張樂飛

【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)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的實(shí)驗課程所采用的技術(shù)相對滯后，不利于學(xué)生對物聯(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)驗為例，介紹了幾例典型的聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)實(shí)驗課程設(shè)計方案及其對應(yīng)的理論知識內(nèi)容。

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

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

導(dǎo)論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮[1]，近年來國內(nèi)主流高校的計算機(jī)和軟件學(xué)院都開設(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)時代的基于無線通信和傳感網(wǎng)的定位方法等。由于該課程目前還處于新設(shè)立的階段，國內(nèi)的相關(guān)教材目前僅有《無線定位系統(tǒng)》和《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)用教程》等少數(shù)參考書目，其中對于實(shí)驗課程設(shè)計的內(nèi)容較少，不能滿足學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)的全面理解和應(yīng)用。實(shí)際上，隨著近年來新型傳感器技術(shù)和計算機(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，結(jié)合智能手機(jī)中自帶的攝像頭、GPS信號接收器、WiFi、藍(lán)牙等功能，實(shí)現(xiàn)若干中小場景范圍的物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)實(shí)驗設(shè)計[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)驗課程設(shè)計中，將學(xué)生分為3人一組，自由探索與本課程理論知識相關(guān)的實(shí)驗設(shè)計選題，課程教師團(tuán)隊予以跟蹤指導(dǎo)，并鼓勵學(xué)生對相關(guān)選題在課程結(jié)束后繼續(xù)研究，參與互聯(lián)網(wǎng)+大賽等競賽項目。通過分析學(xué)生在本課程設(shè)計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)驗課程設(shè)計方案，并分析實(shí)驗課程的教學(xué)效果。

自組織網(wǎng)絡(luò)相對定位

自組織定位是一種相對定位技術(shù)，能夠在無預(yù)先布設(shè)設(shè)備、不依賴外源信號環(huán)境中，多個結(jié)點(diǎn)自動組織成網(wǎng)，利用相互間的對稱測量，相互進(jìn)行參數(shù)修正，以實(shí)現(xiàn)精確的相對定位，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)成包括兩個部分：主機(jī)端和客戶端。其中主機(jī)端使用個人便攜式電腦，發(fā)送WiFi信號，并實(shí)時顯示已上線的客戶端數(shù)量。根據(jù)無線通訊定位的信號強(qiáng)度可以計算出客戶端之間的相對位置，具體方法采用課程中介紹的觀測RSSI信號強(qiáng)度與距離之間的經(jīng)驗公式，需要通過一定數(shù)量的預(yù)訓(xùn)練確定經(jīng)驗公式中的若干參數(shù)?？蛻舳藶?塊成本較低的ESP8266模塊，可以實(shí)現(xiàn)互相之間的距離測量以及與主機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸。

在測量數(shù)據(jù)獲取以后，采用傳感網(wǎng)定位中的無錨節(jié)點(diǎn)定位算法，實(shí)現(xiàn)客戶端之間的相對定位，并將實(shí)時位置顯示在主機(jī)端。經(jīng)現(xiàn)場演示，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，耗費(fèi)能源很快；此外，在復(fù)雜環(huán)境中的信號反射和衍射等現(xiàn)象會干擾定位精度。

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、超市定位或考勤系統(tǒng)等。具體可以分為兩個部分。其中移動設(shè)備感知到無線AP發(fā)送的信號后，記錄接收到各個AP的信號強(qiáng)度值。向服務(wù)器發(fā)送定位請求，并將記錄的信號強(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)送的信號強(qiáng)度與指紋數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，估計出客戶端位置。

實(shí)現(xiàn)上述定位系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何根據(jù)觀測RSSI信號強(qiáng)度進(jìn)行定位。與前一例應(yīng)用不同的是，在本實(shí)驗設(shè)計中，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，包括以下步驟：（1）在三維空間中選取很多個的參考點(diǎn)。每個參考點(diǎn)可以測到至少三個AP站點(diǎn)的信號，確保位置的唯一性。（2）每一個AP站點(diǎn)的信號以每個參考點(diǎn)的中心值為準(zhǔn)，測量多組數(shù)據(jù)值求平均。信號范圍取值（0，10000]，其中0表示沒有測到信號，不計入數(shù)據(jù)庫。鑒于常見寫字樓的房間構(gòu)造較為復(fù)雜，有很多的墻壁、障礙物和拐角，WiFi的強(qiáng)度會在傳播中減弱并且受到干擾，因此數(shù)據(jù)庫中的樣本參考點(diǎn)選擇必須較為全面。

在具體定位過程中，對每個掃描到的AP的RSSI值，設(shè)定一個選擇區(qū)間，在指紋庫中查找滿足此區(qū)間范圍的位置點(diǎn)，若有n個位置點(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。對所有AP做如上處理后，選出權(quán)值最大的位置點(diǎn)為估計位置。如有多個位置點(diǎn)權(quán)值一樣，則比較信號強(qiáng)度距離，取最小者。

戶外停車系統(tǒng)設(shè)計

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

第一部分，檢測車位占用情況，使用了兩個超聲波傳感器，對獲取數(shù)據(jù)采用防脈沖干擾移動平均值法數(shù)字濾波算法，限制傳感器的最大量程，去除少數(shù)嚴(yán)重影響檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)，單次檢測結(jié)果與歷史結(jié)合，提高了傳感器測量結(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算法。

第二部分，對于服務(wù)器通信系統(tǒng)，提供了服務(wù)器-客戶端-開發(fā)板的一體化開發(fā)框架，客戶端可向服務(wù)器請求預(yù)約編號，服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫并返回確定是否接受預(yù)約信息。同時，開發(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發(fā)板。

第三部分，對于用戶客戶端，采用微信二次開發(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)時位置查看附近可用車位?？赏ㄟ^微信客戶端實(shí)現(xiàn)預(yù)約和確認(rèn)，一旦點(diǎn)擊確認(rèn)，則自動開始計費(fèi)同時步進(jìn)電機(jī)帶動橫桿旋轉(zhuǎn)90度開放車位。

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

結(jié)語

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)驗課程內(nèi)容無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)驗的經(jīng)驗，總結(jié)了幾例典型的高校物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)實(shí)驗課程設(shè)計，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、容易二次開發(fā)的硬件實(shí)現(xiàn)，并取得了良好的實(shí)驗效果[4]。其中比較優(yōu)秀的課程設(shè)計經(jīng)過持續(xù)研究完善，在計算機(jī)學(xué)科的主流學(xué)科競賽中展示并獲獎，充分體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)課程的理論知識水平和實(shí)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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[3]劉媛媛，李建宇.定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展分析[J].信息通信技術(shù)，2013，7（05）：41-46.

[4]張娟，陳春梅，路錦正，李強(qiáng).基于室內(nèi)定位的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗平臺開發(fā)[J].教育教學(xué)論壇，2016，（12）：251-252.