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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)視覺不確定3個攝像機(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信標(biāo)采集測距信息。反射式測距范圍短系統(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)

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(jī)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間等信息進(jìn)行實時監(jiān)測和儲存，并對歷史數(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：

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(jìn)行溫度補(bǔ)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）*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(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(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010

7、0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(jìn)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)

8、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(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(jìn)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端上位機(jī)