1、教室室內定位系統的設計與開發教室室內定位系統的設計與開發 華東師范大學（毛敏、王廣偉）彭萬里（2015年10月27日）（ Masters Thesis ）系統設計意義和背景系統設計意義和背景現有室內定位產品的不足：現有室內定位產品的不足：成本高昂，定位精度不夠。室內定位技術國內外研究現狀：室內定位技術國內外研究現狀：超聲波定位技術，藍牙定位技術，紅外定位技術， 射頻識別技術， 超帶寬技術，計算機視覺定位技術。類似系統目前應用場所：類似系統目前應用場所：機場大廳，展廳，倉庫，物流,停車場，礦井等。該系統研究領域該系統研究領域：教學研究領域該系統主要作用該系統主要作用：教師顯性行為的研究常見室內定

2、位技術的比較常見室內定位技術的比較定位系統定位系統技技 術術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米無線網卡PinPoit 3DiDRF到達時間差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采集測距信息。反射式測距范圍短系統設計的基本思路系統設計的基本思路本文結合教室環

3、境、教師行為教室環境、教師行為的特殊性以及課堂研究的需求，嘗試設計開發一套低功耗、低成本、高精度的室內定位與跟蹤系統。該系統基于TDOA（到達時間差）算（到達時間差）算法原理法原理，采用紅外線與超聲波傳感器技術實現節點間測距，并基于信標建立空間坐標系，運用球面相交法球面相交法實現了教室內的高精度定位。與傳統的室內定位系統相比，該系統基于時分通信技術，采用紅外線編碼與識別紅外線編碼與識別，實現了被測教師）面部朝向的監測功能；基于Visual C#平臺開發上位機軟件，實現對被測目標（教師）的位置、面部朝向以及停留時間等信息進行實時監測和儲存，并對歷史數據按照既定模式進行分析與呈現。系統基于環境的設

4、計系統基于環境的設計l教室實際環境的分析：教室實際環境的分析：1、結構簡單，空中空曠，無明顯障礙；2、室內空間大小有限，長寬高不大于9m*5m*3m；3、室內活動人員較多；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，信號發射端需要攜帶于不被遮擋的部位。3、師生互動過程，會有學生站立的情況，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發射節點與接收節點的距離：S = C*t2（C為聲波速度，常溫340m/s）t = t2 t1（t10）距離算法公式：

5、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點的x，y坐標）YT(x,y,z)(x1,y1,0)(x2,y2,0)(x3,y3,0)(x4,y4,0)L1L2L3

6、L4過于復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+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：紅外線編碼與識別紅外線編碼與識別目標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，另一個是負方向紅外線編碼信號。這里需要事先規定好信號發射模塊的正方向，前方的紅外線發射模塊發送信號編碼為0 x04（即編碼為010

7、0的紅外線信號）；后方的紅外線發射模塊發送信號編碼為0 x05，（即編碼為的紅外線信號）。識別：識別：目標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，并判斷目標物體的面部朝向。根據協議約定，紅外線的編碼信息共有兩種：其一為目標面部向前（即面向學生）的編碼，編碼號為0 x04（即編碼為0100的紅外信號）；其二為目標面部向后（即面向黑板）的編碼，編碼號為0 x05（即編碼為0101的紅外線信號）。返回系統定位原理圖系統定位原理圖PC端P型接收節點P型接收節點P型接收節點T型接收節點RS485總線信號發射節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系統架構設計系統架構設

8、計實時監測數據存取軌跡復原區域停留時間通信協議坐標解析信標注冊測距模塊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據分數據分析模塊析模塊中央處理中央處理模塊模塊數數據據采采集集模模塊塊進一步細化系統模塊進一步細化系統模塊l1、信號發射模塊；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、數據存儲與呈現模塊；l6、錯誤管理模塊；（不單獨進行模塊設計）該系統的優缺點該系統的優缺點l該系統的優勢：該系統的優勢：1、基于環境設計；2、移動目標面部朝向信息的監測；3、針對教師行為研究的pc端上位機