高校物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

張樂(lè)飛

【摘要】物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)是高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中的新課程之一，具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。目前，物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)的相關(guān)課程內(nèi)容設(shè)置主要包括GPS定位、無(wú)線通訊定位、傳感網(wǎng)定位等。然而，隨著新型傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程所采用的技術(shù)相對(duì)滯后，不利于學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)的全面理解和應(yīng)用。本文以作者在高校中實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為例，介紹了幾例典型的聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)方案及其對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 定位 傳感網(wǎng) WiFi

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）44-0244-01

導(dǎo)論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮[1]，近年來(lái)國(guó)內(nèi)主流高校的計(jì)算機(jī)和軟件學(xué)院都開(kāi)設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，其中物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)是高校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中的新課程之一[2]。相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容包括傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)，以及互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的基于無(wú)線通信和傳感網(wǎng)的定位方法等。由于該課程目前還處于新設(shè)立的階段，國(guó)內(nèi)的相關(guān)教材目前僅有《無(wú)線定位系統(tǒng)》和《無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)用教程》等少數(shù)參考書目，其中對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容較少，不能滿足學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)的全面理解和應(yīng)用。實(shí)際上，隨著近年來(lái)新型傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是智能手機(jī)的迅猛發(fā)展，學(xué)生可以利用課程中學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)，結(jié)合智能手機(jī)中自帶的攝像頭、GPS信號(hào)接收器、WiFi、藍(lán)牙等功能，實(shí)現(xiàn)若干中小場(chǎng)景范圍的物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[3]。

本文作者近三年在高校中擔(dān)任物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)的課程負(fù)責(zé)人，在實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)中，將學(xué)生分為3人一組，自由探索與本課程理論知識(shí)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選題，課程教師團(tuán)隊(duì)予以跟蹤指導(dǎo)，并鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)相關(guān)選題在課程結(jié)束后繼續(xù)研究，參與互聯(lián)網(wǎng)+大賽等競(jìng)賽項(xiàng)目。通過(guò)分析學(xué)生在本課程設(shè)計(jì)中的選題和完成情況，本文介紹幾例典型的聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)方案，并分析實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。

自組織網(wǎng)絡(luò)相對(duì)定位

自組織定位是一種相對(duì)定位技術(shù)，能夠在無(wú)預(yù)先布設(shè)設(shè)備、不依賴外源信號(hào)環(huán)境中，多個(gè)結(jié)點(diǎn)自動(dòng)組織成網(wǎng)，利用相互間的對(duì)稱測(cè)量，相互進(jìn)行參數(shù)修正，以實(shí)現(xiàn)精確的相對(duì)定位，該技術(shù)可以應(yīng)用于災(zāi)難搜救（如火災(zāi)、地震）等非常規(guī)任務(wù)。

該系統(tǒng)的構(gòu)成包括兩個(gè)部分：主機(jī)端和客戶端。其中主機(jī)端使用個(gè)人便攜式電腦，發(fā)送WiFi信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示已上線的客戶端數(shù)量。根據(jù)無(wú)線通訊定位的信號(hào)強(qiáng)度可以計(jì)算出客戶端之間的相對(duì)位置，具體方法采用課程中介紹的觀測(cè)RSSI信號(hào)強(qiáng)度與距離之間的經(jīng)驗(yàn)公式，需要通過(guò)一定數(shù)量的預(yù)訓(xùn)練確定經(jīng)驗(yàn)公式中的若干參數(shù)?？蛻舳藶?塊成本較低的ESP8266模塊，可以實(shí)現(xiàn)互相之間的距離測(cè)量以及與主機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸。

在測(cè)量數(shù)據(jù)獲取以后，采用傳感網(wǎng)定位中的無(wú)錨節(jié)點(diǎn)定位算法，實(shí)現(xiàn)客戶端之間的相對(duì)定位，并將實(shí)時(shí)位置顯示在主機(jī)端。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)演示，在50平米的教室范圍內(nèi)，定位精度可達(dá)1米以內(nèi)。然而，此系統(tǒng)的缺點(diǎn)是客戶端在不加任何節(jié)能算法時(shí)，耗費(fèi)能源很快；此外，在復(fù)雜環(huán)境中的信號(hào)反射和衍射等現(xiàn)象會(huì)干擾定位精度。

手機(jī)WiFi室內(nèi)定位

手機(jī)WiFi室內(nèi)定位成本較低，可以廣泛的應(yīng)用于大型商場(chǎng)、超市定位或考勤系統(tǒng)等。具體可以分為兩個(gè)部分。其中移動(dòng)設(shè)備感知到無(wú)線AP發(fā)送的信號(hào)后，記錄接收到各個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度值。向服務(wù)器發(fā)送定位請(qǐng)求，并將記錄的信號(hào)強(qiáng)度以固定格式發(fā)送給服務(wù)端。服務(wù)器將接收到客戶發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，估計(jì)出客戶端位置。

