室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

1、教室室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)教室室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā) 華東師范大學(xué) （毛敏、王廣偉） 彭萬里（2015年10月27日） （ Masters Thesis ） 系統(tǒng)設(shè)計意義和背景系統(tǒng)設(shè)計意義和背景 現(xiàn)有室內(nèi)定位產(chǎn)品的不足：現(xiàn)有室內(nèi)定位產(chǎn)品的不足： 成本高昂，定位精度不夠。 室內(nèi)定位技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：室內(nèi)定位技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 超聲波定位技術(shù)，藍(lán)牙定位技術(shù)，紅外定位技術(shù)， 射頻識別技術(shù)， 超帶寬技術(shù)，計算機視覺定位技術(shù)。 類似系統(tǒng)目前應(yīng)用場所：類似系統(tǒng)目前應(yīng)用場所： 機場大廳，展廳，倉庫，物流,停車場，礦井等。 該系統(tǒng)研究領(lǐng)域該系統(tǒng)研究領(lǐng)域：教學(xué)研究領(lǐng)域 該系統(tǒng)主要作用該系統(tǒng)主要作用：教師

2、顯性行為的研究 常見室內(nèi)定位技術(shù)的比較常見室內(nèi)定位技術(shù)的比較 定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)技技 術(shù)術(shù)精度范圍精度范圍價價 格格 Active Badges紅外線只能適用于房間低 Active bats超聲波傳輸時間9厘米中等 Cricket超聲波傳輸時間4*4英寸中等 RADARRF信號強弱34.3米無線網(wǎng)卡 PinPoit 3DiDRF到達(dá)時間差13米較高 Easy Living計算機視覺不確定3個攝像機 UbisenseRF UWB15厘米130000美元左右 Advantage： 成本低，精度 高，方向性好。 Disadvantage： 易受干擾，傳 輸距離短 需要多個信 標(biāo)采集測距 信息。反射 式

3、測距范圍 短 系統(tǒng)設(shè)計的基本思路系統(tǒng)設(shè)計的基本思路 本文結(jié)合教室環(huán)境、教師行為教室環(huán)境、教師行為的特殊性以及課堂研究 的需求，嘗試設(shè)計開發(fā)一套低功耗、低成本、高精度的室 內(nèi)定位與跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于TDOA（到達(dá)時間差）算（到達(dá)時間差）算 法原理法原理，采用紅外線與超聲波傳感器技術(shù)實現(xiàn)節(jié)點間測距， 并基于信標(biāo)建立空間坐標(biāo)系，運用球面相交法球面相交法實現(xiàn)了教室 內(nèi)的高精度定位。與傳統(tǒng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)基 于時分通信技術(shù)，采用紅外線編碼與識別紅外線編碼與識別，實現(xiàn)了被測教 師）面部朝向的監(jiān)測功能；基于Visual C#平臺開發(fā)上位機 軟件，實現(xiàn)對被測目標(biāo)（教師）的位置、面部朝向以及停 留時

4、間等信息進行實時監(jiān)測和儲存，并對歷史數(shù)據(jù)按照既 定模式進行分析與呈現(xiàn)。 系統(tǒng)基于環(huán)境的設(shè)計系統(tǒng)基于環(huán)境的設(shè)計 l教室實際環(huán)境的分析：教室實際環(huán)境的分析： 1、結(jié)構(gòu)簡單，空中空曠，無明顯障礙； 2、室內(nèi)空間大小有限，長寬高不大于9m*5m*3m； 3、室內(nèi)活動人員較多； l老師行為情況分析：老師行為情況分析： 1、以講解為主，一般居于黑板附近，活動幅度小，要求系統(tǒng)定位精 度高。 2、主體走動或活動過程中，肢體可能會遮擋信號，信號發(fā)射端需要 攜帶于不被遮擋的部位。 3、師生互動過程，會有學(xué)生站立的情況，需要避免或減少障礙物遮 擋的影響。 超聲波測距原理（基于超聲波測距原理（基于TDOA） d 發(fā)射

