基于北斗系統的物聯網室內檢測研究

胡慶松,王鵬,姜波

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

0　引　言

物聯網(The Internet of Things)的出現是繼互聯網之后,信息技術的又一重大革命。它使傳統網絡從人與人的聯系擴展到物與物、物與人的聯系,這將大大提高了社會信息化水平,并且已經成為我國七大戰略性新興產業之一。其中,室內檢測在物聯網范疇內屬于發展相對成熟的一項技術。北斗衛星導航系統(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)簡稱北斗系統(BeiDou System)是我國自主研發的全球定位導航系統,具有本土優勢,以其優異的熱性而得到廣泛使用。

全球衛星導航定位技術、物聯網等新一輪的信息技術迅速發展和不斷深入應用,為我國城市運行和管理進入“智慧化”模式提供了堅實的技術保障,奠定了堅實的科技基礎,向更高階段的智慧化發展已成為我國全面智能化發展的必然選擇[1-3]。在日趨成熟的理論基礎支撐下,北斗系統將更好地服務于物聯網室內檢測,革新檢測機制,用本土研發的技術來發展具有中國特色的物聯網室內檢測技術。在物聯網室內檢測技術中,傳感器檢測所得室內參數需要準確并實時地通過網絡傳輸出去。北斗系統準確的數據傳輸和授時功能可以更好地促進物聯網室內檢測技術的發展。

1　概述

1.1　物聯網室內檢測技術

物聯網系統是指通過射頻識別(RFID)、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,進行信息交換和通訊,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[4]。

物聯網室內檢測技術是物聯網在室內檢測領域內一項重大應用,其基本組成可分為三個層次,主要是感知層、網絡層和應用層。感知層主要用到的是各種室內環境參數的傳感器,用于檢測室內環境的變化,提取室內環境參數。網絡層主要使用無線傳感器網絡、蜂窩移動通信網絡、Zigbee以及其他無線傳輸網絡,用于對室內環境檢測所得數據的傳輸和處理。應用層是室內檢測的反饋層,接收網絡層所傳輸來的室內環境數據,對反饋裝置進行適當的反饋控制,如燈光、窗簾以及空調等。物聯網室內檢測系統架構如圖1所示。

1.2　北斗系統

全球導航衛星系統可以為用戶提供精確、連續的三維位置和速度信息,并具有授時功能。北斗衛星導航系統(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)是我國自行研究的,具有獨立自主知識產權的衛星導航系統。并且與美國的全球定位系統(GPS)、歐洲的伽利略系統(GALILEO)、俄羅斯的格洛納斯系統(GLONASS)齊名,并稱全球四大定位導航系統[5-7]。

北斗系統由三部分組成,分別分為地面段、空間段和用戶段。地面段主要包含主控站、注入站和監測站,空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。北斗系統工作原理如圖2所示。

北斗系統的三大優點:1)快速定位。北斗系統可為服務區域內的用戶提供全天候、實時定位服務,其定位精度堪比美國GPS民用的定位精度。一般情況下的水平定位精度為100 m,在設立標校站之后的定位精度可縮小至20 m. 2) 精密授時。北斗系統以其獨特的定位特性,可將授時精度降低至20 ns. 3) 短報文通信。北斗系統用戶終端具有雙向報文通信功能,一次可傳送多達120個漢字的信息。

2　北斗系統在物聯網室內檢測中的應用

2.1　革新物聯網室內檢測網絡層

傳統的物聯網室內檢測的網絡層主要是使用無線傳感器網絡、蜂窩移動通訊網絡等,受到節點體積、裝置價格和能源供應等很多因素的限制,其通信距離被限定在了某一規模不大的特定區域內。若這一檢測區域距離需要反饋控制的裝置較遠,那么傳感器所采集到的室內環境原始數據極大可能就失去了價值。同時,隨著數據采集量的逐漸增大,室內檢測單純的依靠無線傳感網或者GSM網絡來完成大規模數據的采集和傳輸就顯得多少有些底氣不足[8-10]。相比傳統物聯網室內檢測的網絡層,北斗系統最大的優勢在于可以覆蓋全球,地面基站將采集到的數據信息發射給衛星,由衛星轉發給數千公里之外的用戶終端。

1) 保證數據傳輸的可靠性。現今,物聯網室內檢測所需要覆蓋的節點越來越多,并且多數節點是以一種集群的方式存在,所有節點檢測所得數據基數之和越來越龐大,使用無線網絡傳輸,難免會造成網絡擁堵,數據發送和接受的延遲。而北斗系統通訊設備在外太空,傳輸功率大,能夠更好更有效地將積壓的數據傳輸出去,保證了數據傳輸的可靠性。

