智能终端在科普展览中的应用
科普展览是向公众普及科学知识、传播科学思想和科学方法的重要窗口，是为提高国民素质服务的大型科普教育形式。随着经济的快速增长，我国内地已成为全球发展最快的展览市场。科普展览的蓬勃发展催生了个性化、智能化导览系统诞生的趋势，使传统人工导览已经不能很好地满足参观者的需求。另外，随着微波技术、计算机技术和网络技术等高新技术的迅猛发展，各种导览系统应运而生。基于智能终端的导览系统已朝着智能化、多媒体化及网络化等方向发展。国家 “十二五”规划对物联网产业给予了大力的支持，无锡作为物联网 “感知中国中心”积极响应国家的号召，大力发展物联网产业，“无锡感知博览园综合馆”科普展示项目应运而生，依托物联网技术，智能终端在本项目中得到了良好的应用。
智能终端在展览展示方面已经有了一定的应用实践，例如上海世博会信息通信馆中出现的 ICT 手持终端。然而现有的智能终端多采用无线射频识别( RFID，radio frequnecy identification) 技术，存在辐射大的弊端，本文首次提出基于UWB 技术的智能导览终端具有辐射小、定位精确等优点，适合在各类室内会展、展览活动中应用，具有广阔的应用前景。
一、智能终端在科普展览中的应用现状
- 传统终端得到普遍应用
在科普展览中，传统的终端有语音导览器、立式多媒体导览机等。语音导览器1988年就已经在故宫博物院出现，主要应用在一些旅游景区和博物馆中，参观者可根据个人的兴趣选择相应的语音解说服务。语音导览器的优点是设备小巧轻便、便于携带，适合没有导游的个体观众，价格低廉，缓解讲解人员不足的问题。随着科技的发展语音导览器经历了磁带机、mp3、mp4等阶段。语音导览器因储存容量有限、互动性不足，难以吸引青少年游客。立式多媒体导览机常见于宾馆酒店、商业写字楼、展览展示现场、娱乐休闲场所、地铁站、火车站、飞机场等处。立式多媒体导览机可实现信息的查询与导览，参观者可通过立式导览机观看Flash动画、数字视频，以及通过触摸屏点击了解展馆地图信息等。立式多媒体导览机可实现相关数据的下载，可通过参观者的操作实现拍照留念并发送 E-mail 给参观者等功能。立式多媒体导览机能够极好地实现展馆信息的查询与导览工作，但是由于其体积庞大且固定放置，限制了使用人数和使用地点的随意性。与科普展览相类似，在旅游业中也需要个性化游客导览服务。由此可推得，个性化的移动导览服务已成为广大参观者关注的焦点，这也是智能导览终端设计的出发点。
- 智能终端在探索中前进
目前，常见的智能导览终端有基于 RFID 技术的导览机、基于红外技术的导览器、基于二维码( 2-dimensional bar code) 的导览器等。最近几年，RFID 技术得到了广泛的应用，其中应用最多的是在物流追踪、仓库管理等方面。为了在大型展览会和博览会中给游客提供便利的导览服务，RFID技术从产业应用走入了人们的生活。基于 RFID 技术的导览器能够自动识别展品，操作方便; 使用移动设备和无线网络便于参观者自由移动，且不受设备存储能力的限制。基于 RFID 技术导览器的不足有互动模式单一，少年儿童和老人操作不便等。红外探测技术在科普展览中广泛应用于室内展厅的定位与互动。当参观者走近某一展项，相应的灯光亮起; 当参观者拿起相应的展品，可在屏幕上显示展品的详细信息。基于红外技术的导览器使展项的设计更加灵活，形式更加多样化，并且可以完成一些传统技术无法实现的展示效果，使得科普展览的技术达到了新的高度。红外无线技术的优点是抗干扰能力强; 缺点是要想获得高质量的红外调制信号电路比较复杂，并且由于红外线的波长较短，光衍射能力较差，红外无线技术传输距离比较短，对障碍物敏感。所以红外技术的局限性，使得基于红外技术的导览器只能固定在单独的展项上，不适合在科普展览中大面积应用。