周 亮，吳 昊，林水生

（電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 611731）

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IOT）的出現(xiàn)是互聯(lián)網(wǎng)后信息技術(shù)的又一重大突破，它將網(wǎng)絡(luò)從人與人之間的信息交互擴(kuò)展到物與物、人與物的信息交互，大大提高了社會(huì)信息化水平［1］。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將引發(fā)新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，是信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域未來競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核心驅(qū)動(dòng)力［2］。為落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，推進(jìn)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”開展，創(chuàng)建高校和行業(yè)企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的新機(jī)制，加強(qiáng)高校工程實(shí)踐教育，培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)企業(yè)需求的工程人才，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)必須從一開始就要加強(qiáng)工程能力的培養(yǎng)，特別是要注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，并提高其創(chuàng)新實(shí)踐的能力。

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和應(yīng)用市場(chǎng)的逐步開拓，開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的課程已成為高等院校勢(shì)在必行的舉措，通過物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，可以使學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層、信息處理應(yīng)用層常用技術(shù)和設(shè)備［3］。目前各高校隨著技術(shù)快速發(fā)展逐步展開了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)的建設(shè)，但實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)明顯存在不足和滯后。絕大多實(shí)驗(yàn)仍然是以實(shí)驗(yàn)箱為平臺(tái)，動(dòng)手空間很小，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［4］。為了使學(xué)生能夠全面掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，提高學(xué)生的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)能力，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中信息的采集、傳輸、處理、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，本文圍繞運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)、智能化傳感信息融合、目標(biāo)定位跟蹤等方面開展了物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和研究。

1 Zigbee及MEMS技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

Zigbee是一種短距離、低功耗、低速率、組網(wǎng)靈活的無線通信技術(shù)［5－7］，適用于傳輸數(shù)據(jù)量小、功耗要求較為苛刻、實(shí)時(shí)性要求較低、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求較多的場(chǎng)合。Zigbee具有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特別適用于物聯(lián)網(wǎng)，并且具備自組織、自愈功能，其魯棒性很強(qiáng)。目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)之中。本綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用Zigbee協(xié)議以實(shí)現(xiàn)無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信。

MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景［8］。由于其體積小、抗沖擊、可靠性高、壽命長(zhǎng)、成本低，是一類非常適于構(gòu)建微型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性傳感器［9］。目前常見的 MEMS慣導(dǎo)傳感器有加速度傳感器和陀螺儀等。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，通常會(huì)受到體積、功耗等方面的限制，因此常規(guī)傳感器很難集成于其中，而MEMS則非常適合于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。傳感技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一。本綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用了多類MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器件，以實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的姿態(tài)信息。

2 綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括硬件平臺(tái)、軟件資源和實(shí)驗(yàn)資源三大部分。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件平臺(tái)主要由中央網(wǎng)關(guān)處理器、傳感設(shè)備和控制設(shè)備等組成，它們通過Zigbee無線信道相互連接，并以多跳自組織形式相互通信。中央網(wǎng)關(guān)處理器采用高性能ARM處理器作為核心，集成了多種外設(shè)接口，便于功能性擴(kuò)展。中央網(wǎng)關(guān)處理器可以通過有線或無線的方式接入Internet，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。傳感設(shè)備和控制設(shè)備中的無線通信節(jié)點(diǎn)均采用TI CC2431低功耗處理器。傳感設(shè)備中除包含溫、濕度傳感器等常規(guī)傳感器外，還包括加速度傳感器、陀螺儀、磁方位傳感器等MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器，為運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)提供基本硬件支持。控制設(shè)備中包括照明控制、電動(dòng)窗簾控制等。

軟件資源主要包括自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件、嵌入式節(jié)點(diǎn)軟件、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)及各類圖形化信息反演、管理、控制軟件。

為使學(xué)生能夠綜合地學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)中信息的采集、傳輸、處理、應(yīng)用等，基于以上平臺(tái)和資源開發(fā)了多套典型實(shí)驗(yàn)，包括運(yùn)動(dòng)信息傳感及姿態(tài)反演實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)定位實(shí)驗(yàn)和智能控制實(shí)驗(yàn)等。

3 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)信息傳感及姿態(tài)反演實(shí)驗(yàn)是利用物聯(lián)網(wǎng)中相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)信息傳感器采集信息，并通過Zigbee無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在網(wǎng)關(guān)平臺(tái)上進(jìn)行誤差修正和數(shù)據(jù)融合，實(shí)時(shí)反演物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。本實(shí)驗(yàn)側(cè)重于運(yùn)動(dòng)信息的采集與處理，可以鍛煉學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中多類數(shù)據(jù)融合的能力。

