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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。室内定位技术室内定位技术国内外研究现状国内外研究现状：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：教师显性行为的研究常见室内定位
2、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
3、、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
4、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
5、 = 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）*ttDt1t2曲线1（红外线）曲线2（超声波）tt1t2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）XZLi = 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=bX = (ATA)-1*ATb（X是T点的x，y坐标）YT(x,y,z)(x1,y1,0)(x2,y2,0)(x3,y3,0)(x4,y4,0)L1L2L3L
6、4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+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编码：编码：红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0x04（即编码为0100的
7、红外线信号）；后方的红外线发射模块发送信号编码为0x05，（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0x04（即编码为0100的红外信号）；其二为目标面部向后（即面向黑板）的编码，编码号为0x05（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
8、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端上位机；4、成本低，功耗低，便于维护，便于推广；5、系统设计模块化程度高；（便于维护）l系统缺陷：系统缺陷：1、 统的定位空间受超声波发射端功率限制，需进一步改善；2、教师面部朝向信息还不够精细，该系统中只做面向学生和背对学生两个方向的区分。谢谢各位！谢谢各位！
