基于WSN的“GPS原理與應用”在線教學實踐系統的設計與應用

楊 慧，張小露，耍倩倩

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

基于WSN的“GPS原理與應用”在線教學實踐系統的設計與應用

楊 慧1,2，張小露1，耍倩倩1

(1.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

深入分析“GPS原理與應用”教學實踐現狀，針對傳統GPS施測及RTK應用教學實踐過程的薄弱環節，結合當前移動定位服務的發展前景，基于無線傳感器網絡技術，開發并實現“GPS原理與應用”在線教學實踐系統平臺，以引導學生進行GPS定位信息的實時接收、遠程傳輸、動態顯示、實時監測及統計分析等功能。應用結果表明，相對于傳統的實踐教學手段，基于WSN的“GPS原理與應用”在線教學實踐系統對促進GPS實踐教學具有充分的理論依據和實踐意義。

無線傳感器網絡；定位信息；GPS原理與應用；在線教學實踐系統

全球定位系統(Global Positioning System，GPS)是美國20世紀70年代研制的一種具有全球性、全天候、實時性和連續性的衛星導航與定位系統[1-2]，其通過接收衛星發射的信號并進行數據處理，從而求定測量點的空間位置[3]。目前，隨著GPS衛星技術的迅猛發展和完善，其定位技術由實時單點定位、靜態相對定位發展到實時偽距差分定位(Real-time Kinematic pesudorange Difference，RTD)、實時動態定位(Real Time Kinematic，RTK)，定位精度的不斷提升，極大地提高了外業測量的效率，滿足了各個領域測量精度的需求[4]。GPS以其全天候、高效率、精密的三維導航與定位功能，現已廣泛應用于軍事、農業、工程測繪、資源勘查、車輛導航、地理信息系統等諸多領域。

因此，國內許多高等院校相繼在各相關專業中開設了“GPS原理與應用”課程[5-6]，該課程是一門多學科交叉融合的綜合性學科，其涉及的知識面廣泛，實踐性強，通過該門課程的學習，學生需在掌握GPS基礎理論知識的基礎上，提高自身的動手操作能力、創新能力以及主動發現、分析和解決問題的能力，因此如何使學生真正理解GPS定位的原理與方法，掌握GPS定位數據采集、傳輸與處理流程，不斷提高GPS課程教學質量是廣大教育工作者面臨的一大問題。實踐教學是“GPS原理與應用”課程的重要教學環節之一，目前其主要形式可概括為GPS測量控制網的施測[7]和GPS-RTK技術應用實習[8-10]兩個方面。

通過分析近年來的GPS實踐教學狀況，發現其多采用傳統的課程講解和外業測量的方式[11]，而GPS在近些年的發展非常迅速，教材的更新速度卻相對滯后，且隨著移動互聯網(Mobile Internet，MI)、基于位置的服務(Location Based Services，LBS)、無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)等技術的飛速發展，如何瞄準科學發展的前沿，將其引入“GPS原理與應用”課程的教學中來，是對廣大教育工作者的一個挑戰。

本文針對傳統GPS施測及RTK應用教學實踐過程的薄弱環節，結合當前移動定位服務的發展前景，基于無線傳感器網絡技術內涵，引導學生結合GPS定位模塊、GPRS通信模塊和微控制器設計GPS在線實踐儀器，利用WebGIS技術設計并實現基于無線傳感器網絡的“GPS原理與應用”在線教學實踐系統。

1 基于無線傳感器網絡的GPS實踐應用

1.1 無線傳感器網絡

WSN是系統中的數據采集模塊，由傳感器節點、匯聚節點、網關節點和監控中心組成[12]。每個傳感器節點除了進行本地信息收集和數據處理外，還要對其他節點轉發來的數據進行存儲、管理和融合，并與其他節點協作完成任務[13]；匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，負責路由、轉發、融合、存儲其他節點信息；網關節點連接無線傳感器網絡和外部網絡的通信，實現網絡通信協議之間的轉換，接收和匯總網絡中所有節點的信息，并通過光纖、Internet或衛星鏈路將數據傳送到監控中心；監控中心負責監測區域數據信息的綜合處理，具有信息處理、決策等功能。大量傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐條地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多條后路由到匯聚節點，最后通過衛星或互聯網到達監控中心。用戶通過監控中心對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務和收集監測數據[14]。

