北斗导航与物联网的联合实验室建设

李天松，周海燕，蔡成林

（桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004）

在“十二五”规划中，北斗卫星导航被列入战略性新兴产业之一［1］，相关部门针对行业应用发展也制定了卫星导航产业的具体推进措施和目标。国内卫星导航市场逐步启动，潜力巨大，国内卫星导航应用产业将迅速发展。物联网（IOT，Internet of Things）［2］系统是指通过射频识别（RFID，radio frequency identification）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的出现是互联网后信息技术的又一重大突破，它将网络从人与人之间的信息交互，扩展到物与物、人与物的信息交互，将大大提高社会信息化水平。定位作为物联网一项重要功能，必须结合卫星导航来实现。北斗导航系统除提供位置、速度和时间信息外，还可以为用户提供短报文服务，这也是它在物联网中应用的一个重要基础。

目前各高校随着技术、产业快速发展逐步展开了导航与物联网专业的相关专业建设。但实验室建设明显存在滞后和不足。为使学生完成基于北斗与物联网的基础实验到创新性应用系统的开发工作，提高学生的应用技术开发能力。根据北斗导航与物联网应用技术情况及现状，本文提出了建设北斗导航与物联网联合实验室的具体建设目标、建设方案，并对实际设备选型、实验内容设计与制定深入探讨。

1 北斗导航与物联网实验室建设思路与目标

导航专业学生需要掌握绝对定位和相对定位及后期数据处理方法，对测量原始数据进行数据处理以得到较为精确的数据，设计一套应用于工科院校的导航定位实验室显得极为迫切。借助于实验室平台学生能深入理解卫星导航定位的原理和产品测试的方法。从定位导航专业方向出发，实验室需要设置卫星位置解算，电离层、对流层误差和信号信噪比计算，几何精度因子计算，定位结果解算以及可视卫星的预报等内容［3］。物联网通过各种传感设备，把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，可广泛应用于电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等行业。物联网专业培养要着力从工程应用作为突破，能基本达到并实现能通过不同传感器的特性、不同网络的组成形式，开发出更多实用性强的物联网应用模式。物联网实验系统一般包括硬件设备、软件资源、实验资源三大部分。硬件设备包括微型无线传感器、RFID和其他配套设备。软件资源包括系统网络软件、嵌入式网关软件、PC数据管理与分析软件，实验资源包括基于控制器的基础实验、传感器信息采集实验、无线信号收发实验、网络通讯实验与组件控制实验等。联合实验室的建设目标是以通信、导航定位为核心，利用完备移动通信网络作为物联网实验的基础条件，实现多种物联网构架的创新实验平台。同时能够为高校专业教学及创新和竞赛，提供了技术支持和开发平台，便于学生熟悉和掌握物联网的构成及实际应用，促进我国北斗导航产业的应用推广和人才培养。

2 北斗导航与物联网实验室建设要求

实验室建设要满足科研院所、生产企业、高校对卫星导航产品和技术开展研究与开发的需要，能够提供真实信号或根据要求仿真卫星导航信号，提供接收机内部算法，使学生在开放环境下，进行卫星导航接收机及终端的实验、研究与开发。使学生在真实设备、真实卫星信号环境下，进行实验和编程，理解测距原理，掌握北斗导航测量误差和信号传输误差特性，掌握实时北斗卫星轨道计算方法，理解DOP的物理意义、掌握其计算方法及应用特性，掌握北斗卫星位置预报及Doppler频移的预测方法等接收机核心技术。加深对北斗导航系统结构、工作原理、工作过程的理解，掌握北斗接收机核心算法和导航解算过程。

