有较为良好的优点，可适用于不同的环境场景中，尤其是在室内及封闭的场景的定位应用中。UWB技术中定位模式主要分为TDOA定位（时间差定位法）、AOA（波达角或波达方向）。其中目前主流采用的是TDOA定位技术，其原理是根据基站时间为参照，且基站仅单向接收标签信号传输数据，在这过程中，标签与基站的定位呈现不断变化的状态，脉冲信号到达基站的时间便存在差异，而利用恒定光速便可对时间差进行计算获得标签与基站的距离，即基于延迟计算出标签所在位置的坐标轴，其中距离差便是长轴的双曲线，曲线的交点便是目标点的位置信息，主要原理如图1所示。

定位维度

UWB技术中室内定位基站布置原则主要有零维定位、一维定位、二维定位、三维定位。零维定位中通常仅应用单台基站进行目标的测量，可以理解为存在性检测；一维定位实则为测距应用，只测量目标的纵向相对位置；二维定位中，通过三个以上的基站，可检测到目标的X轴、Y轴坐标，经过计算后便可得到基站的二维坐标系；三维定位是在二维定位测量的基础上增加Z轴坐标数据的测量，具有更加精准的测量结果。对于本研究而言，由于展馆的导览活动多为发生在平面中，因此不考虑三维定位。

基于UWB技术在展馆智能语音导览系统的原理分析

系统构架

智能语音导览系统中定位技术主要采用UWB技术TDOA定位法，对于较大场景的应用将会采用时空维度进行计算，主要根据所设置的基站采集标签信号，进行空间坐标的分析，并将数据传输至业务层，信号在得到解析后便会对功放系统发送指令，实现控制操作。

系统功能流程分析

智能语音导览系统的应用流程为：①依据TDOA定位技术获取到标签信息的位置信息；②通过软件对位置信息进行计算、解析，从而判断标签的坐标，之后向后台发送指令匹配语音音源以及功放系统；③功放系统在指令下向后台发送命令，实现对音源的自动分区分配，并经过扬声设备实现区域内实时发声，且在此过程中不会对其他分区产生影响。

某展馆项目案例分析

应用场景分析

某企业展馆所使用的为传统形式的头戴式话筒麦克风配合随身扩音器使用，不仅扩音后的音质较差，而且由于使用的设备较多，现场操作较为复杂，这种情况与该企业高端定位的品牌形成极为不相符，且不利于参观宾客的现场体验，因此，该企业在新展馆的建设中针对智能语音导览系统的设计进行重点的调研与分析，经过多方的论证后拟采用基于UWB技术的智能语音导览系统。

新建场馆总建筑面积为1.7×104m2，属于大型展馆建筑，建筑的主体呈现为两道圆弧围合布局，建筑内部又被划分了企业发展历史区、产品区、体验区、党建区、多功能区、综合区、休息区等不同的独立或半独立功能分区，详细的参观讲解路线可根据参观者的不同或介绍目的的不同进行自由设置。后根据新场馆的实际需求、场景空间的特性等，在经过与设计方、施工方以及方案提供方的反复讨论中最终对基于UWB技术的智能语音导览系统进行完善。

新建场馆所使用的智能语音导览系统着重应用了移动讲解无线传输相关的技术与设备，可有效满足新建场馆中的应用需求，另外，在新技术的加持下可实现针对同一个场馆内的不同分区，基于不同讲解人员带领下的不同批次参观人员的讲解，并且讲解人员在整个讲述介绍过程中无需佩戴扩音器材，仅使用随身麦克风便可实现现场的扩音。讲解人员在讲解时，声音经过无线传输设备收入到后台系统后，便会联动其所在的区域的扬声设备实现声音的无损外放，并且在这一过程中不会对临近区域的讲解活动产生干扰。新场馆使用的基于UWB技术的智能语音导览系统，相较于传统形式的语音导览设备具有更高的音质，并且在环境声学以及扬声设备的支持下能够对讲解人员的声音进行解析，使人声更加的纯净，并且在声卡设备的渲染下，即使参观人员在移动中也能够听到清晰的语音介绍。

分区规划中智能语音导览系统的应用

依据新建场馆的布局设置、功能分区以及各讲解路线，对基于UWB技术的展馆智能语音导览系统的硬件进行了针对性地设计。其中展馆中共划分为18个分区，其中一层4个、二层14个，针对不同分区均设置独立的基站，并配置三个基站交换机用于网络传输，对于不同的分区设置其所需要的功能处理。详细的分区规划如图2所示。

分区基站设置

场馆中基站数量需要根据实际需要设置，如分区的形状、大小、与相邻分区之间的间隔等，避免不同分区之间发生信号的交叉以及相互的干扰。本研究中分区的定位方法主要采用零维定位、一维定位、二维定位，根据分区的性质决定，各分区所对应的基站数量也各不相同。本研究中新建场馆分区的基站共设置55个，其中一层4个分区配置10个基站，二层14个分区配置45个基站。

扬声控制系统

结合以往参观的讲解经验，本研究中将参观讲解的大饱和量设定为四个团队，其中应用4个讲解员以及各个分区扬声控制系统同时运行。

（1）控制程序

在智能语音导览系统中，当讲解员进入到某个分区的信号设定范围后，系统将会根据标签信号启用该分区的功放扩声装置，此时将锁定该讲解员的无线语音信号为唯一状态；之后当讲解员移动到下一个分区后，系统将根据标签信号位置的改变自动进行解析，此时将关闭当前分区功放扩声装置，并开启下一个分区的功放扩声装置，实现语音的不间断跨区播放；当讲解员离开或关闭标签信号后系统将会解除与讲解员的匹配。

（2）跨区信号传输切换

讲解员跨区移动时，语音切换功能的实现主要分为下列接三种形式：①无过渡切换，当检测到讲解员的标签信号存在跨区行为后，将会立即启用新分区中的功放扩声装置，并在同时关闭前一个分区的功放扩声装置；②过渡切换，当检测到讲解员的标签信号存在跨区行为后，将会立即启用新分区中的功放扩声装置，而上一个分区的功放扩声装置将在设定的时间结束后进行关闭，所设定的时间值通常由讲解员的行走速度或是依据讲解员标签在分区位置中出现的偏移量来确定；③渐变过渡切换，此形式基于过渡切换，而在跨区的传输切换中增加声音的淡入淡出的效果，此切换模式比较适合于低空间场景中，可以使音频的区域切换更加柔顺。

（3）多标签同步顺序

不同分区中同时均有讲解员的存在时，系统将会自动将各个分区中的功放扩声装置与讲解员的信号标签相锁定，避免出现相邻分区间的信号干扰。若多个讲解员同时进入一个分区时，系统将会根据讲解员进入分区的先后顺序进行信号的解析，并将前端信号作为第一声源处理，避免同一场景中出现两个及以上的声源信号。

结语

在空间较大、布局较为复杂的展馆应用基于UWB技术在展馆智能语音导览系统不仅能够实现对讲解人员的精准定位，而且还能准确的判断人员的位置，从而能够实现分区中功放设备的精确匹配。

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