二维条码/二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面( 二维方向上) 分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的; 在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的 0、1 比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。基于二维码的导览器带有二维码读取识别系统，能够识别场馆内的展项及主要标志物，实现参观者获取展项详细信息和展厅定位的功能。优缺点与基于 RFID 技术的导览器相类似，方便携带，可自由移动; 但互动模式单一，少年儿童和老人操作不便。随着社会、经济、技术的迅猛发展，智能手机、平板电脑已经走入寻常百姓家，成为人们日常工作、生活的必备工具。科技的发展，呼唤更加智能的导览终端，从而搭载了超宽带( UWB，ultra wideband) 无载波通信技术的智能终端应运而生。UWB是一种无线载波通信技术，它不采用传统的正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波脉冲传输数据，其所占的频谱范围很宽，可以从数Hz至数GHz。根据信道容量的香农公式可知，在信道容量一定的情况下，信号带宽和信噪比可以互补，这样UWB系统可以在信噪比很低的情况下工作; UWB 系统发射的功率谱密度也非常低，几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声中，故具有功耗低、系统复杂度低、隐秘性好、截获率低、保密性好等优点，能很好地满足现代通信系统对安全性的要求。同时，信号的传输速率高，可达几十 Mbit /s 至几 Gbit /s; 并且抗多径衰减能力强，具有很强的穿透能力，能提供精确的定位精度UWB技术，所以最初是被作为军用雷达技术开发的，主要用于雷达技术领域。2002 年 2 月，美国联邦通信委员会( FCC) 批准了 UWB 技术用于民用，UWB的发展步伐开始逐步加快。目前，国内基于 UWB 技术的智能终端导览器最先在本项目中得到了应用。
二、智能导览终端的特点
本项目中基于 UWB 技术的智能导览终端融合了UWB技术和智能手机的已有功能，形成了如下几个显著的特点: ① 终端简单易操作; ② 精确定位; ③ 发射功率小; ④ 技术成本低。智能导览终端采用当前热门的Android系统( 目前主流操作系统之一) 的手机，交互设计良好，绝大多数参观者通过人工操作引导能够尽快掌握操作方法。智能终端能够实现信息的自动收发功能，为参观者智能地推送展馆信息。参观者掌握操作方法后，可实现智能终端对互动展项的实时控制。例如参观者进入某展馆后，会收到相应的欢迎词; 走到相应的互动展项前会进行相关提示，实现导览终端对展项的控制; 参观过程中可实现跟踪定位功能; 参展结束后提供游览路线等。同时，可以选择使用自身携带的手机实现智能导览终端的功能，只需在进入科普展厅时将芯片与手机进行绑定并下载相关软件，使用自己的手机进行顺畅的自助游览，从而能够极大地节省展馆的智能导览终端提供量，节约时间和成本。信号的距离分辨力与信号的带宽成正比。由于UWB信号的超宽频带特性，使得UWB系统的距离分辨精度是其他系统的成百上千倍。UWB信号脉冲宽度在ns级，其对应的距离分辨能力可高达cm级，这是其他窄带系统所无法比拟的。较高的距离分辨精度也使得UWB系统在完成通信的同时，还能实现准确定位、跟踪，定位，与通信功能的融合也扩展了UWB系统的应用范围。在很多通信网络的应用中，都需要提供定位/跟踪服务，通常利用GPS实现。然而在实际中，特别是在室内GPS很难实现精确定位。实现室内环境的精确定位是采用传统无线电的通信网络很难解决的问题，而采用UWB无线电很容易实现精确的定位。国外公司为军方开发的UWB通信/定位系统，已经从实践上证明了UWB无线电定位的优越性能，故搭载了UWB芯片的智能导览终端具有精确定位的显著特点。在短距离应用中，UWB系统的发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长了系统电源工作时间。而且最重要的一点是，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。在工程实现上，UWB比其他无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，从而技术成本极低。但是相关的设备目前还只能从国外购买，因此其设备成本下降，才能更好地推广普及。
