室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、教室室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)教室室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)意義和背景系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：室內(nèi)定位技術(shù)國(guó)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(shí)別技術(shù)， 超帶寬技術(shù)，計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)。類似系統(tǒng)目前應(yīng)用場(chǎng)所：類似系統(tǒng)目前應(yīng)用場(chǎng)所：機(jī)場(chǎng)大廳，展廳，倉(cāng)庫(kù)，物流,停車場(chǎng)，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：教師顯性行為的研究常見室內(nèi)定

2、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(jià)價(jià) 格格 Active Badges紅外線只能適用于房間低Active bats超聲波傳輸時(shí)間9厘米中等Cricket超聲波傳輸時(shí)間4*4英寸中等RADARRF信號(hào)強(qiáng)弱34.3米無線網(wǎng)卡PinPoit 3DiDRF到達(dá)時(shí)間差13米較高Easy Living計(jì)算機(jī)視覺不確定3個(gè)攝像機(jī)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(gè)信標(biāo)采集測(cè)距信息。反射式測(cè)距范圍短系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路本文結(jié)合教室環(huán)

3、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(jì)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(shí)間差）算（到達(dá)時(shí)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(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間測(cè)距，并基于信標(biāo)建立空間坐標(biāo)系，運(yùn)用球面相交法球面相交法實(shí)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(shí)分通信技術(shù)，采用紅外線編碼與識(shí)別紅外線編碼與識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)教師）面部朝向的監(jiān)測(cè)功能；基于Visual C#平臺(tái)開發(fā)上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)（教師）的位置、面部朝向以及停留時(shí)間等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和儲(chǔ)存，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)按照既定模式進(jìn)行分析與呈現(xiàn)。系統(tǒng)基于環(huán)境的設(shè)

4、計(jì)系統(tǒng)基于環(huán)境的設(shè)計(jì)l教室實(shí)際環(huán)境的分析：教室實(shí)際環(huán)境的分析：1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，空中空曠，無明顯障礙；2、室內(nèi)空間大小有限，長(zhǎng)寬高不大于9m*5m*3m；3、室內(nèi)活動(dòng)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(dòng)幅度小，要求系統(tǒng)定位精度高。2、主體走動(dòng)或活動(dòng)過程中，肢體可能會(huì)遮擋信號(hào)，信號(hào)發(fā)射端需要攜帶于不被遮擋的部位。3、師生互動(dòng)過程，會(huì)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(cè)距原理（基于超聲波測(cè)距原理（基于TDOA）d發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)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：

5、S = C*t由于聲波傳輸速度受溫度影響較大，需要對(duì)聲波進(jìn)行溫度補(bǔ)償，被測(cè)室內(nèi)溫度為T，則最終距離算法公式：S =（331.5+0.6*T）*ttDt1t2曲線1（紅外線）曲線2（超聲波）tt1t2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）XZLi = 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=bX = (ATA)-1*ATb（X是T點(diǎn)的x，y坐標(biāo)）YT(x,y,z)(x1,y1,0)(x2,y2,0)(x3,y3,0)(x4,y4,0)L1L2L3

6、L4過于復(fù)雜實(shí)際使用簡(jiǎn)化后的算法三維定位（球面相交法）簡(jiǎn)化算法三維定位（球面相交法）簡(jiǎn)化算法XL12 = x2+y2+z2L22 = (X-x)2+y2+z2L32 = x2+(Y-y)2+z2YZT(X,Y,Z)(0,0,0)(x,0,0)(0,y,0)L1L2L3X = (x2-L22+L12)/2xY = (x2L32+L12)/2 Z =L12-X2-Y2編碼：編碼：紅外線編碼與識(shí)別紅外線編碼與識(shí)別目標(biāo)物體的朝向信號(hào)信息分為兩種，一個(gè)是正方向紅外線編碼信號(hào)，另一個(gè)是負(fù)方向紅外線編碼信號(hào)。這里需要事先規(guī)定好信號(hào)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(hào)編碼為0 x04（即編碼為010

7、0的紅外線信號(hào)）；后方的紅外線發(fā)射模塊發(fā)送信號(hào)編碼為0 x05，（即編碼為的紅外線信號(hào)）。識(shí)別：識(shí)別：目標(biāo)朝向信號(hào)終端基于時(shí)分通信原理對(duì)紅外線編碼信號(hào)進(jìn)行識(shí)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(hào)為0 x04（即編碼為0100的紅外信號(hào)）；其二為目標(biāo)面部向后（即面向黑板）的編碼，編碼號(hào)為0 x05（即編碼為0101的紅外線信號(hào)）。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(diǎn)P型接收節(jié)點(diǎn)P型接收節(jié)點(diǎn)T型接收節(jié)點(diǎn)RS485總線信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(jì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)

8、計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存取軌跡復(fù)原區(qū)域停留時(shí)間通信協(xié)議坐標(biāo)解析信標(biāo)注冊(cè)測(cè)距模塊1測(cè)距模塊2測(cè)距模塊3測(cè)距模塊4通信接口通信接口通信接口通信接口地址檢測(cè)紅外線采集超聲波采集溫度信號(hào)采集地址檢測(cè)紅外線采集超聲波采集溫度信號(hào)采集地址檢測(cè)紅外線采集超聲波采集溫度信號(hào)采集地址檢測(cè)紅外線采集超聲波采集溫度信號(hào)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(jìn)一步細(xì)化系統(tǒng)模塊進(jìn)一步細(xì)化系統(tǒng)模塊l1、信號(hào)發(fā)射模塊；l2、測(cè)距信號(hào)接收模塊；l3、朝向信號(hào)接收模塊；l4、定位解析模塊；l5、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與呈現(xiàn)模塊；l6、錯(cuò)誤管理模塊；（不單獨(dú)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)）該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)該系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)l該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：1、基于環(huán)境設(shè)計(jì)；2、移動(dòng)目標(biāo)面部朝向信息的監(jiān)測(cè)；3、針對(duì)教師行為研究的pc端上位機(jī)