1.2 系統架構

“GPS原理與應用”在線教學實踐系統是由WSN，GPRS，GPS和WebGIS等技術結合設計并實現的。基于WSN的“GPS原理與應用”在線教學實踐系統由傳感器網絡系統、GPRS網絡和WebGIS在線監測系統組成，系統結構如圖1所示。

圖1 GPS在線實踐教學系統結構

其中，無線傳感器網絡負責采集和處理實踐區域的數據信息，通過GPRS終端連接到GPRS無線通信網絡并接入Internet，將數據處理后發送到遠程數據監測中心進行分析處理；在線監測中心由一臺或多臺可以接入Internet的計算機和相應數據通訊收發設備以及必要的輸出設備組成，負責對GPS數據采集終端進行遠程控制，通過發送指令實現遠程實時監測和控制[15]。

實踐時，首先學生利用自主開發的GPS實踐儀器在實驗區域(中國礦業大學南湖校區校園)內移動，實時獲取校園內預先選定的實驗地點的位置信息；然后通過GPRS網絡將獲取到的位置信息傳送到數據中心服務器進行集中處理，經檢查無誤后有效的數據將會被保存到數據庫，如時間、經緯度、高度、移動速度等；后臺監控中心在與前端采集系統進行數據交互的同時，還與用戶端系統進行數據交互，用戶可通過手機、PDA和筆記本電腦等移動設備客戶端與服務器進行交互通信，具有訪問權限的指導老師可遠程登錄WebGIS在線監測系統界面，實時查詢和控制服務器端的數據，并在百度地圖上進行點的標注以及實現運動軌跡的回放。

2 GPS在線實踐教學系統設計與實現

2.1 GPS在線實踐儀器硬件設計

根據GPS實踐教學的需求，設計開發的GPS在線實踐儀器由GPS模塊、微控制器模塊、GPRS無線通信模塊和電源管理模塊組成，硬件結構如圖2所示。

圖2 GPS在線實踐儀器硬件結構

其中，微控制器模塊主要負責GPS定位系統中的運算、數據傳遞以及控制協調各模塊之間的工作[16]。微控制器采用NXP公司的LPC1700系列，該系列芯片采用低功耗、高成本效益的Cortex-M3內核，其最高工作效率為100 MHz。同時也采用了矩陣式AHB總線，可同時運行以太網、USB等高寬帶外設，而不會影響性能。除此之外，每個器件最高可搭載512 KB內存和64 KB SRAM，可滿足硬件系統的要求。

GPS定位模塊負責接收衛星的定位信息，將接收數據輸入到微控制器模塊，根據接收到的經緯度坐標值計算出實踐儀器所在的具體位置。本文選用的JRC-GPS模塊是由中國無線技術有限公司設計的GPS接收器模塊，可為各種應用提供最好的解決方案。該模塊兼容三星14B01、14B02(1613)、環天ET312(2820)、鼎天REB3310(2525)、Ublox 4X/5X等主流產品；可支持多達210PRN渠道，其中有66個搜索渠道和22個同步跟蹤渠道。它支持L1波段信號集，如全球定位系統的C/A和SBAS(包括WAAS，EGNOS MASA)；支持NMEA0183 V3.01通訊協定；提供API(應用編程接口)和電子地圖，可以實現自主導航的解決方案，以及GPS導航解決方案，以取得快速TIFF和準確的導航性能，能夠很好的滿足GPS實踐教學對定位模塊的性能要求。

