基于北斗的地质灾害监测实验平台

穆聪 火久元 王俊铭 牟林 刘梦 张晶

摘 要：针对“学生创新课题开放实验”教学需要，开发并实现了由静态实验平台、动态实验平台和软件端三大部分构成的基于北斗的地质灾害监测实验平台。平台将北斗定位、嵌入式系统开发、软件开发和3D建模打印等多项技术进行融合，对培养学生软硬件系统集成和实际工程实践能力有重要的推动作用。利用该实验平台的学习，可以帮助学生深度了解北斗定位在地质监测中的应用，与此同时掌握嵌入式系统开发，软件开发和3D建模打印等多项技术。

关键词：北斗定位;实验平台;嵌入式系统;3D建模打印;地质灾害监测;

中图分类号：X830.2

“学生创新课题开放实验”是高等学校培养创新人才、实现素质教育目标的客观要求和有效途径之一。通过参与多种形式的创新开放实验，能够使广大学生有更多的机会动手实践，帮助他们亲身感受，理解知识的产生和发展过程^[1]。采用实际的工程案例实验平台可以很好的解决实验课程中如何培养学生实践创新能力的难题。

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite ，简称DBS）是我国自行研制的，具有完全知识产权的全球卫星导航系统。随着第三代北斗导航系统的建设完成，北斗定位精度不断提高，目前北斗高精度定位技术已逐渐被应用于各种工程领域^[2]。其中包括测繪。电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等领域，产生显著的经济和社会效益^[3]。但高校在DBS教学中仍以理论教学为主，无法满足实验教学的需要。因此急需一套基于DBS的可应用化软硬件实验平台。本文提出的基于北斗的地质灾害监测系统实验平台是一台依托DBS进行学习嵌入式系统开发、软件开发和3D建模打印的理想实验平台。利用此实验平台可以构建完整的DBS实践项目，包括理论学习、软硬件设计与调试、模型建立、系统测试等。该实验平台通过紧跟北斗技术发展，以提高学生的实践能力、培养学生创新能力为出发点，充分激发学生学习兴趣^[4]，有利于培养学生综合应用多学科理论知识解决实际工程问题的能力^[5]。

1 实验平台功能与总体架构

基于北斗的地质灾害监测系统实验平台由静态实验平台和动态实验平台两部分组成。。静态实验平台采用BDS的载波相位差分技术^[6]实现高精度北斗定位。硬件采用的是树莓派3B+^[7]作为主处理控制器，通过嵌入式系统的开发满足雨滴传感器、土壤传感器、温湿度传感器、倾斜传感器、震动传感器、加速度、陀螺仪、压力机等各类传感器的接入。各类传感器采集到的数据通过NB-LOT/IPV6组合通信上传到云服务器，在云服务器将数据融合处理，根据专业教师实验需要搭配机器学习算法实现预警监测。在软件端依靠上位机Web、微信小程序以及App等对监测区域的远程可视化监控。

动态实验平台作为静态平台的补充衍生实验平台，主要服务针对静态实验平台发生客观意外无法工作时，动态实验平台可前往故障点代替静态实验平台继续收集并上传数据。因此主要开发制作了多功能滑坡灾害预警监测小车。小车以履带式结构搭载北斗定位模块和SLAM模块。通过激光雷达SLAM模块的转动可对周围环境扫描后获取到水平方向空间障碍物轮廓的截线，从而实现了小车在陌生环境中的自主定位导航。小车同样搭载多种传感器，可对指定区域的关键地质灾害信息进行检测，同时搭载的车载摄像头可实时采集影像数据。监测数据和实时图像会发送给云服务器。用户可以通过手机App控制小车实时建图、规划小车巡检路径、实时查看监测数据。

2 实验项目开发

2.1静态实验平台嵌入式系统设计与测试实验

为了方便实验，本文采用的树莓派3B+为一块只有卡片大小的64位四核ARM处理器，主频为1.4GHz，运行内存1GB，计算能力相当可观，可以用来处理较为复杂的计算任务^[7]。实验过程中，首要要求学生掌握嵌入式系统开发和树莓派3B+的各项功能。利用电路仿真软件完成树莓派与各类传感器的连接设计，完成电路焊接与测试实验。再完成上述实验后，参考传感器连接设计图完成北斗定位模块与树莓派3B+连接实验。北斗模块选择waveshare的 L76X GPS HAT。最后对整体电路进行测试，当树莓派3B+监测到传感器信号时，蜂鸣器和LED报警。同时利用树莓派3B+自带蓝牙模块将采集到的定位信息发送给学生。通过此实验，学生可以加深嵌入式系统理论知识，提高独立分析并完成嵌入式系统工程案例设计能力。

2.2静态实验平台硬件端3D建模打印实验

由于静态实验平台硬件保护壳利用传统方式难以制造，本实验利用3D建模打印完成对外壳部分零配件的设计与制作。通过本实验，首先让学生对静态实验平台整体以及结构有了更深度的了解，其次锻炼学生在后期项目中使用3D打印技术能力。在实验开始阶段，首先专业教师对3D建模打印的概念、发展过程、应用领域、主流3D打印技术和常见的3D打印材料等知识进行讲解^[8];其次在课后指导学生熟练掌握3Dsmax、123D等多种建模软件，仿照静态实验平台进行建模;最后学生可以自主使用Cura切片软件对模型进行切片，对软件中的各项参数进行调试，最终完成模型打印。通过该实验，学生一方面对3D打印技术有了全面的了解，另一方面激发了学生在“学生创新课题开放实验”中使用3D建模打印的热情。

