北斗導航與物聯網的聯合實驗室建設

李天松，周海燕，蔡成林

（桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

在“十二五”規劃中，北斗衛星導航被列入戰略性新興產業之一［1］，相關部門針對行業應用發展也制定了衛星導航產業的具體推進措施和目標。國內衛星導航市場逐步啟動，潛力巨大，國內衛星導航應用產業將迅速發展。物聯網（IOT，Internet of Things）［2］系統是指通過射頻識別（RFID，radio frequency identification）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網的出現是互聯網后信息技術的又一重大突破，它將網絡從人與人之間的信息交互，擴展到物與物、人與物的信息交互，將大大提高社會信息化水平。定位作為物聯網一項重要功能，必須結合衛星導航來實現。北斗導航系統除提供位置、速度和時間信息外，還可以為用戶提供短報文服務，這也是它在物聯網中應用的一個重要基礎。

目前各高校隨著技術、產業快速發展逐步展開了導航與物聯網專業的相關專業建設。但實驗室建設明顯存在滯后和不足。為使學生完成基于北斗與物聯網的基礎實驗到創新性應用系統的開發工作，提高學生的應用技術開發能力。根據北斗導航與物聯網應用技術情況及現狀，本文提出了建設北斗導航與物聯網聯合實驗室的具體建設目標、建設方案，并對實際設備選型、實驗內容設計與制定深入探討。

1 北斗導航與物聯網實驗室建設思路與目標

導航專業學生需要掌握絕對定位和相對定位及后期數據處理方法，對測量原始數據進行數據處理以得到較為精確的數據，設計一套應用于工科院校的導航定位實驗室顯得極為迫切。借助于實驗室平臺學生能深入理解衛星導航定位的原理和產品測試的方法。從定位導航專業方向出發，實驗室需要設置衛星位置解算，電離層、對流層誤差和信號信噪比計算，幾何精度因子計算，定位結果解算以及可視衛星的預報等內容［3］。物聯網通過各種傳感設備，把物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡，可廣泛應用于電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道等行業。物聯網專業培養要著力從工程應用作為突破，能基本達到并實現能通過不同傳感器的特性、不同網絡的組成形式，開發出更多實用性強的物聯網應用模式。物聯網實驗系統一般包括硬件設備、軟件資源、實驗資源三大部分。硬件設備包括微型無線傳感器、RFID和其他配套設備。軟件資源包括系統網絡軟件、嵌入式網關軟件、PC數據管理與分析軟件，實驗資源包括基于控制器的基礎實驗、傳感器信息采集實驗、無線信號收發實驗、網絡通訊實驗與組件控制實驗等。聯合實驗室的建設目標是以通信、導航定位為核心，利用完備移動通信網絡作為物聯網實驗的基礎條件，實現多種物聯網構架的創新實驗平臺。同時能夠為高校專業教學及創新和競賽，提供了技術支持和開發平臺，便于學生熟悉和掌握物聯網的構成及實際應用，促進我國北斗導航產業的應用推廣和人才培養。

2 北斗導航與物聯網實驗室建設要求

實驗室建設要滿足科研院所、生產企業、高校對衛星導航產品和技術開展研究與開發的需要，能夠提供真實信號或根據要求仿真衛星導航信號，提供接收機內部算法，使學生在開放環境下，進行衛星導航接收機及終端的實驗、研究與開發。使學生在真實設備、真實衛星信號環境下，進行實驗和編程，理解測距原理，掌握北斗導航測量誤差和信號傳輸誤差特性，掌握實時北斗衛星軌道計算方法，理解DOP的物理意義、掌握其計算方法及應用特性，掌握北斗衛星位置預報及Doppler頻移的預測方法等接收機核心技術。加深對北斗導航系統結構、工作原理、工作過程的理解，掌握北斗接收機核心算法和導航解算過程。

