胡慶松,王鵬,姜波

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

0　引　言

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things)的出現(xiàn)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后,信息技術(shù)的又一重大革命。它使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從人與人的聯(lián)系擴(kuò)展到物與物、物與人的聯(lián)系,這將大大提高了社會信息化水平,并且已經(jīng)成為我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。其中,室內(nèi)檢測在物聯(lián)網(wǎng)范疇內(nèi)屬于發(fā)展相對成熟的一項(xiàng)技術(shù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)簡稱北斗系統(tǒng)(BeiDou System)是我國自主研發(fā)的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng),具有本土優(yōu)勢,以其優(yōu)異的熱性而得到廣泛使用。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一輪的信息技術(shù)迅速發(fā)展和不斷深入應(yīng)用,為我國城市運(yùn)行和管理進(jìn)入“智慧化”模式提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障,奠定了堅(jiān)實(shí)的科技基礎(chǔ),向更高階段的智慧化發(fā)展已成為我國全面智能化發(fā)展的必然選擇[1-3]。在日趨成熟的理論基礎(chǔ)支撐下,北斗系統(tǒng)將更好地服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測,革新檢測機(jī)制,用本土研發(fā)的技術(shù)來發(fā)展具有中國特色的物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測技術(shù)中,傳感器檢測所得室內(nèi)參數(shù)需要準(zhǔn)確并實(shí)時地通過網(wǎng)絡(luò)傳輸出去。北斗系統(tǒng)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸和授時功能可以更好地促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測技術(shù)的發(fā)展。

1　概述

1.1　物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進(jìn)行信息交換和通訊,以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[4]。

物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)在室內(nèi)檢測領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)重大應(yīng)用,其基本組成可分為三個層次,主要是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要用到的是各種室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的傳感器,用于檢測室內(nèi)環(huán)境的變化,提取室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)層主要使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)、Zigbee以及其他無線傳輸網(wǎng)絡(luò),用于對室內(nèi)環(huán)境檢測所得數(shù)據(jù)的傳輸和處理。應(yīng)用層是室內(nèi)檢測的反饋層,接收網(wǎng)絡(luò)層所傳輸來的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù),對反饋裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆答伩刂?如燈光、窗簾以及空調(diào)等。物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2　北斗系統(tǒng)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)可以為用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息,并具有授時功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)是我國自行研究的,具有獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。并且與美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、歐洲的伽利略系統(tǒng)(GALILEO)、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)(GLONASS)齊名,并稱全球四大定位導(dǎo)航系統(tǒng)[5-7]。

北斗系統(tǒng)由三部分組成,分別分為地面段、空間段和用戶段。地面段主要包含主控站、注入站和監(jiān)測站,空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。北斗系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

北斗系統(tǒng)的三大優(yōu)點(diǎn):1)快速定位。北斗系統(tǒng)可為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶提供全天候、實(shí)時定位服務(wù),其定位精度堪比美國GPS民用的定位精度。一般情況下的水平定位精度為100 m,在設(shè)立標(biāo)校站之后的定位精度可縮小至20 m. 2) 精密授時。北斗系統(tǒng)以其獨(dú)特的定位特性,可將授時精度降低至20 ns. 3) 短報文通信。北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報文通信功能,一次可傳送多達(dá)120個漢字的信息。

2　北斗系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測中的應(yīng)用

2.1　革新物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測網(wǎng)絡(luò)層

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測的網(wǎng)絡(luò)層主要是使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動通訊網(wǎng)絡(luò)等,受到節(jié)點(diǎn)體積、裝置價格和能源供應(yīng)等很多因素的限制,其通信距離被限定在了某一規(guī)模不大的特定區(qū)域內(nèi)。若這一檢測區(qū)域距離需要反饋控制的裝置較遠(yuǎn),那么傳感器所采集到的室內(nèi)環(huán)境原始數(shù)據(jù)極大可能就失去了價值。同時,隨著數(shù)據(jù)采集量的逐漸增大,室內(nèi)檢測單純的依靠無線傳感網(wǎng)或者GSM網(wǎng)絡(luò)來完成大規(guī)模數(shù)據(jù)的采集和傳輸就顯得多少有些底氣不足[8-10]。相比傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測的網(wǎng)絡(luò)層,北斗系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于可以覆蓋全球,地面基站將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)射給衛(wèi)星,由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)千公里之外的用戶終端。

1) 保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴，F(xiàn)今,物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測所需要覆蓋的節(jié)點(diǎn)越來越多,并且多數(shù)節(jié)點(diǎn)是以一種集群的方式存在,所有節(jié)點(diǎn)檢測所得數(shù)據(jù)基數(shù)之和越來越龐大,使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸,難免會造成網(wǎng)絡(luò)擁堵,數(shù)據(jù)發(fā)送和接受的延遲。而北斗系統(tǒng)通訊設(shè)備在外太空,傳輸功率大,能夠更好更有效地將積壓的數(shù)據(jù)傳輸出去,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2) 保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性。室內(nèi)檢測最重要的兩個關(guān)鍵點(diǎn),一個是檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,還有一個是傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時性。保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性才能保證檢測裝置的可靠性,取決于負(fù)責(zé)檢測室內(nèi)環(huán)境的傳感器。而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性才能保證反饋裝置的有效性,這將取決于傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。北斗系統(tǒng)以其獨(dú)特定位和導(dǎo)航特性,可將授時精度降低至 20 ns. 相比于傳統(tǒng)室內(nèi)檢測的網(wǎng)絡(luò)層,在檢測數(shù)據(jù)不多的情況下,基本上沒多大差別。但是,一旦節(jié)點(diǎn)增多,所需傳輸數(shù)據(jù)量龐大,北斗系統(tǒng)將能更好更快把數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層,更有效地執(zhí)行所需要的反饋行為。

