高校物联网定位技术实验课程设计

张乐飞

【摘要】物联网定位技术是高校物联网专业中的新课程之一，具有重要的理论与应用价值。目前，物联网定位技术的相关课程内容设置主要包括GPS定位、无线通讯定位、传感网定位等。然而，随着新型传感器技术和计算机技术的发展，相关的实验课程所采用的技术相对滞后，不利于学生对物联网定位技术的全面理解和应用。本文以作者在高校中实际教学经验为例，介绍了几例典型的联网定位技术实验课程设计方案及其对应的理论知识内容。

【关键词】物联网 定位 传感网 WiFi

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）44-0244-01

导论

物联网技术是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮[1]，近年来国内主流高校的计算机和软件学院都开设了物联网专业，其中物联网定位技术是高校物联网专业中的新课程之一[2]。相关的学习内容包括传统的GPS定位技术，以及互联网和物联网时代的基于无线通信和传感网的定位方法等。由于该课程目前还处于新设立的阶段，国内的相关教材目前仅有《无线定位系统》和《无线传感器网络实用教程》等少数参考书目，其中对于实验课程设计的内容较少，不能满足学生对物联网定位技术的全面理解和应用。实际上，随着近年来新型传感器技术和计算机技术的发展，尤其是智能手机的迅猛发展，学生可以利用课程中学习到的理论知识，结合智能手机中自带的摄像頭、GPS信号接收器、WiFi、蓝牙等功能，实现若干中小场景范围的物联网定位技术实验设计[3]。

本文作者近三年在高校中担任物联网定位技术的课程负责人，在实验课程设计中，将学生分为3人一组，自由探索与本课程理论知识相关的实验设计选题，课程教师团队予以跟踪指导，并鼓励学生对相关选题在课程结束后继续研究，参与互联网+大赛等竞赛项目。通过分析学生在本课程设计中的选题和完成情况，本文介绍几例典型的联网定位技术实验课程设计方案，并分析实验课程的教学效果。

自组织网络相对定位

自组织定位是一种相对定位技术，能够在无预先布设设备、不依赖外源信号环境中，多个结点自动组织成网，利用相互间的对称测量，相互进行参数修正，以实现精确的相对定位，该技术可以应用于灾难搜救（如火灾、地震）等非常规任务。

该系统的构成包括两个部分：主机端和客户端。其中主机端使用个人便携式电脑，发送WiFi信号，并实时显示已上线的客户端数量。根据无线通讯定位的信号强度可以计算出客户端之间的相对位置，具体方法采用课程中介绍的观测RSSI信号强度与距离之间的经验公式，需要通过一定数量的预训练确定经验公式中的若干参数。客户端为4块成本较低的ESP8266模块，可以实现互相之间的距离测量以及与主机端的数据传输。

在测量数据获取以后，采用传感网定位中的无锚节点定位算法，实现客户端之间的相对定位，并将实时位置显示在主机端。经现场演示，在50平米的教室范围内，定位精度可达1米以内。然而，此系统的缺点是客户端在不加任何节能算法时，耗费能源很快；此外，在复杂环境中的信号反射和衍射等现象会干扰定位精度。

手机WiFi室内定位

手机WiFi室内定位成本较低，可以广泛的应用于大型商场、超市定位或考勤系统等。具体可以分为两个部分。其中移动设备感知到无线AP发送的信号后，记录接收到各个AP的信号强度值。向服务器发送定位请求，并将记录的信号强度以固定格式发送给服务端。服务器将接收到客户发送的信号强度与指纹数据库中的数据进行匹配，估计出客户端位置。

实现上述定位系统的关键在于如何根据观测RSSI信号强度进行定位。与前一例应用不同的是，在本实验设计中，同学们选择了传感网定位中基于位置指纹的定位方式，因此首先需要建立RSSI样本数据资料库，包括以下步骤：（1）在三维空间中选取很多个的参考点。每个参考点可以测到至少三个AP站点的信号，确保位置的唯一性。（2）每一个AP站点的信号以每个参考点的中心值为准，测量多组数据值求平均。信号范围取值（0，10000]，其中0表示没有测到信号，不计入数据库。鉴于常见写字楼的房间构造较为复杂，有很多的墙壁、障碍物和拐角，WiFi的强度会在传播中减弱并且受到干扰，因此数据库中的样本参考点选择必须较为全面。

在具体定位过程中，对每个扫描到的AP的RSSI值，设定一个选择区间，在指纹库中查找满足此区间范围的位置点，若有n个位置点落在此区间范围，则这些位置点分别取权值为1/n，其他的位置点则取权值为0。对所有AP做如上处理后，选出权值最大的位置点为估计位置。如有多个位置点权值一样，则比较信号强度距离，取最小者。

户外停车系统设计

本系统基于无线通信、传感器技术、微信二次开发等技术，可以实现户外停车位的自动管理、预定、收费等功能，具有很大的实用价值。具体的分为三个部分：

第一部分，检测车位占用情况，使用了两个超声波传感器，对获取数据采用防脉冲干扰移动平均值法数字滤波算法，限制传感器的最大量程，去除少数严重影响检测结果的数据，单次检测结果与历史结合，提高了传感器测量结果的可靠性。此外，还提出并实现了一种车位占用检测算法。

第二部分，对于服务器通信系统，提供了服务器-客户端-开发板的一体化开发框架，客户端可向服务器请求预约编号，服务器查询数据库并返回确定是否接受预约信息。同时，开发板将车位实际情况传输给服务器，服务器将非法专用车位情况传给开发板。

第三部分，对于用户客户端，采用微信二次开发的方式，调用手机定位功能和百度地图功能，获取实时位置查看附近可用车位。可通过微信客户端实现预约和确认，一旦点击确认，则自动开始计费同时步进电机带动横杆旋转90度开放车位。

该系统实现了手机和实验室的模拟演示，并在相关学科竞赛中获奖。

结语

物联网定位技术是物联网专业中新兴且重要的专业课程。目前，由于相关技术发展较快，现有的实验课程内容无法与新的硬件和算法相适应。本文作者根据教学和实验的经验，总结了几例典型的高校物联网定位技术实验课程设计，从中可以看出，绝大多数应用都已经脱离了GPS定位等经典技术，而是采用了基于智能手机、新型传感器等普适性强、低成本、容易二次开发的硬件实现，并取得了良好的实验效果[4]。其中比较优秀的课程设计经过持续研究完善，在计算机学科的主流学科竞赛中展示并获奖，充分体现了物联网定位技术课程的理论知识水平和实用价值。

参考文献：

[1]沈苏彬，林闯.专题前言：物联网研究的机遇与挑战[J]. 软件学报，2014，25（08）：1621-1624.

[2]胡永利，孙艳丰，尹宝才.物联网信息感知与交互技术[J].计算机学报，2012，35（06）：1147-1163.

[3]刘媛媛，李建宇.定位技术在物联网领域的应用发展分析[J].信息通信技术，2013，7（05）：41-46.

[4]张娟，陈春梅，路锦正，李强.基于室内定位的物联网实验平台开发[J].教育教学论坛，2016，（12）：251-252.