2) 保證數據傳輸的實時性。室內檢測最重要的兩個關鍵點,一個是檢測數據的準確性,還有一個是傳輸數據的實時性。保證監測數據的準確性才能保證檢測裝置的可靠性,取決于負責檢測室內環境的傳感器。而保證數據傳輸的實時性才能保證反饋裝置的有效性,這將取決于傳輸數據的網絡。北斗系統以其獨特定位和導航特性,可將授時精度降低至 20 ns. 相比于傳統室內檢測的網絡層,在檢測數據不多的情況下,基本上沒多大差別。但是,一旦節點增多,所需傳輸數據量龐大,北斗系統將能更好更快把數據傳輸給應用層,更有效地執行所需要的反饋行為。

3) 優化室內檢測系統的經濟性。對于一般小型的室內檢測,定點式布置節點,檢測代表性點的室內環境數據,并將檢測所得數據處理以及傳輸,傳統的物聯網室內檢測系統使用無線傳感器網絡或是蜂窩移動數據網絡,完全可以保證檢測系統的準確運行。但是,如果所要檢測的是大型室內空間或者不連續的室內空間,就需要布置數據接收中間站,才能將所有檢測所得數據整合傳輸并處理。這樣,浪費的不僅是布置中間站的時間和精力,更是使得整個系統不具備方便使用的經濟型和后期的系統拓展能力。然而,北斗系統,作為一個遠在外太空的數據傳輸網絡,根本無需考慮這些,便捷了整個物聯網檢測系統,同時也使得整個系統變得更具有經濟型。

2.2　變更物聯網室內檢測應用層

物聯網室內檢測技術中的應用層是響應所檢測室內環境參數的反饋設備,如空調、燈光、遮陽板等。在傳統物聯網室內檢測中,應用層主要是通過接收網絡層所發送的處理之后的室內環境參數,進而完成相應的反饋行為以求達到室內環境舒適的目的。需要經過的過程主要是檢測數據,傳輸數據,處理數據和執行反饋。節點增多,傳輸處理的數據增多,應用層設備所要判斷執行的反饋行為增多。隨著節點越多越多,應用層設備終將因反饋延遲而失效。

北斗系統雖起步較晚,但在日趨成熟的理論基礎上,北斗終端裝置亦可獨當一面。變更傳統物聯網室內檢測的應用層為北斗系統終端裝置,一切問題便可迎刃而解。變更應用層之后的物聯網室內環境檢測系統架構如圖3所示。

2.3　拓展物聯網室內檢測方式

物聯網室內檢測在物聯網技術發展領域雖然已趨于成熟,但是檢測的方式總是局限于定點檢測和局部性檢測。

1) 實現移動式檢測。對于確定的室內環境,布置幾個代表性的檢測點,進而完成對該室內環境的檢測。然而現今,室內環境千變萬化,選取特定一個室內環境搭建檢測系統,很難再運用于其他場所,不具備普遍性。所以,需要打破傳統的物聯網室內檢測方式的局限性,轉變定點式檢測為移動式檢測。以軌道作為傳感檢測的移動平臺,使用北斗系統作為移動式檢測數據傳輸的網絡層,再輔以變更為北斗終端裝置的應用層。不受室內環境的影響,可自由拆裝于需要檢測的室內環境,避免了重新搭建檢測系統平臺的麻煩,使檢測系統的使用具有一種普遍性。同時,移動式檢測平臺相比于定點式檢測,可以檢測某一空間水平梯度或者垂直梯度的連續環境參數,使得檢測數據更具有試驗和分析價值。

2) 實現檢測系統的無限擴大。由于傳統物聯網檢測技術受到網絡層的限制,數據傳輸的距離以及數據傳輸的速度,整個檢測系統的規模總是被局限在一個小范圍內。現今,北斗系統技術使用日益成熟,可將整個室內檢測系統無限擴大,不受數據傳輸距離和速度的影響,真正實現物聯網室內檢測的全球化。

3　結束語

北斗系統的研制成功體現了我國的綜合國力和科技水平又達到了一個新的高度,與此同時北斗也必定是未來全球導航定位系統的主力軍。北斗系統在室內檢測中的應用,推進了我國物聯網產業的進一步發展,進一步保障了室內檢測的準確性。同時北斗終端裝置創新地使用于檢測系統的反饋層,也進一步保障了應用層反饋設備的執行性。北斗系統,為人們提供一個更加舒適的室內環境。2020年,北斗系統完成全球覆蓋的偉大計劃,將為構建全球化的物聯網檢測系統提供重要的技術支撐。

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