室内定位系统的设计与开发
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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。
Advantage：
成度本高常低，，方见精 向 室内定位技术的比较
性好。
Disadvantag e： 需要定多位易个系受统 干扰， 信A标cti采ve传集Ba输dge距s 离短 测距信息。
技术 红外线
精度范围 只能适用于房间
价格 低
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TDOA ）
d 曲线1（红外线） D
曲线2（超声波）
发射节t1点与接收节点的距离：St2=
t C*t2（C为声波速
度，常温340m/s）
Δt = t2 – t1（t1≈0） 距离算法公式： S = C*Δt
系统设计的基本思路
本文结合教室环境、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 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，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。
生两个方向的区分。
谢谢各位！
计）
该系统的优缺点
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） 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
测距模块4
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ຫໍສະໝຸດ Baidu信号 采集
进一步细化系统模块
1、信号发射模块； 2、测距信号接收模块； 3、朝向信号接收模块； 4、定位解析模块； 5、数据存储与呈现模块； 6、错误管理模块；（不单独进行模块设
教室室内定位系统的设计与开发
（ Master’s Thesis ）
华东师范大学 （毛敏、王广伟）
彭万里（2015年10月 27日）
系统设计意义和背景
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。
的 算 法
(线性方程)AX=b X = (ATA)-1*A（TbX是T点的x，y坐
三维定位（球面相交法）简化算法
Z T(X,Y,Z)
L1
L3
L2
(x,0,0)
(0,0,0)
X
L12 = x2+y2+z2
L22 = (X-x)2+y2+z2
L32 = x2+(Y-y)2+z2
(0,y,0Y)
X = (x2-L22+L12)/2x Y = (x2—L32+L12)/2
返回
三维定位算法（球面相交法）
过
于
Z
T(x,y,z)
复 杂
实
L1
L3
际 使
L2
L4
(x1,y1,0)
用
简
(x3,y3Y,0)
化
后
X
(x2,y2,0)
(x4,y4,0)
Li = C * ti（i = 1,，2，3，4）
Li2 = (x - xi)2+(y-yi)2+zi2 （i = 1,，2，3，4）
反射Ac式tiv测e bats
超声波传输时间
9厘米
中等
距范围短
Cricket
超声波传输时间
4*4英寸
中等
RADAR
RF信号强弱
3—4.3米
无线网卡
PinPoit 3D—iD
RF到达时间差
1—3米
较高
Easy Living
计算机视觉
不确定
3个摄像机
Ubisense
RF UWB
15厘米
130000美元左右
系统基于环境的设计
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；
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
Z = L12-X2-Y2
红外线编码与识别
编码：
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）。
返回
系统定位原理图
RS485总 线
超声波
红外线1
P型接收 P型接收
节点
节点
P型接收 节点
T型接收 节点
PC端
信号发射节点
数据分 析模块
系统架构设计
实时监测 数据存取
中央处理 模块
轨迹复原
区域停留时间
数
据
采
集
模
通信接口
块
测距模块1
通信协议
通信接口
测距模块2
坐标解析
通信接口
测距模块3
信标注册
通信接口
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）。
Advantage：
成度本高常低，，方见精 向 室内定位技术的比较
性好。
Disadvantag e： 需要定多位易个系受统 干扰， 信A标cti采ve传集Ba输dge距s 离短 测距信息。
技术 红外线
精度范围 只能适用于房间
价格 低
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TDOA ）
d 曲线1（红外线） D
曲线2（超声波）
发射节t1点与接收节点的距离：St2=
t C*t2（C为声波速
度，常温340m/s）
Δt = t2 – t1（t1≈0） 距离算法公式： S = C*Δt
系统设计的基本思路
本文结合教室环境、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 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，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。
生两个方向的区分。
谢谢各位！
计）
该系统的优缺点
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） 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
测距模块4
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ຫໍສະໝຸດ Baidu信号 采集
进一步细化系统模块
1、信号发射模块； 2、测距信号接收模块； 3、朝向信号接收模块； 4、定位解析模块； 5、数据存储与呈现模块； 6、错误管理模块；（不单独进行模块设
教室室内定位系统的设计与开发
（ Master’s Thesis ）
华东师范大学 （毛敏、王广伟）
彭万里（2015年10月 27日）
系统设计意义和背景
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。
的 算 法
(线性方程)AX=b X = (ATA)-1*A（TbX是T点的x，y坐
三维定位（球面相交法）简化算法
Z T(X,Y,Z)
L1
L3
L2
(x,0,0)
(0,0,0)
X
L12 = x2+y2+z2
L22 = (X-x)2+y2+z2
L32 = x2+(Y-y)2+z2
(0,y,0Y)
X = (x2-L22+L12)/2x Y = (x2—L32+L12)/2
返回
三维定位算法（球面相交法）
过
于
Z
T(x,y,z)
复 杂
实
L1
L3
际 使
L2
L4
(x1,y1,0)
用
简
(x3,y3Y,0)
化
后
X
(x2,y2,0)
(x4,y4,0)
Li = C * ti（i = 1,，2，3，4）
Li2 = (x - xi)2+(y-yi)2+zi2 （i = 1,，2，3，4）
反射Ac式tiv测e bats
超声波传输时间
9厘米
中等
距范围短
Cricket
超声波传输时间
4*4英寸
中等
RADAR
RF信号强弱
3—4.3米
无线网卡
PinPoit 3D—iD
RF到达时间差
1—3米
较高
Easy Living
计算机视觉
不确定
3个摄像机
Ubisense
RF UWB
15厘米
130000美元左右
系统基于环境的设计
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；
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
Z = L12-X2-Y2
红外线编码与识别
编码：
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）。
返回
系统定位原理图
RS485总 线
超声波
红外线1
P型接收 P型接收
节点
节点
P型接收 节点
T型接收 节点
PC端
信号发射节点
数据分 析模块
系统架构设计
实时监测 数据存取
中央处理 模块
轨迹复原
区域停留时间
数
据
采
集
模
通信接口
块
测距模块1
通信协议
通信接口
测距模块2
坐标解析
通信接口
测距模块3
信标注册
通信接口
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）。