三、智能终端的实现
下面以Android系统的智能手机为例，介绍智能终端的开发实现过程。因为 Android 是一个完整、开发、免费的手机平台，它能够使开发者进行方便的协作，从而保证研发速度，使参观者得到优质的体验服务。本项目中应用的UWB定位技术属于无线定位技术的一种，定位原理按其测量参数的不同，可分为基于接收信号强度法、基于接收信号时间( TOA) 法和基于接收信号角度( AOA) 法。基于接收信号强度法是由测量结点间能量的情况来估计距离; 基于TOA法是由接收信号的传播时间来估计距离; 而基于AOA法是测量未知结点和参考结点间的角度来估计位置。基于接收信号强度的定位方法是利用接收信号强度与移动台至基站距离成反比的关系，通过测出接收信号的场强值、已知的信道衰落模型和发射信号的场强值估算出收发信号机之间的距离，根据多个距离值即能估计出目标移动台的位置。基于AOA的定位方法就是通过信号到达的方向角度来确定信号位置的。这种定位技术一般利用两个或多个参考结点，通过测量接收信号的到达方向来估计目标结点的位置。由于当信号存在直达路径时，最先到达的信号都是延直达路径到达的，因此AOA方法通过多个基站的智能天线矩阵可以测量从定位目标最先到达的信号的到达角度来估计定位目标的位置。采用此方法在障碍物较少的地区可以得到较高的准确度; 但在障碍物较多的环境中，由于无线传输存在多径效应，误差增大。另外，AOA技术要建立
在智能天线的基础上才能实现。因此AOA的方法并不适用于UWB定位。基于TOA的定位技术依赖结点间信号传输时间的测量。如果两个结点共用一个时钟，则接收信号的结点可以通过参考结点的时间信息来确定接收信号的到达时间。对于一个单路径的加性高斯白噪声( AWGN) 信道来说，基于TOA技术非常适合于 UWB 无线定位。通过上述几种定位方法的分析可以发现AOA方法成本较高，而且定位精度不高; 场强定位法最简单，成本较低，但由于多径衰落和阴影效应的影响较大，其定位精度较差。基于信号传播时间的定位方法精度较高，因此本文采用基于信号传播时间的定位方法。将 Android 系统的手机与UWB定位芯片进行绑定确定一个唯一的ID，储存到中央处理器数据库，以确保后续信息的智能推送。系统采用基于接收信号时间差( TDOA) 定位方案。系统由中央处理器、标签、三个基站构成。各个基站均与中央处理器相连，它们的位置固定并且已知，由基站到定位处理的传输时延也是已知的，标签的位置未知。系统工作流程是: ① 三个基站发送信号; ② UWB芯片接收信号并发送反馈信号; ③ 各个基站检测到标签的定位信号后通过电缆给中央处理器发送信号; ④ 中央处理器得到三个时间差，也就可以得到三个双曲线方程，通过某种算法就可以求出标签的位置; ⑤ 中央处理器智能推送相关信息到智能终端。
四、未来展望
在国内的一些大型展览展示中，已经采用了一些导览装置，为参观者提供各种解说和导览服务，大大方便了参观者对相关展项的了解。但传统的导览终端功能比较单一、功耗大、成本高、数据更新复杂，需要手动输入才能得到相应的播放信息，限制了导览终端的进一步推广使用。本文通过智能终端与UWB定位芯片相结合的方法，产生了智能推送的导览终端，并结合展馆的展示内容，实现多种互动体验和交互操作，是对导览终端的一次很好的创新和实践。在未来的科普展览中，将会涌现越来越多的智能终端和智能导览技术，给参观者提供更好的体验和服务。同时，智能导览终端的应用也必将向家庭、集团和行业广泛发展。将智能终端与物联网技术进行整合，可以实现家居的智能化控制、楼宇的智能监控、食品的溯源、交通的流量管控等应用。未来的社会将是一个科技为人们所充分利用的和谐发展的智能社会。