物聯(lián)網(wǎng)定位實(shí)驗(yàn)使用射頻傳輸?shù)腞SSI信息，利用無線信道傳播模型進(jìn)行移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位與跟蹤，側(cè)重于定位信息的自組網(wǎng)傳輸和定位跟蹤算法的研究，可以鍛煉學(xué)生對(duì)在物聯(lián)網(wǎng)中開發(fā)自組織網(wǎng)絡(luò)的能力，并提高其處理數(shù)據(jù)的能力。

智能控制實(shí)驗(yàn)利用光照等傳感信息，對(duì)多組終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程智能控制，側(cè)重于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體的組網(wǎng)原理和數(shù)據(jù)通信機(jī)制，鍛煉學(xué)生從宏觀上把握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)智能控制和遠(yuǎn)程控制的優(yōu)勢(shì)。

3.1 運(yùn)動(dòng)信息傳感及姿態(tài)反演實(shí)驗(yàn)

掌握各類運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器的工作原理，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，完成物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的反演。

在該實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)信息采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)信息的采集，并將采集到數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給中央網(wǎng)關(guān)處理器，在網(wǎng)關(guān)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)傳感誤差修正、數(shù)據(jù)融合以及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的反演。

運(yùn)動(dòng)信息的獲取主要由終端采集節(jié)點(diǎn)完成。加速度傳感器和磁方位傳感器使用I2C接口，陀螺儀使用ADC接口與節(jié)點(diǎn)處理器CC2431連接。獲取傳感數(shù)據(jù)的流程如圖2所示。當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，首先完成系統(tǒng)時(shí)鐘、射頻及接口的初始化，接下來配置傳感器的參數(shù)，配置成功后各傳感器開始工作，每隔100ms采集一次各傳感器的數(shù)據(jù)，并將采集到的傳感數(shù)據(jù)通過射頻接口發(fā)出。

圖2 傳感數(shù)據(jù)采集流程圖

在導(dǎo)航系統(tǒng)中通常利用俯仰角、翻滾角和航偏角對(duì)一個(gè)物體在空中的姿態(tài)進(jìn)行描述。由于傳感器器件本身存在的誤差及安裝誤差等，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此在傳感器初始化時(shí)通常要進(jìn)行定標(biāo)處理，其方法可參考文獻(xiàn)［10］。此外，由于運(yùn)動(dòng)等因素的影響，單獨(dú)利用加速度傳感器或磁方位傳感器的數(shù)據(jù)計(jì)算載體的姿態(tài)的精度較差，而單獨(dú)利用陀螺儀的數(shù)據(jù)，通過積分計(jì)算出姿態(tài)角也存在累積誤差等問題。對(duì)于這種情況，通常采用的方法是卡爾曼濾波法，但是卡爾曼濾波法的收斂速度慢，對(duì)處理器的速度有較高的要求，并且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高。而互補(bǔ)濾波法［11－12］結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，很好地解決了加速度傳感器和磁方位傳感器的抖動(dòng)誤差以及陀螺儀累積誤差的問題。

互補(bǔ)濾波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。首先，加速度傳感器和磁方位傳感器的數(shù)據(jù)通過低通濾波器濾除高頻的抖動(dòng)噪聲，之后計(jì)算得到姿態(tài)角，同時(shí)，陀螺儀的數(shù)據(jù)經(jīng)過積分得到姿態(tài)角，并通過高通濾波器濾除低頻漂移噪聲。然后將得到的這2組數(shù)據(jù)加權(quán)平均得到最優(yōu)化的姿態(tài)角結(jié)果。此外，根據(jù)加速度傳感器的數(shù)據(jù)，可以利用計(jì)步器原理，粗略地推算出運(yùn)動(dòng)軌跡。最終得到的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)反演的效果如圖4所示。

圖3 互補(bǔ)濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖4 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)反演效果圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)定位實(shí)驗(yàn)

基于RSSI的測(cè)距方法簡(jiǎn)單，無需增加專用測(cè)距部件，因此被廣泛地應(yīng)用于各類無線定位系統(tǒng)中［13－14］。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成定位網(wǎng)絡(luò)，主要由參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)組成，通過獲取接收信號(hào)強(qiáng)度值RSSI來確定目標(biāo)位置信息。參考節(jié)點(diǎn)預(yù)知自身位置并可將位置信息通過自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸至其他節(jié)點(diǎn)，盲節(jié)點(diǎn)為需要被定位的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)布置時(shí)，需確保盲節(jié)點(diǎn)能收到3個(gè)或3個(gè)以上的參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)。

