室内定位系统的设计与开发

1、教室室内定位系统的设计与开发教室室内定位系统的设计与开发 华东师范大学 （毛敏、王广伟） 彭万里（2015年10月27日） （ Masters Thesis ） 系统设计意义和背景系统设计意义和背景 现有室内定位产品的不足：现有室内定位产品的不足： 成本高昂，定位精度不够。 室内定位技术国内外研究现状：室内定位技术国内外研究现状： 超声波定位技术，蓝牙定位技术，红外定位技术， 射频识别技术， 超带宽技术，计算机视觉定位技术。 类似系统目前应用场所：类似系统目前应用场所： 机场大厅，展厅，仓库，物流,停车场，矿井等。 该系统研究领域该系统研究领域：教学研究领域 该系统主要作用该系统主要作用：教师

2、显性行为的研究 常见室内定位技术的比较常见室内定位技术的比较 定位系统定位系统技技 术术精度范围精度范围价价 格格 Active Badges红外线只能适用于房间低 Active bats超声波传输时间9厘米中等 Cricket超声波传输时间4*4英寸中等 RADARRF信号强弱34.3米无线网卡 PinPoit 3DiDRF到达时间差13米较高 Easy Living计算机视觉不确定3个摄像机 UbisenseRF UWB15厘米130000美元左右 Advantage： 成本低，精度 高，方向性好。 Disadvantage： 易受干扰，传 输距离短 需要多个信 标采集测距 信息。反射 式

3、测距范围 短 系统设计的基本思路系统设计的基本思路 本文结合教室环境、教师行为教室环境、教师行为的特殊性以及课堂研究 的需求，尝试设计开发一套低功耗、低成本、高精度的室 内定位与跟踪系统。该系统基于TDOA（到达时间差）算（到达时间差）算 法原理法原理，采用红外线与超声波传感器技术实现节点间测距， 并基于信标建立空间坐标系，运用球面相交法球面相交法实现了教室 内的高精度定位。与传统的室内定位系统相比，该系统基 于时分通信技术，采用红外线编码与识别红外线编码与识别，实现了被测教 师）面部朝向的监测功能；基于Visual C#平台开发上位机 软件，实现对被测目标（教师）的位置、面部朝向以及停 留时

4、间等信息进行实时监测和储存，并对历史数据按照既 定模式进行分析与呈现。 系统基于环境的设计系统基于环境的设计 l教室实际环境的分析：教室实际环境的分析： 1、结构简单，空中空旷，无明显障碍； 2、室内空间大小有限，长宽高不大于9m*5m*3m； 3、室内活动人员较多； l老师行为情况分析：老师行为情况分析： 1、以讲解为主，一般居于黑板附近，活动幅度小，要求系统定位精 度高。 2、主体走动或活动过程中，肢体可能会遮挡信号，信号发射端需要 携带于不被遮挡的部位。 3、师生互动过程，会有学生站立的情况，需要避免或减少障碍物遮 挡的影响。 超声波测距原理（基于超声波测距原理（基于TDOA） d 发射

5、节点与接收节点的距离：S = C*t2（C为声波速度，常温340m/s） t = t2 t1（t10） 距离算法公式： S = C*t 由于声波传输速度受温度影响较大，需要对声波进行温度补偿，被测 室内温度为T，则最终距离算法公式：S =（331.5+0.6*T）*t t D t1 t2 曲线1（红外线） 曲线2（超声波） t t1 t2 曲线1（红外线） 曲线2（超声波） 返回 三维定位算法（球面相交法）三维定位算法（球面相交法） X Z Li = C * ti（i = 1,，2，3，4） Li2 = (x - xi)2+(y-yi)2+zi2 （i = 1,，2，3，4） (线性方程)AX

6、=b X = (ATA)-1*ATb（X是T点的x，y坐标） Y T(x,y,z) (x1,y1,0) (x2,y2,0) (x3,y3,0) (x4,y4,0) L1 L2 L3 L4 过于复杂实际使用简化后的算法 三维定位（球面相交法）简化算法三维定位（球面相交法）简化算法 XL12 = x2+y2+z2 L22 = (X-x)2+y2+z2 L32 = x2+(Y-y)2+z2 Y Z T(X,Y,Z) (0,0,0) (x,0,0) (0,y,0) L1 L2 L3 X = (x2-L22+L12)/2x Y = (x2L32+L12)/2 Z = L12-X2-Y2 编码：编码： 红

7、外线编码与识别红外线编码与识别 目标物体的朝向信号信息分为两种，一个是 正方向红外线编码信号，另一个是负方向红外线编 码信号。这里需要事先规定好信号发射模块的正方 向，前方的红外线发射模块发送信号编码为0 x04 （即编码为0100的红外线信号）；后方的红外线发 射模块发送信号编码为0 x05，（即编码为的红外线 信号）。 识别：识别： 目标朝向信号终端基于时分通信原理对红 外线编码信号进行识别，并判断目标物体的面 部朝向。根据协议约定，红外线的编码信息共 有两种：其一为目标面部向前（即面向学生） 的编码，编码号为0 x04（即编码为0100的红 外信号）；其二为目标面部向后（即面向黑板） 的

8、编码，编码号为0 x05（即编码为0101的红 外线信号）。 返回 系统定位原理图系统定位原理图 PC端 P型接收 节点 P型接收 节点 P型接收 节点 T型接收 节点 RS485总线 信号发射节点 超声波 超声波 超声波 红外线1 红外线1 红外线2 红外线3 红外线1 系统架构设计系统架构设计 实时监测数据存取轨迹复原区域停留时间 通信协议坐标解析信标注册 测距模块1 测距模块2测距模块3测距模块4 通信接口通信接口通信接口通信接口 地址 检测 红外 线采 集 超声 波采 集 温度 信号 采集 地址 检测 红外 线采 集 超声 波采 集 温度 信号 采集 地址 检测 红外 线采 集 超声 波采 集 温度 信号 采集 地址 检测 红外 线采 集 超声 波采 集 温度 信号 采集 数据分数据分 析模块析模块 中央处理中央处理 模块模块 数数 据据 采采 集集 模模 块块 进一步细化系统模块进一步细化系统模块 l1、信号发射模块； l2、测距信号接收模块； l3、朝向信号接收模块； l4、定位解析模块； l5、数据存储与呈现模块； l6、错误管理模块；（不单独进行模块设计） 该系统的优缺点该系统的优缺点 l该系统的优势：该系统的优势： 1、基于环境设计； 2、移动目标面部朝向信息的监测； 3、针对教师行为研究的pc