HBE－Ubi－nanoLOC實驗教學裝置二次開發(fā)

何 鵬，萬曉青，周 瓊，董 亮

（齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

物聯(lián)網(wǎng)作為新興產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)涉及多個學科，因此通過實踐教學將這些跨學科知識進行融會貫通尤為重要［1－2］。目前物聯(lián)網(wǎng)實踐教學體系的主要手段有層次化實驗教學模式和分層實驗設(shè)計等體系結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，部分學生不能很好地將分層的各學科實驗相結(jié)合，在培養(yǎng)學生的綜合能力方面針對性不強。

本實驗室引進了韓國韓伯電子公司生產(chǎn)的HBEUbi－nanoLOC實驗箱，實現(xiàn)了底層硬件系統(tǒng)的搭建，但HBE－Ubi－nanoLOC實驗箱無法與上位機和數(shù)據(jù)庫進行連接，限制了綜合性實驗項目的研究。基于上述不足，對HBE－Ubi－nanoLOC實驗箱進行了二次開發(fā)，目的是提高綜合實驗裝置的使用價值和實驗教學效果，開發(fā)出具有設(shè)計性、創(chuàng)新性和綜合性的實驗項目［3］。將該實驗箱中的節(jié)點模塊通過串口與上位機進行連接，使用Visual Basic軟件與上位機一起合作，進行操作和仿真，然后將Visual Basic軟件與數(shù)據(jù)庫相連接，將串口讀入的內(nèi)容進行匯集存儲，并保存到數(shù)據(jù)庫中。該裝置具有以下優(yōu)點：

（1）所設(shè)計的裝置綜合了Tinyos操作系統(tǒng)、Visual Basic軟件、HBE－Ubi－nanoLOC工具箱和PC機等，達到軟硬件相結(jié)合的目的，使學生全面掌握所學知識，增強學生掌握專業(yè)知識的綜合能力；

（2）學生不僅能在底層學習掌握硬件操作系統(tǒng)，也可以與上位機一起合作，用Visual Basic軟件做界面，實時捕捉仿真后的結(jié)果，學生可根據(jù)自身能力從簡單編程開始，逐步復雜化，該裝置適用于高校各年級各級別的學生；

（3）在此實驗裝置上學生可以開展與專業(yè)課相關(guān)的實驗，進行編程與仿真，也可開展各種電子競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等的研究，該裝置能有效地激發(fā)學生學習的熱情，增強他們的實踐能力，使學生意識到所學知識的應用領(lǐng)域。

1 實驗裝置的構(gòu)成

實驗裝置架構(gòu)流程如圖1所示。

圖1 裝置架構(gòu)流程圖

實驗裝置（見圖2）包括：高清CCD攝像機，HBEUbi－nanoLOC工具箱，PC機，Visual Basic軟件，以及TinyOS操作系統(tǒng)。

圖2 實驗裝置

1.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件包括PC機和韓國（株）韓伯公司制作的HBE－Ubi－nanoLOC工具箱。使用工具箱中的各個模塊進行通信定位，該工具箱中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)內(nèi)置了LAN、WLAN、Bluetooth等模塊且使用nesC語言進行編程，以表達TinyOS的執(zhí)行模型和結(jié)構(gòu)化概念，RF輸出10dBm，可提供最長300m通信距離。該產(chǎn)品適用于多個應用領(lǐng)域，尤其適用于近距離通信、財產(chǎn)保護和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等。

圖3 HBE－Ubi－nanoLOC工具箱

1.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件分為兩部分：TinyOS操作系統(tǒng)和PC機端控制程序。其中TinyOS是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，由加州大學伯克利分校開發(fā)。基于TinyOS的編譯程序體積非常小。在考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的一般特征下設(shè)計了此操作系統(tǒng)，它支持有效地利用有限的存儲空間和模擬輸入設(shè)備。TinyOS是首個專門針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點和需求而設(shè)計的操作系統(tǒng)，目前應用較為廣泛［4－5］。nesC是一種新的編程語言，是對C語言的擴展，它把組件化、模塊化思想和基于事件驅(qū)動的執(zhí)行模型結(jié)合了起來，以表達TinyOS的執(zhí)行模型和結(jié)構(gòu)化概念［6－7］。