實(shí)現(xiàn)上述定位系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何根據(jù)觀測(cè)RSSI信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位。與前一例應(yīng)用不同的是，在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，同學(xué)們選擇了傳感網(wǎng)定位中基于位置指紋的定位方式，因此首先需要建立RSSI樣本數(shù)據(jù)資料庫(kù)，包括以下步驟：（1）在三維空間中選取很多個(gè)的參考點(diǎn)。每個(gè)參考點(diǎn)可以測(cè)到至少三個(gè)AP站點(diǎn)的信號(hào)，確保位置的唯一性。（2）每一個(gè)AP站點(diǎn)的信號(hào)以每個(gè)參考點(diǎn)的中心值為準(zhǔn)，測(cè)量多組數(shù)據(jù)值求平均。信號(hào)范圍取值（0，10000]，其中0表示沒(méi)有測(cè)到信號(hào)，不計(jì)入數(shù)據(jù)庫(kù)。鑒于常見(jiàn)寫字樓的房間構(gòu)造較為復(fù)雜，有很多的墻壁、障礙物和拐角，WiFi的強(qiáng)度會(huì)在傳播中減弱并且受到干擾，因此數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本參考點(diǎn)選擇必須較為全面。

在具體定位過(guò)程中，對(duì)每個(gè)掃描到的AP的RSSI值，設(shè)定一個(gè)選擇區(qū)間，在指紋庫(kù)中查找滿足此區(qū)間范圍的位置點(diǎn)，若有n個(gè)位置點(diǎn)落在此區(qū)間范圍，則這些位置點(diǎn)分別取權(quán)值為1/n，其他的位置點(diǎn)則取權(quán)值為0。對(duì)所有AP做如上處理后，選出權(quán)值最大的位置點(diǎn)為估計(jì)位置。如有多個(gè)位置點(diǎn)權(quán)值一樣，則比較信號(hào)強(qiáng)度距離，取最小者。

戶外停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于無(wú)線通信、傳感器技術(shù)、微信二次開(kāi)發(fā)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)戶外停車位的自動(dòng)管理、預(yù)定、收費(fèi)等功能，具有很大的實(shí)用價(jià)值。具體的分為三個(gè)部分：

第一部分，檢測(cè)車位占用情況，使用了兩個(gè)超聲波傳感器，對(duì)獲取數(shù)據(jù)采用防脈沖干擾移動(dòng)平均值法數(shù)字濾波算法，限制傳感器的最大量程，去除少數(shù)嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)，單次檢測(cè)結(jié)果與歷史結(jié)合，提高了傳感器測(cè)量結(jié)果的可靠性。此外，還提出并實(shí)現(xiàn)了一種車位占用檢測(cè)算法。

第二部分，對(duì)于服務(wù)器通信系統(tǒng)，提供了服務(wù)器-客戶端-開(kāi)發(fā)板的一體化開(kāi)發(fā)框架，客戶端可向服務(wù)器請(qǐng)求預(yù)約編號(hào)，服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫(kù)并返回確定是否接受預(yù)約信息。同時(shí)，開(kāi)發(fā)板將車位實(shí)際情況傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器將非法專用車位情況傳給開(kāi)發(fā)板。

第三部分，對(duì)于用戶客戶端，采用微信二次開(kāi)發(fā)的方式，調(diào)用手機(jī)定位功能和百度地圖功能，獲取實(shí)時(shí)位置查看附近可用車位。可通過(guò)微信客戶端實(shí)現(xiàn)預(yù)約和確認(rèn)，一旦點(diǎn)擊確認(rèn)，則自動(dòng)開(kāi)始計(jì)費(fèi)同時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)橫桿旋轉(zhuǎn)90度開(kāi)放車位。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)和實(shí)驗(yàn)室的模擬演示，并在相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)。

結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中新興且重要的專業(yè)課程。目前，由于相關(guān)技術(shù)發(fā)展較快，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容無(wú)法與新的硬件和算法相適應(yīng)。本文作者根據(jù)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了幾例典型的高校物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，從中可以看出，絕大多數(shù)應(yīng)用都已經(jīng)脫離了GPS定位等經(jīng)典技術(shù)，而是采用了基于智能手機(jī)、新型傳感器等普適性強(qiáng)、低成本、容易二次開(kāi)發(fā)的硬件實(shí)現(xiàn)，并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果[4]。其中比較優(yōu)秀的課程設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)持續(xù)研究完善，在計(jì)算機(jī)學(xué)科的主流學(xué)科競(jìng)賽中展示并獲獎(jiǎng)，充分體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)課程的理論知識(shí)水平和實(shí)用價(jià)值。

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