定位导航是专业性很强的一门学科，而物联网跨专业面比较大［4］，涉及学科比较多。在实验室设计构建中，一定要及时跟踪未来物联网的发展和变化，实验室可以平滑地扩充和升级。建设方案的预见性应非常高，但这仍不能满足技术飞速发展需要。面向高校物联网工程专业及物联网方向性专业教学需求，实验室教学必须做到理论与实践相结合，实验室设备应同主流设备的无缝结合。实验室教师在实验内容上要围绕物联网研究、应用型人才的培养，根据学科的特点采用“启发式教学”模式，注重学习能力、实践能力、设计能力、创新能力、交流能力和团队协作能力的培养。物联网技术作为一门全新的应用性很强的综合学科，实验室建设方案要考虑物联网教学体系的建设以国家物联网人才培养的高度和专业角度出发，满足学生的就业技能需求。物联网技术需要通过大量的实践环节来学习，通过合理配置实验室设备，不仅使实验室应用于教学实验，亦可用于本科生的毕业课题设计、创新实践项目开发以及电子设计比赛等方面，图1给出了联合实验室建设的服务方向及目标。

图1 联合实验室服务方向及目标示意图

目前国内某些高校的网络实验室或通信实验室已经增设了部分物联网实验，但基本上还只是简单的操作配置或终端感应器件的设计等实验。实验室建设方案中配置物联网信息平台的指导思想是让学生不仅可以深入掌握局部的感应层终端设备的设计和使用方法，而且可以结合定位导航全面学习和掌握网络通信、硬件设计和软件编程、以及物联网综合应用知识。

3 核心实验设备选型分析

3.1 北斗定位导航设备部分

NewStar150BG是东方联星公司为配合BD／GPS教学专门开发的实验平台。NewStar150BG提供了开放式的实验环境，可以在真实设备、真实卫星信号环境下进行实验和编程，可以进行BD2／GPS测量误差和信号传输误差特性测试，实现实时BD2／GPS卫星轨道计算。NewStar150BG实验平台具有：BD2／GPS有源全向天线、LCD同步时间显示器、LED可视卫星同步指示装置、BD2／GPS实时数据录取软件、实时卫星轨道计算软件，电离层、大气层、相对论误差计算软件，定位精度因子计算软件，可视卫星预测软件，接收机位置、速度、时间解算软件等［5］。该平台功能还包括DOP计算方法及应用特性BD2／GPS卫星位置及Doppler频移的预测方法等接收机核心技术［5］。表1、2分别给出系统组成、作用和主要技术指标。

表1 系统组成及各部分作用

表2 主要技术指标

3.2 物联网信息平台搭建

通过配套的设备与模版，物联网信息平台要能提供网络通信密切相关的硬件设计和应用编程。目前的物联网相关设备生产厂家如雨后春笋冒了出来，这给设备的采购和选型带来了大量的选择余地。物联网实验系统包括硬件设备、软件资源、实验资源三大部分。硬件设备包括微型无线传感器、RFID、GPS、TD－SCDMA和其他配套设备。软件资源包括系统网络软件、嵌入式网关软件、PC数据管理与分析软件。实验资源包括基于控制器的基础实验、传感器信息采集实验、无线信号收发实验、Zigbee网络通信实验及组件控制实验等。总而言之物联网信息平台是一个基于无线局域网、结合嵌入式终端设备组建的物联网综合信息网络系统。以下给出一些公司的设备配置供选型参考。

（1）物联网Zigbee技术［6］教学实验组合子部分包括协议分析层面与网络拓扑层面。终端传感器节点可以完成温湿度传感器实验、光电传感器实验、压力传感器实验等。其中微型无线传感器分为温度、湿度、光电、压力等多种传感器。每个节点由MCU／RF部分、传感器部分和电源管理部分组成。支持2.4GB无线组网，配备按键输入和LED输出，支持电池工作，并配套电池充电功能。

（2）射频识别（RFID）应用教学实验组合子部分：以具体的真实的系统感性认知为目标，加强学生对RFID系统原理的理解和认识，更好地帮助学生学好、学透RFID技术。同时也给学生增加通信方面的专业知识，实验过程真实具体。采用分立元件设计RFID原理机，展现RFID各个组成部分原理和具体电路，配有完整RFID读写器系统，可以开展相关的硬件电路测试实验和相关软件协议的测试和实验。