定位導航是專業性很強的一門學科，而物聯網跨專業面比較大［4］，涉及學科比較多。在實驗室設計構建中，一定要及時跟蹤未來物聯網的發展和變化，實驗室可以平滑地擴充和升級。建設方案的預見性應非常高，但這仍不能滿足技術飛速發展需要。面向高校物聯網工程專業及物聯網方向性專業教學需求，實驗室教學必須做到理論與實踐相結合，實驗室設備應同主流設備的無縫結合。實驗室教師在實驗內容上要圍繞物聯網研究、應用型人才的培養，根據學科的特點采用“啟發式教學”模式，注重學習能力、實踐能力、設計能力、創新能力、交流能力和團隊協作能力的培養。物聯網技術作為一門全新的應用性很強的綜合學科，實驗室建設方案要考慮物聯網教學體系的建設以國家物聯網人才培養的高度和專業角度出發，滿足學生的就業技能需求。物聯網技術需要通過大量的實踐環節來學習，通過合理配置實驗室設備，不僅使實驗室應用于教學實驗，亦可用于本科生的畢業課題設計、創新實踐項目開發以及電子設計比賽等方面，圖1給出了聯合實驗室建設的服務方向及目標。

圖1 聯合實驗室服務方向及目標示意圖

目前國內某些高校的網絡實驗室或通信實驗室已經增設了部分物聯網實驗，但基本上還只是簡單的操作配置或終端感應器件的設計等實驗。實驗室建設方案中配置物聯網信息平臺的指導思想是讓學生不僅可以深入掌握局部的感應層終端設備的設計和使用方法，而且可以結合定位導航全面學習和掌握網絡通信、硬件設計和軟件編程、以及物聯網綜合應用知識。

3 核心實驗設備選型分析

3.1 北斗定位導航設備部分

NewStar150BG是東方聯星公司為配合BD／GPS教學專門開發的實驗平臺。NewStar150BG提供了開放式的實驗環境，可以在真實設備、真實衛星信號環境下進行實驗和編程，可以進行BD2／GPS測量誤差和信號傳輸誤差特性測試，實現實時BD2／GPS衛星軌道計算。NewStar150BG實驗平臺具有：BD2／GPS有源全向天線、LCD同步時間顯示器、LED可視衛星同步指示裝置、BD2／GPS實時數據錄取軟件、實時衛星軌道計算軟件，電離層、大氣層、相對論誤差計算軟件，定位精度因子計算軟件，可視衛星預測軟件，接收機位置、速度、時間解算軟件等［5］。該平臺功能還包括DOP計算方法及應用特性BD2／GPS衛星位置及Doppler頻移的預測方法等接收機核心技術［5］。表1、2分別給出系統組成、作用和主要技術指標。

表1 系統組成及各部分作用

表2 主要技術指標

3.2 物聯網信息平臺搭建

通過配套的設備與模版，物聯網信息平臺要能提供網絡通信密切相關的硬件設計和應用編程。目前的物聯網相關設備生產廠家如雨后春筍冒了出來，這給設備的采購和選型帶來了大量的選擇余地。物聯網實驗系統包括硬件設備、軟件資源、實驗資源三大部分。硬件設備包括微型無線傳感器、RFID、GPS、TD－SCDMA和其他配套設備。軟件資源包括系統網絡軟件、嵌入式網關軟件、PC數據管理與分析軟件。實驗資源包括基于控制器的基礎實驗、傳感器信息采集實驗、無線信號收發實驗、Zigbee網絡通信實驗及組件控制實驗等。總而言之物聯網信息平臺是一個基于無線局域網、結合嵌入式終端設備組建的物聯網綜合信息網絡系統。以下給出一些公司的設備配置供選型參考。

（1）物聯網Zigbee技術［6］教學實驗組合子部分包括協議分析層面與網絡拓撲層面。終端傳感器節點可以完成溫濕度傳感器實驗、光電傳感器實驗、壓力傳感器實驗等。其中微型無線傳感器分為溫度、濕度、光電、壓力等多種傳感器。每個節點由MCU／RF部分、傳感器部分和電源管理部分組成。支持2.4GB無線組網，配備按鍵輸入和LED輸出，支持電池工作，并配套電池充電功能。

（2）射頻識別（RFID）應用教學實驗組合子部分：以具體的真實的系統感性認知為目標，加強學生對RFID系統原理的理解和認識，更好地幫助學生學好、學透RFID技術。同時也給學生增加通信方面的專業知識，實驗過程真實具體。采用分立元件設計RFID原理機，展現RFID各個組成部分原理和具體電路，配有完整RFID讀寫器系統，可以開展相關的硬件電路測試實驗和相關軟件協議的測試和實驗。