基于RSSI的測(cè)距原理是已知參考節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，盲節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度值，計(jì)算出信號(hào)傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型將傳播損耗反演為距離。在實(shí)際應(yīng)用中，普遍采用的信號(hào)傳播模型是Shadowing模型：

結(jié)合以上算法實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)工作流程，如圖5所示。

圖5 定位系統(tǒng)工作流程圖

（1）匯聚節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器組建一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)。

（2）盲節(jié)點(diǎn)廣播一系列RSSI Blast信號(hào)，在該數(shù)據(jù)包中設(shè)定跳數(shù)為1，確保只有一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)收到此數(shù)據(jù)包。

（3）收到該廣播信號(hào)的參考節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的RSSI值作處理。由于受到多徑、繞射、障礙物等不穩(wěn)定因素的影響，RSSI會(huì)出現(xiàn)一定幅度的擾動(dòng)，因此各參考節(jié)點(diǎn)使用高斯濾波法選取高概率的RSSI值，然后求取幾何平均以減少小概率事件對(duì)整體測(cè)量結(jié)果的干擾。

（4）盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI請(qǐng)求信號(hào)，參考節(jié)點(diǎn)將處理過的RSSI連同自身位置信息打包發(fā)送給盲節(jié)點(diǎn)。

（5）盲節(jié)點(diǎn)將從各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)打包，發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

（6）匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到中央網(wǎng)關(guān)處理器，由中央網(wǎng)關(guān)處理器執(zhí)行定位算法并給出定位結(jié)果。

3.3 智能控制實(shí)驗(yàn)

學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組網(wǎng)原理，理解數(shù)據(jù)通信的機(jī)制，掌握基本的智能反饋控制和編程方法。在實(shí)驗(yàn)過程中可通過中央處理平臺(tái)觀察控制設(shè)備和傳感設(shè)備的入網(wǎng)情況和拓?fù)湫纬?，同時(shí)還可進(jìn)行手動(dòng)控制或通過傳感器智能反饋控制相關(guān)的電器設(shè)備。

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，傳感設(shè)備和控制設(shè)備通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，中央網(wǎng)關(guān)處理器負(fù)責(zé)后臺(tái)的數(shù)據(jù)處理與前臺(tái)的控制命令下發(fā)。智能控制工作流程如下：

（1）各傳感器設(shè)備與匯聚節(jié)點(diǎn)形成自組織網(wǎng)絡(luò)；

（2）由傳感器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集并通過自組織網(wǎng)絡(luò)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)；

（3）匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合之后將數(shù)據(jù)傳送至中央網(wǎng)關(guān)處理器；

（4）中央網(wǎng)關(guān)處理器使用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理與分析，然后通過匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送各類命令至控制節(jié)點(diǎn)；

（5）各控制節(jié)點(diǎn)接收到命令后利用控制電路對(duì)各對(duì)象（例如：照明燈、窗簾等）進(jìn)行控制。

中央網(wǎng)關(guān)處理器的應(yīng)用軟件能夠顯示出當(dāng)前加入到網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)信息，包括節(jié)點(diǎn)數(shù)、ID編號(hào)和采集到的數(shù)據(jù)等情況。學(xué)生可以根據(jù)所接收的信息，實(shí)時(shí)地得知房間中的光照、溫濕度等環(huán)境狀況。應(yīng)用軟件能夠記錄保存各節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)，方便查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。此外，根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)際需要，可以設(shè)置光照的閾值，超過該閾值的時(shí)候，應(yīng)用軟件根據(jù)設(shè)置的閾值發(fā)出相應(yīng)的控制命令，控制照明燈或電動(dòng)窗簾進(jìn)行環(huán)境指標(biāo)的調(diào)節(jié)，使得環(huán)境調(diào)節(jié)智能化。圖6、圖7分別為客戶端節(jié)點(diǎn)拓?fù)淇刂平缑婧蛡鞲衅餍畔⒉樵兘缑妗?/p>

圖6 控制軟件界面

圖7 傳感器信息查詢界面

4 結(jié)束語

本物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涵蓋面廣泛，設(shè)計(jì)思路新穎，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)形象，讓學(xué)生從基本的實(shí)驗(yàn)入手，逐步了解面向應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，從簡(jiǎn)單的演示性實(shí)驗(yàn)到最終全面設(shè)計(jì)復(fù)雜的應(yīng)用，涉及到了物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)層面，極大地發(fā)揮了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，使學(xué)生更全面地掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)，為其今后的研究及開發(fā)工作奠定了基礎(chǔ)。

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