PC機端控制程序由Visual basic編寫，它是面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ撸荳indows平臺上一個強大的開發(fā)工具，它提供的是真正的面向?qū)ο蟮目梢暬幊谭椒ǎa維護非常方便［8－9］。該軟件主要功能包括：通過USB端口連接 HBE－Ubi－nanoLOC工具箱中傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點模塊，數(shù)據(jù)通過MSComm控件被采集到Visual Basic界面中。將Visual Basic軟件與數(shù)據(jù)庫相連接，將采集到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)在該裝置界面中繪制移動節(jié)點的大致運動軌跡。

1.3 應用程序總體框架

在TinyOS系統(tǒng)中，每個應用程序通常由頂層配件、核心處理模塊和其他組件組成。每個應用程序有且僅有一個頂層配件，而模塊負責實現(xiàn)具體的邏輯功能［10］。應用程序的功能決定了所要包含的組件，組件間通過接口進行連接，上層組件調(diào)用下層組件的命令，下層組件向上觸發(fā)事件。運用編程語言nesC編制了HBE－Ubi－nanoLOC節(jié)點模塊的代碼語言，將該代碼語言燒錄到HBE－Ubi－nanoLOC儀器中的各個節(jié)點模塊中，通過Visual Basic軟件中的MSComm控件采集數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫中。實驗結(jié)果表明，該裝置操作簡便、便于理解，適合高校各年級學生使用。應用程序總體框架見圖4所示。

圖4 應用程序總體框架圖

1.4 UBI－nanoLOC的位置測量

為了測量一個移動節(jié)點的位置，至少需要3個節(jié)點在固定位置。使用三角研究方法，該方法基于3個固定節(jié)點（A、B和C）和一個移動節(jié)點，頂點之間的距離可以被計算出來。以3個固定節(jié)點為圓心，以固定節(jié)點至移動節(jié)點M之間的距離分別為R1、R2和R3為半徑作圓，如圖5所示。

圖5 移動節(jié)點M的準確位置

設(shè)A點位置為（xA，yA），B點位置為（xB，yB），C點位置為（xc，yc），移動點M位置為（x，y），則有：

通過計算上述公式，獲取M點的（x，y）的值。

通過使用上述所描述的三角研究方法測量移動節(jié)點和固定節(jié)點之間的距離，完成相關(guān)測試。

2 實驗裝置的部分功能——數(shù)據(jù)接收

根據(jù)軟件系統(tǒng)的構(gòu)成和界面設(shè)計原則，對軟件界面進行粗略構(gòu)思，以軟件系統(tǒng)的各個功能為模塊，考慮到軟件的實用性，采用單窗體方式［11－13］。對于串口而言，其發(fā)送與接收可以通過MSComm控件實現(xiàn)。將HBE－Ubi－nanoLOC儀器中已燒錄程序的節(jié)點模塊與PC機相連接，點擊打開串口，數(shù)據(jù)以‘HEX’方式輸入，MSComm控件的inputlen屬性設(shè)為0，即每次從輸入緩沖區(qū)讀入全部內(nèi)容，顯示值對應字符的二進制編碼。設(shè)計效果如圖6所示。

圖6 接收數(shù)據(jù)界面

分析從串口讀入的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)之間有很強的線性相關(guān)性，根據(jù)所接收數(shù)據(jù)建立線性回歸方程。通過所建立的方程大致可描繪出移動節(jié)點的運動軌跡，如圖7所示。

圖7 移動節(jié)點活動軌跡

3 結(jié)束語

本裝置綜合了多門課程的實驗，實現(xiàn)軟硬件相結(jié)合。在該裝置中學生可以使用Visual Basic語言進行編程和仿真。學生不僅可以自行設(shè)計與專業(yè)課相關(guān)的實驗，開展課程設(shè)計及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等研究，還可制作各種網(wǎng)頁及游戲。這樣提高了學生學習的熱情，增強了學生掌握專業(yè)知識的綜合能力，在學習上達到舉一反三的成效。今后將不斷地完善該教學裝置，期望不僅使用 Visual Basic軟件，也可以使用 VC、Lab－VIEW、Java等軟件對 HBE－Ubi－nanoLOC工具箱進行二次開發(fā)。該裝置的開發(fā)為今后工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。該裝置不僅可以用于高校進行實踐教學，也可以用于與通信有關(guān)的領(lǐng)域。

（References）

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