射频识别（RFID）原理技术与应用实验平台规格及参数：

① 载波频率：125kHz、13.56MHz、920～925MHz；

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

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

④ 通信接口：RS232。

（3）嵌入式网关应用实验子部分：采用嵌入式PXA270系统［7］，其软硬件主要包含：①核心板；②由以太网接口、4.3寸 TFT LCD、AC97标准音频输入输出接口、支持PC与设备同步USB CLIENT、串行接口等组成的底板；③无线传感网络软件、嵌入式网关软件、PC数据管理与分析等软件资源。

4 实验内容设计及部分实例介绍

实验内容分为基础实验、综合型实验和创新设计型实验3大类型。导航部分基础实验内容包括：实时卫星位置解算及结果分析，实时传输误差计算与特性分析及信噪比与卫星仰角关系，几何精度因子（DOP）的实时计算与分析导航解算（接收机位置、时间）及结果分析，可视卫星位置预测。物联网基础实验主要包括：感应层实验、网络层实验和应用层实验。

4.1 部分基础实验举例

4.1.1 卫星位置解算

该实验目的是理解实时卫星位置解算以及在接收机导航位置解算过程中的作用及完成卫星位置解算所需的条件。了解卫星导航电文的格式、主要内容及各部分作用。根据星历可以算出卫星的实时位置，并且星历中给出了消除卫星钟误差、相对论误差、地球自转误差、电离层和对流层误差的参数，根据这些参数计算出的卫星位置，可以基本上消除上述误差［8－9］。参考图2空间模型，实验中获取当前可视卫星的星历信息，并作记录。求解ECEF坐标系下卫星位置的基本步骤是：①计算归化时间；②计算观测时刻的平近点角；③计算偏近点角；④计算卫星矢径；⑤计算卫星真近点角；⑥计算升交点角距；⑦计算摄动改正项；⑧计算经过摄动改正的升交距角、卫星矢径、轨道倾角；⑨计算观测时刻的升交点经度；⑩计算卫星在地心坐标系中的位置。

图2 卫星轨道及地球及各参量示意图

4.1.2 射频识别（RFID）读写及控制测试

实验目是要求熟悉非接触式IC卡的结构和读写方式，掌握非接触式IC卡的基本读写操作功能及识别控制原理，理解非接触式IC卡双向数据的通信过程。非接触式IC卡读写控制系统如图3所示由读写器、计算机和数据输出显示电路3大部分构成。

图3 非接触式IC卡读写控制系统

RFID卡是通过电磁波感应原理［10］，在读写头和IC卡之间交换数据，射频IC卡与无线电通信在原理上和功能上不完全一样。通常射频卡通信距离较小，只有几厘米至几十厘米，RFID卡内设置有天线线圈。由作为固定设备的读卡头产生交变电磁场，当RFID卡靠近电磁场时，它的线圈从电磁场中吸收能量，当能量聚集到足够时，卡中的微电路开始工作，微电路工作时，它并不发射数据，而是利用微电路工作时会消耗电磁能量，使电磁信号发生变化，由读卡头本身检测电磁场的变化，该电磁场的变化即为对应卡中的数据。

实验内容主要包括RFID卡和计算机中信息进行查询、修改等读写操作；进行身份识别、交易及并口输出控制外设操作；进行读写RFID卡波形测试。给学生以具体的真实系统感性认识，加强学生对RFID系统原理的理解和认识，更好地帮助学生学好、学透RFID技术。同时也给非通信专业的学生增加通信方面的专业知识，力求实验过程真实具体。