射頻識別（RFID）原理技術與應用實驗平臺規格及參數：

① 載波頻率：125kHz、13.56MHz、920～925MHz；

② 支持協議：ISO14443A，ISO14443B，ISO15693，ISO18000－6B，ISO18000－6C（EPC GEN2）；

③ 作用距離：ISO14443：7～15cm，ISO15693：10～30cm，ISO18000～6B：6～12m；

④ 通信接口：RS232。

（3）嵌入式網關應用實驗子部分：采用嵌入式PXA270系統［7］，其軟硬件主要包含：①核心板；②由以太網接口、4.3寸 TFT LCD、AC97標準音頻輸入輸出接口、支持PC與設備同步USB CLIENT、串行接口等組成的底板；③無線傳感網絡軟件、嵌入式網關軟件、PC數據管理與分析等軟件資源。

4 實驗內容設計及部分實例介紹

實驗內容分為基礎實驗、綜合型實驗和創新設計型實驗3大類型。導航部分基礎實驗內容包括：實時衛星位置解算及結果分析，實時傳輸誤差計算與特性分析及信噪比與衛星仰角關系，幾何精度因子（DOP）的實時計算與分析導航解算（接收機位置、時間）及結果分析，可視衛星位置預測。物聯網基礎實驗主要包括：感應層實驗、網絡層實驗和應用層實驗。

4.1 部分基礎實驗舉例

4.1.1 衛星位置解算

該實驗目的是理解實時衛星位置解算以及在接收機導航位置解算過程中的作用及完成衛星位置解算所需的條件。了解衛星導航電文的格式、主要內容及各部分作用。根據星歷可以算出衛星的實時位置，并且星歷中給出了消除衛星鐘誤差、相對論誤差、地球自轉誤差、電離層和對流層誤差的參數，根據這些參數計算出的衛星位置，可以基本上消除上述誤差［8－9］。參考圖2空間模型，實驗中獲取當前可視衛星的星歷信息，并作記錄。求解ECEF坐標系下衛星位置的基本步驟是：①計算歸化時間；②計算觀測時刻的平近點角；③計算偏近點角；④計算衛星矢徑；⑤計算衛星真近點角；⑥計算升交點角距；⑦計算攝動改正項；⑧計算經過攝動改正的升交距角、衛星矢徑、軌道傾角；⑨計算觀測時刻的升交點經度；⑩計算衛星在地心坐標系中的位置。

圖2 衛星軌道及地球及各參量示意圖

4.1.2 射頻識別（RFID）讀寫及控制測試

實驗目是要求熟悉非接觸式IC卡的結構和讀寫方式，掌握非接觸式IC卡的基本讀寫操作功能及識別控制原理，理解非接觸式IC卡雙向數據的通信過程。非接觸式IC卡讀寫控制系統如圖3所示由讀寫器、計算機和數據輸出顯示電路3大部分構成。

圖3 非接觸式IC卡讀寫控制系統

RFID卡是通過電磁波感應原理［10］，在讀寫頭和IC卡之間交換數據，射頻IC卡與無線電通信在原理上和功能上不完全一樣。通常射頻卡通信距離較小，只有幾厘米至幾十厘米，RFID卡內設置有天線線圈。由作為固定設備的讀卡頭產生交變電磁場，當RFID卡靠近電磁場時，它的線圈從電磁場中吸收能量，當能量聚集到足夠時，卡中的微電路開始工作，微電路工作時，它并不發射數據，而是利用微電路工作時會消耗電磁能量，使電磁信號發生變化，由讀卡頭本身檢測電磁場的變化，該電磁場的變化即為對應卡中的數據。

實驗內容主要包括RFID卡和計算機中信息進行查詢、修改等讀寫操作；進行身份識別、交易及并口輸出控制外設操作；進行讀寫RFID卡波形測試。給學生以具體的真實系統感性認識，加強學生對RFID系統原理的理解和認識，更好地幫助學生學好、學透RFID技術。同時也給非通信專業的學生增加通信方面的專業知識，力求實驗過程真實具體。