2.3动态实验平台小车的设计与调试实验

动态实验平台需要用到STM32小车^[9]、SLAM自动巡航系统、激光雷达和机器人操作系统ROS（Robot Operating System，ROS）^[10]。采用STM32小车可以方便学生安装调试传感器，除此之外手机App远程控制小车并方便摄像头将视频信息传回手机。SLAM自动巡航系统、激光雷达和ROS系统采用Python开发，本实验要求学生熟悉Python编程语言，读懂SLAM和ROS程序代码，并学会根据不同监测区域调试程序。从而进一步提高树莓派、SLAM、ROS软件设计能力和动态监测平台调试能力。

2.4 监测软件开发实验

监测软件是实现基于北斗的地质灾害监测系统实验平台的重要组成部分，本实验部分要求学生使用HTML，CSS^[11]，Java script^[12]，Android^[13]等软件，完成上位机Web，手机App，微信小程序的开发，实现多种人机交互功能。实验过程中学生只需要通过浏览器访问指定域名输入用户名和密码即可开始实验。为了使学生更容易理解和学习相对容易，利用Echarts.js^[14]实现Web端实现对数据的可视化分析实验数据。与此同时，要求学生利用手机App完成数据可视化、远程监控等功能开发实验工作。

3 实验平台功能测试

实验平台整体样机如图5所示。为了验证“基于北斗的地质灾害监测实验平台”实验效果，我们开展了实验平台的测试工作。将静态实验平台和动态实验平台放置于野外环境中，分别进行数据采集测试、远程监控测试。图11和图12分别是在Web端和手机App端测试结果：从图11中可以看出静态平台和动态平台均能够良好采集地质数据，图12、13中可以清晰的看到Web端、手机App端测试结果和视频图像。

4 结语

本文针对“学生创新课程开放实验”教学需要开发了基于北斗的地质灾害监测实验平台，填补了北斗导航实验教学的空白。依靠该平台设计的实验部分充分体现了北斗导航、嵌入式系统与软件开发、3D建模打印等技术要点。目前该实验平台已经应用于实验教学，对培养学生软硬件系统集成能力、实际工程创新实践能力有重要的推动作用。

参考文献：

[1] 郑春龙，邵红艳，钟振余，丁爱侠.创新性开放实验项目建设的探索与实践[J].实验技术与管理，2009，26（10）：15-17+20.

[2] 李家春，宋宗昌，侯少梁，王利婷，范小力.北斗高精度定位技術在边坡变形监测中的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2020，31（01）：70-74+78.

[3] 庄新庆，邹绪平，刘卫，应士君.现代北斗卫星船舶导航实验室建设和运行[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：465-468.

[4] 谭筠梅，李玉龙，王履程.基于Proteus的单片机虚拟仿真实验案例设计[J].实验技术与管理，2018，35（05）：122-125.

[5] 李敏，唐维伟，刘俊，郭宗伟.独轮机器人实验平台[J].实验技术与管理，2020，37（08）：119-124.

[6] 尹潇，柴洪洲，向明志，苏明晓.历元间载波相位差分的GPS/BDS精密单点测速算法[J].中国惯性技术学报，2020，28（02）：226-230.

[7] 陈鹏，陈智利，李庞跃，牛恒，周泉.树莓派3B+导盲系统设计与实现[J].西安工业大学学报，2020，40（03）：305-309.

[8] 张晶，王阳萍，王文润.高校3D打印创新实验设计与研究[J].科学技术创新，2018（01）：173-174.

[9] 张铮，张江宁，薛竹村，黄浩策，薛利荣.循迹避障灭火功能智能小车设计[J].实验室研究与探索，2016，35（11）：141-145+205.

[10] 柯耀.基于ROS的开源移动机器人平台设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（09）：11-13+16.

[11] 龙丹，刘胜会，张国文，宋宇.基于TPP的《HTML5+CSS3跨平台软件开发技术》实践教学改革研究[J].计算机产品与流通，2020（11）：54.

[12] 郭光园.几个出色的JavaScript库[J].计算机与网络，2020，46（12）：37.

[13] 张世娇，靳毅轩，杜清河，张翠翠，张鹏辉.基于嵌入式Android系统的无线数据采集、传输综合实验设计实现[J].实验技术与管理，2020，37（09）：208-211.

[14] 遇炳昕，任光辉，吴金栋，曹正标.基于ECharts的高校实验室使用效益评估系统设计[J].实验技术与管理，2020，37（05）：241-247.

基金项目：1.2020年甘肃省高校创新创业教育改革项目-创新创业教育试点改革专业“计算机科学与技术”

2.兰州交通大学实验教学改革研究项目（2020013）

作者简介：穆聪（1990—），男，硕士，助理工程师，主要研究方向为无线传感器网络和嵌入式系统.

火久元（1978—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为智联物联网技术研究与应用.