GPRS通訊模塊主要負責微控制器與GPS 模塊的數據傳輸，實時接收并過濾所有GPS發來的數據，最后保留有用的數據，如時間、經緯度、高度、速度等[17]。GPRS無線模塊采用SIMCOM有限公司提供的SIM900A模塊。該模塊不僅支持通常用于PPP連接的PAP協議，還內嵌了TCP/TP協議，允許一個TCP/UDP傳輸機制以最小的前期配置和操作來被使用，可以直接用AT命令對其進行控制，使用起來非常方便。GPRS模塊主要包括數據處理模塊、通信模塊、模數轉換模塊和顯示模塊四部分。首先GPS模塊獲取到數據信息后，協調器通過串口將匯聚的數據經由GPRS通信模塊，按照TCP/IP協議轉發到Internet上，然后由服務器端讀取數據并存儲至數據庫中，可在需要時進行分析處理。

2.2 WebGIS在線監測系統實現

GPS在線實踐教學系統的主要目的在于實時在線處理并顯示匯集到數據中心的學生實踐過程中獲取的位置信息，并將實踐結果和真實經緯度坐標進行比對，確定各實踐數據的采集時間和經緯坐標位置所代表的具體點，以對學生的實踐結果做出判斷，從而實現GPS在線實踐教學的學習與管理。WebGIS在線監測系統以中國礦業大學南湖校區校園的基礎地理空間數據為依據，系統采用B/S 3層架構，分為表現層、應用層及數據層3個邏輯層次，系統結構如圖3所示。

圖3 WebGIS在線監測系統結構

表現層是系統與用戶交互的接口，主要負責WebGIS數據功能的表現，進行GIS的查詢分析，并將結果可視化輸出，一般為通用的瀏覽器軟件，如IE，Firefox等；應用層需要為表現層提供地理信息服務并進行相應分析。這些服務由GIS服務器進行管理，所提供的地理信息服務包括空間數據服務、空間功能服務以及空間元數據服務3種。數據層則要提供地理信息數據的存儲、分析、管理等，數據庫也轉化成了數據服務器，在應用服務器需要數據訪問操作時配合訪問數據庫。3層結構模式將用戶邏輯和應用邏輯分置在不同的平臺上，使得用戶可以進行分布式的數據處理。

如圖3所示，客戶端瀏覽器用戶通過Internet向服務器發送URL及GIS數據操作請求，用戶在客戶端的每個操作都將被轉化成對服務器的請求[18]；Apache接受請求后，通過PHP腳本語言，調用數據庫中的數據，加載到Web地圖上，同時調用Web地圖API，對地圖數據進行處理；系統又通過Apache和Web服務器將操作結果(屬性與地圖信息)返回到發送請求的Web瀏覽器并顯示，從而實現用戶與服務器的動態交互[19]。

3 原型系統及實驗案例

本系統所采用的GPS在線實踐儀器是自主開發的、具有快速、準確定位功能的在線實踐教學儀器，其包括NXP公司的LPC1700系列的微控制器、中國無線技術有限公司設計的JRC-GPS模塊以及SIMCom有限公司提供的SIM900A模塊，該儀器可快速、優質的完成GPS定位信息的遠程GPRS無線傳輸以及數據傳遞等，GPS在線實踐儀器實物如圖4所示。

圖4 GPS在線實踐儀器實物圖

GPS在線實踐教學系統分為三大模塊：基礎地圖功能、查詢顯示模塊、地圖操作模塊。其中，基礎地圖功能主要是在百度API的支持下實現地圖的一些基本操作，包括地圖放大、縮小、漫游等；查詢顯示模塊主要支持用戶根據時間或分組進行查詢結果顯示；地圖操作模塊支持用戶在地圖上添加標注以及根據GPS定位點集在線生成并顯示運動軌跡路徑，并作為特征點的測量是否準確的判斷依據，系統功能模塊如圖5所示。