4.2 Zigbee實時定位綜合性實驗

綜合性實驗旨在對學生的知識、能力、素質形成綜合培養的實驗。不同于驗證某一原理、結論的單一實驗，內容上應體現復合性，方法要求多元化。人員實時定位在煤礦、安防等特殊作業環境中顯得尤為重要。實驗系統利用Zigbee模塊組成通信網絡，在布置網絡模塊的位置時，注意應使每個模塊至少可與兩個以上的模塊進行通信，以保證Zigbee網絡通信的可靠性。這個通信網絡本身也是一個定位網絡，網絡節點通過讀取移動目標的信號強度，來確定移動目標的位置信息。定位系統由參考節點和定位節點組成。參考節點是一個位于已知位置的靜態節點，該節點確知自身的位置并可將其位置通過發送數據包通知其他參考節點。定位節點從參考節點處接收數據包信號，獲得參考節點位置坐標及相應的RSSI值并將其送入定位引擎，然后讀出由定位引擎計算得到的自身位置。具體實驗內容包括：移動目標身份識別、移動目標位置確定及RSSI定位參數優化。

移動目標身份識別部分可以發揮學生能動性，自主采用不同頻段的RFID系統對比設計，每一個需定位的移動目標配備RFID模塊，實驗過程中可對比不同模塊、不同參數設置對系統功能的影響。RSSI是指節點接收到的無線信號強度大小，它是目標定位的理論基礎。已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據接收到信號的強度計算出信號的傳播損耗。利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離，通過三角定位法確定待定位節點位置。實時定位系統實施方案如下：主機連接網關實現對整個網絡調度，編寫定位軟件觀察各個定位節點和參考節點的運行情況。定位節點根據參考節點提供坐標和RSSI平均值計算出自身的精確位置（坐標），并把該坐標協同定位節點標識號發送給網關。網關充當協調器組建一個ZigBeeWSN網絡，把定位節點坐標及外部環境參數傳送給主機。

4.3 創新設計性實驗 “基于北斗的車聯網”

與基礎實驗相比，設計性實驗更加注重內容的探索性、方法的多樣性。設計性實驗的實驗目的明確且唯一，而達到實驗目的的途徑和方法不盡相同。在設計性實驗過程中，學生的獨立思維和個性得到充分發揮，可以從根本上改變了千人一面的傳統教學模式，有利于創新人才的培養。如圖4所示，利用先進導航定位、無線傳感技術、網絡技術、計算技術、控制技術、智能技術等組建一個車聯網模擬實驗系統，對道路和交通進行全面感知，實現多個系統間大范圍、大容量數據的交互，對每一輛汽車進行交通全程控制，對每一條道路進行交通全時空控制，為交通提高效率和安全。實驗組成部分主要有傳感采集控制設計、定位信息獲取及實現包含數傳控制設計環境和應用開發流程。譬如利用北斗導航系統獲取終端位置、速度等定位信息；對各種車輛運行參數通過傳感器進行采集、處理。通信網絡實驗部分包含物聯網無線局域組網、數據無縫接入、遠程使用開發流程。系統應用設計部分來實現應用場景描述、需求分析、系統集成開發流程。綜合設計實驗也可以結合幾個常用的車聯網智能交通應用，比如ETC系統、車載信息診斷系統、智能充電系統、智能交通指揮以及線路導航深入展開，通過這些模擬應用實驗加深師生對車聯網技術的發展的理解，在此基礎上支持和擴展新的課題實驗開發，激發學生的創造性研究熱情。

圖4 基于北斗導航的車聯網示意圖

5 結束語

導航定位技術與物聯網技術日益深入并影響著人們的生活方式。各高校相關專業實驗室建設明顯存在滯后和不足［11－12］；本文適時提出了北斗導航與物聯網聯合實驗室建設思路和方案。結合導航和電子專業必修課程授課情況，探討適用于本科階段培養的定位導航、通信、射頻識別等實驗內容，所設計的有關實驗內容有助于學生應用技術開發能力的提高。因為新興產業發展迅猛，相關實驗內容仍需要在實踐教學中加以改進。我們將對本校初步籌建的北斗導航與物聯網實驗室及時總結經驗，盡力做到理論與實踐相結合，為相關衛星導航、物聯網領域人才培養提供一個創新研究平臺。

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