3) 優(yōu)化室內(nèi)檢測系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。對于一般小型的室內(nèi)檢測,定點(diǎn)式布置節(jié)點(diǎn),檢測代表性點(diǎn)的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù),并將檢測所得數(shù)據(jù)處理以及傳輸,傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測系統(tǒng)使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或是蜂窩移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),完全可以保證檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行。但是,如果所要檢測的是大型室內(nèi)空間或者不連續(xù)的室內(nèi)空間,就需要布置數(shù)據(jù)接收中間站,才能將所有檢測所得數(shù)據(jù)整合傳輸并處理。這樣,浪費(fèi)的不僅是布置中間站的時間和精力,更是使得整個系統(tǒng)不具備方便使用的經(jīng)濟(jì)型和后期的系統(tǒng)拓展能力。然而,北斗系統(tǒng),作為一個遠(yuǎn)在外太空的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),根本無需考慮這些,便捷了整個物聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng),同時也使得整個系統(tǒng)變得更具有經(jīng)濟(jì)型。

2.2　變更物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測應(yīng)用層

物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測技術(shù)中的應(yīng)用層是響應(yīng)所檢測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的反饋設(shè)備,如空調(diào)、燈光、遮陽板等。在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測中,應(yīng)用層主要是通過接收網(wǎng)絡(luò)層所發(fā)送的處理之后的室內(nèi)環(huán)境參數(shù),進(jìn)而完成相應(yīng)的反饋行為以求達(dá)到室內(nèi)環(huán)境舒適的目的。需要經(jīng)過的過程主要是檢測數(shù)據(jù),傳輸數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行反饋。節(jié)點(diǎn)增多,傳輸處理的數(shù)據(jù)增多,應(yīng)用層設(shè)備所要判斷執(zhí)行的反饋行為增多。隨著節(jié)點(diǎn)越多越多,應(yīng)用層設(shè)備終將因反饋延遲而失效。

北斗系統(tǒng)雖起步較晚,但在日趨成熟的理論基礎(chǔ)上,北斗終端裝置亦可獨(dú)當(dāng)一面。變更傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測的應(yīng)用層為北斗系統(tǒng)終端裝置,一切問題便可迎刃而解。變更應(yīng)用層之后的物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

2.3　拓展物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測方式

物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域雖然已趨于成熟,但是檢測的方式總是局限于定點(diǎn)檢測和局部性檢測。

1) 實(shí)現(xiàn)移動式檢測。對于確定的室內(nèi)環(huán)境,布置幾個代表性的檢測點(diǎn),進(jìn)而完成對該室內(nèi)環(huán)境的檢測。然而現(xiàn)今,室內(nèi)環(huán)境千變?nèi)f化,選取特定一個室內(nèi)環(huán)境搭建檢測系統(tǒng),很難再運(yùn)用于其他場所,不具備普遍性。所以,需要打破傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測方式的局限性,轉(zhuǎn)變定點(diǎn)式檢測為移動式檢測。以軌道作為傳感檢測的移動平臺,使用北斗系統(tǒng)作為移動式檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層,再輔以變更為北斗終端裝置的應(yīng)用層。不受室內(nèi)環(huán)境的影響,可自由拆裝于需要檢測的室內(nèi)環(huán)境,避免了重新搭建檢測系統(tǒng)平臺的麻煩,使檢測系統(tǒng)的使用具有一種普遍性。同時,移動式檢測平臺相比于定點(diǎn)式檢測,可以檢測某一空間水平梯度或者垂直梯度的連續(xù)環(huán)境參數(shù),使得檢測數(shù)據(jù)更具有試驗(yàn)和分析價值。

2) 實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的無限擴(kuò)大。由于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)檢測技術(shù)受到網(wǎng)絡(luò)層的限制,數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?整個檢測系統(tǒng)的規(guī)?？偸潜痪窒拊谝粋€小范圍內(nèi)?，F(xiàn)今,北斗系統(tǒng)技術(shù)使用日益成熟,可將整個室內(nèi)檢測系統(tǒng)無限擴(kuò)大,不受數(shù)據(jù)傳輸距離和速度的影響,真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)檢測的全球化。

3　結(jié)束語

北斗系統(tǒng)的研制成功體現(xiàn)了我國的綜合國力和科技水平又達(dá)到了一個新的高度,與此同時北斗也必定是未來全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的主力軍。北斗系統(tǒng)在室內(nèi)檢測中的應(yīng)用,推進(jìn)了我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,進(jìn)一步保障了室內(nèi)檢測的準(zhǔn)確性。同時北斗終端裝置創(chuàng)新地使用于檢測系統(tǒng)的反饋層,也進(jìn)一步保障了應(yīng)用層反饋設(shè)備的執(zhí)行性。北斗系統(tǒng),為人們提供一個更加舒適的室內(nèi)環(huán)境。2020年,北斗系統(tǒng)完成全球覆蓋的偉大計(jì)劃,將為構(gòu)建全球化的物聯(lián)網(wǎng)檢測系統(tǒng)提供重要的技術(shù)支撐。

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