圖5 系統功能模塊

以GPS平面控制測量實習為例，采用3臺GPS實踐儀器進行同步觀測，首先，將學生分配為若干個小組，每個小組配備自主研發的GPS實踐儀器1臺，3個小組配合完成GPS平面控制測量；其次，在校園空曠的地點選擇4個控制點，在前3個點安置GPS實踐儀器，測量并將GPS實踐儀器號、經緯度、高程等數據通過GPRS網絡上傳到GPS在線教學實踐系統；然后，待各個同步觀測的實踐儀器均搜尋正常后，組長通過系統設置數據記錄，同步觀測45 min，并將起止時間自動記錄于GPS在線教學實踐系統各小組對應的數據庫中；最后，將1號點的GPS實踐儀器搬至4號點位置，進行第二時段的觀測，第二時段觀測結束后將3號點的儀器搬至1號點進行第三時段的觀測，第三時段觀測結束將2號點的儀器搬至3號點進行第三時段的觀測，以此形成GPS的平面控制網。學生進行測量期間，指導老師可通過GPS在線教學系統動態觀察每個小組學生具體位置及運動軌跡。GPS在線實踐教學系統用戶界面如圖6所示。

圖6 GPS在線實踐教學系統用戶界面

4 結束語

GPS定位技術是目前應用最為廣泛的定位技術之一，其與無線傳感器網絡技術的應用與結合研究已成為技術熱點并得到廣泛的關注，本文結合GPS實踐教學的現狀，通過使用無線傳感器網絡技術，實現GPS定位模塊的自主開發，實現數據的采集、處理、傳輸和存儲等環節的自動化。引入GPRS無線通信技術，使得測量信息的傳輸更為方便快捷，WebGIS技術的應用使得數據的管理發布更加快速有效，適應了新時代網絡化、共享化的特點。經過嘗試與實踐，基于WSN的“GPS原理與應用”在線實踐教學系統使學生拓寬了知識面并接觸到當前的前沿技術，而且學生通過實踐加強了對GPS理論知識的鞏固，既提高了學生研究與開發GPS定位模塊的操作動手能力及創新能力，也培養了學生主動發現問題和分析解決問題的能力，為畢業生未來參與社會的競爭打下扎實基礎。此外，隨著技術的發展，基于無線傳感器網絡的在線教學系統將在更多課程教學中得到應用，進一步推動實踐教學的發展，提高教學質量。

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[責任編輯：張德福]

On the online teaching practice system ofGPSprinciplesandapplicationsbased on WSN

YANG Hui1,2, ZHANG Xiaolu1, SHUA Qianqian1

(1.School of Resources and Geosciences, China University of Mining, Xuzhou 221116,China;2. Key Laboratory of Coal Bed Gas Resources and Forming Process of Ministry of Education, China University of Mining, Xuzhou 221116, China)

Through in-depth analysis on the present situation of the teaching practice of GPS principle and application, in view of the weak link of the traditional GPS application and RTK application teaching practice process, combined with the current development of mobile location services, based on Wireless Sensors Networks technology, this paper develops and implements an online practice teaching system ofGPSprinciplesandapplications, to guide students of GPS positioning information to receive real-time, remote transmission, dynamic display, real-time monitoring and statistical analysis functions. The application result shows that, compared with the traditional practice teaching methods, the online practice teaching system ofGPSprinciplesandapplicationsbase on WSN has a sufficient theoretical basis and practical significance for the promotion of GPS practice teaching.

wireless sensor networks; positioning information; GPS principles and applications; online teaching system

著錄：楊慧，張小露，耍倩倩.基于WSN的“GPS原理與應用”在線教學實踐系統的設計與應用[J].測繪工程，2017，26(7)：71-75.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.07.015

2017-01-17

江蘇省自然科學基金資助項目(BK20131113)；國家自然科學基金資助項目(41301433；51678127)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

楊 慧(1983-)，女，副教授，博士.

G640

A

1006-7949(2017)07-0071-05