5、節(jié)點與接收節(jié)點的距離：S = C*t2（C為聲波速度，常溫340m/s） t = t2 t1（t10） 距離算法公式： S = C*t 由于聲波傳輸速度受溫度影響較大，需要對聲波進行溫度補償，被測 室內(nèi)溫度為T，則最終距離算法公式：S =（331.5+0.6*T）*t t D t1 t2 曲線1（紅外線） 曲線2（超聲波） t t1 t2 曲線1（紅外線） 曲線2（超聲波） 返回 三維定位算法（球面相交法）三維定位算法（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） (線性方程)AX

6、=b X = (ATA)-1*ATb（X是T點的x，y坐標(biāo)） Y T(x,y,z) (x1,y1,0) (x2,y2,0) (x3,y3,0) (x4,y4,0) L1 L2 L3 L4 過于復(fù)雜實際使用簡化后的算法 三維定位（球面相交法）簡化算法三維定位（球面相交法）簡化算法 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 編碼：編碼： 紅

7、外線編碼與識別紅外線編碼與識別 目標(biāo)物體的朝向信號信息分為兩種，一個是 正方向紅外線編碼信號，另一個是負(fù)方向紅外線編 碼信號。這里需要事先規(guī)定好信號發(fā)射模塊的正方 向，前方的紅外線發(fā)射模塊發(fā)送信號編碼為0 x04 （即編碼為0100的紅外線信號）；后方的紅外線發(fā) 射模塊發(fā)送信號編碼為0 x05，（即編碼為的紅外線 信號）。 識別：識別： 目標(biāo)朝向信號終端基于時分通信原理對紅 外線編碼信號進行識別，并判斷目標(biāo)物體的面 部朝向。根據(jù)協(xié)議約定，紅外線的編碼信息共 有兩種：其一為目標(biāo)面部向前（即面向?qū)W生） 的編碼，編碼號為0 x04（即編碼為0100的紅 外信號）；其二為目標(biāo)面部向后（即面向黑板） 的

8、編碼，編碼號為0 x05（即編碼為0101的紅 外線信號）。 返回 系統(tǒng)定位原理圖系統(tǒng)定位原理圖 PC端 P型接收 節(jié)點 P型接收 節(jié)點 P型接收 節(jié)點 T型接收 節(jié)點 RS485總線 信號發(fā)射節(jié)點 超聲波 超聲波 超聲波 紅外線1 紅外線1 紅外線2 紅外線3 紅外線1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)存取軌跡復(fù)原區(qū)域停留時間 通信協(xié)議坐標(biāo)解析信標(biāo)注冊 測距模塊1 測距模塊2測距模塊3測距模塊4 通信接口通信接口通信接口通信接口 地址 檢測 紅外 線采 集 超聲 波采 集 溫度 信號 采集 地址 檢測 紅外 線采 集 超聲 波采 集 溫度 信號 采集 地址 檢測 紅外 線采 集 超聲 波采 集 溫度 信號 采集 地址 檢測 紅外 線采 集 超聲 波采 集 溫度 信號 采集 數(shù)據(jù)分?jǐn)?shù)據(jù)分 析模塊析模塊 中央處理中央處理 模塊模塊 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 采采 集集 模模 塊塊 進一步細(xì)化系統(tǒng)模塊進一步細(xì)化系統(tǒng)模塊 l1、信號發(fā)射模塊； l2、測距信號接收模塊； l3、朝向信號接收模塊； l4、定位解析模塊； l5、數(shù)據(jù)存儲與呈現(xiàn)模塊； l6、錯誤管理模塊；（不單獨進行模塊設(shè)計） 該系統(tǒng)的優(yōu)缺點該系統(tǒng)的優(yōu)缺點 l該系統(tǒng)的優(yōu)勢：該系統(tǒng)的優(yōu)勢： 1、基于環(huán)境設(shè)計； 2、移動目標(biāo)面部朝向信息的監(jiān)測； 3、針對教師行為研究的pc