4.2 Zigbee实时定位综合性实验

综合性实验旨在对学生的知识、能力、素质形成综合培养的实验。不同于验证某一原理、结论的单一实验，内容上应体现复合性，方法要求多元化。人员实时定位在煤矿、安防等特殊作业环境中显得尤为重要。实验系统利用Zigbee模块组成通信网络，在布置网络模块的位置时，注意应使每个模块至少可与两个以上的模块进行通信，以保证Zigbee网络通信的可靠性。这个通信网络本身也是一个定位网络，网络节点通过读取移动目标的信号强度，来确定移动目标的位置信息。定位系统由参考节点和定位节点组成。参考节点是一个位于已知位置的静态节点，该节点确知自身的位置并可将其位置通过发送数据包通知其他参考节点。定位节点从参考节点处接收数据包信号，获得参考节点位置坐标及相应的RSSI值并将其送入定位引擎，然后读出由定位引擎计算得到的自身位置。具体实验内容包括：移动目标身份识别、移动目标位置确定及RSSI定位参数优化。

移动目标身份识别部分可以发挥学生能动性，自主采用不同频段的RFID系统对比设计，每一个需定位的移动目标配备RFID模块，实验过程中可对比不同模块、不同参数设置对系统功能的影响。RSSI是指节点接收到的无线信号强度大小，它是目标定位的理论基础。已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗。利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，通过三角定位法确定待定位节点位置。实时定位系统实施方案如下：主机连接网关实现对整个网络调度，编写定位软件观察各个定位节点和参考节点的运行情况。定位节点根据参考节点提供坐标和RSSI平均值计算出自身的精确位置（坐标），并把该坐标协同定位节点标识号发送给网关。网关充当协调器组建一个ZigBeeWSN网络，把定位节点坐标及外部环境参数传送给主机。

4.3 创新设计性实验 “基于北斗的车联网”

与基础实验相比，设计性实验更加注重内容的探索性、方法的多样性。设计性实验的实验目的明确且唯一，而达到实验目的的途径和方法不尽相同。在设计性实验过程中，学生的独立思维和个性得到充分发挥，可以从根本上改变了千人一面的传统教学模式，有利于创新人才的培养。如图4所示，利用先进导航定位、无线传感技术、网络技术、计算技术、控制技术、智能技术等组建一个车联网模拟实验系统，对道路和交通进行全面感知，实现多个系统间大范围、大容量数据的交互，对每一辆汽车进行交通全程控制，对每一条道路进行交通全时空控制，为交通提高效率和安全。实验组成部分主要有传感采集控制设计、定位信息获取及实现包含数传控制设计环境和应用开发流程。譬如利用北斗导航系统获取终端位置、速度等定位信息；对各种车辆运行参数通过传感器进行采集、处理。通信网络实验部分包含物联网无线局域组网、数据无缝接入、远程使用开发流程。系统应用设计部分来实现应用场景描述、需求分析、系统集成开发流程。综合设计实验也可以结合几个常用的车联网智能交通应用，比如ETC系统、车载信息诊断系统、智能充电系统、智能交通指挥以及线路导航深入展开，通过这些模拟应用实验加深师生对车联网技术的发展的理解，在此基础上支持和扩展新的课题实验开发，激发学生的创造性研究热情。

图4 基于北斗导航的车联网示意图

5 结束语

导航定位技术与物联网技术日益深入并影响着人们的生活方式。各高校相关专业实验室建设明显存在滞后和不足［11－12］；本文适时提出了北斗导航与物联网联合实验室建设思路和方案。结合导航和电子专业必修课程授课情况，探讨适用于本科阶段培养的定位导航、通信、射频识别等实验内容，所设计的有关实验内容有助于学生应用技术开发能力的提高。因为新兴产业发展迅猛，相关实验内容仍需要在实践教学中加以改进。我们将对本校初步筹建的北斗导航与物联网实验室及时总结经验，尽力做到理论与实践相结合，为相关卫星导航、物联网领域人才培养提供一个创新研究平台。

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