穆聰 火久元 王俊銘 牟林 劉夢(mèng) 張晶

摘 要：針對(duì)“學(xué)生創(chuàng)新課題開(kāi)放實(shí)驗(yàn)”教學(xué)需要，開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了由靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和軟件端三大部分構(gòu)成的基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)將北斗定位、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)和3D建模打印等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行融合，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生軟硬件系統(tǒng)集成和實(shí)際工程實(shí)踐能力有重要的推動(dòng)作用。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生深度了解北斗定位在地質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，與此同時(shí)掌握嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)和3D建模打印等多項(xiàng)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：北斗定位;實(shí)驗(yàn)平臺(tái);嵌入式系統(tǒng);3D建模打印;地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè);

中圖分類(lèi)號(hào)：X830.2

“學(xué)生創(chuàng)新課題開(kāi)放實(shí)驗(yàn)”是高等學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新人才、實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育目標(biāo)的客觀要求和有效途徑之一。通過(guò)參與多種形式的創(chuàng)新開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，能夠使廣大學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)動(dòng)手實(shí)踐，幫助他們親身感受，理解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程^[1]。采用實(shí)際的工程案例實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以很好的解決實(shí)驗(yàn)課程中如何培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的難題。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite ，簡(jiǎn)稱(chēng)DBS）是我國(guó)自行研制的，具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著第三代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)完成，北斗定位精度不斷提高，目前北斗高精度定位技術(shù)已逐漸被應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域^[2]。其中包括測(cè)繪。電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益^[3]。但高校在DBS教學(xué)中仍以理論教學(xué)為主，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。因此急需一套基于DBS的可應(yīng)用化軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文提出的基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一臺(tái)依托DBS進(jìn)行學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)和3D建模打印的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以構(gòu)建完整的DBS實(shí)踐項(xiàng)目，包括理論學(xué)習(xí)、軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試、模型建立、系統(tǒng)測(cè)試等。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)緊跟北斗技術(shù)發(fā)展，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣^[4]，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用多學(xué)科理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力^[5]。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能與總體架構(gòu)

基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩部分組成。。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用BDS的載波相位差分技術(shù)^[6]實(shí)現(xiàn)高精度北斗定位。硬件采用的是樹(shù)莓派3B+^[7]作為主處理控制器，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)滿足雨滴傳感器、土壤傳感器、溫濕度傳感器、傾斜傳感器、震動(dòng)傳感器、加速度、陀螺儀、壓力機(jī)等各類(lèi)傳感器的接入。各類(lèi)傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)NB-LOT/IPV6組合通信上傳到云服務(wù)器，在云服務(wù)器將數(shù)據(jù)融合處理，根據(jù)專(zhuān)業(yè)教師實(shí)驗(yàn)需要搭配機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)預(yù)警監(jiān)測(cè)。在軟件端依靠上位機(jī)Web、微信小程序以及App等對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控。

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為靜態(tài)平臺(tái)的補(bǔ)充衍生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要服務(wù)針對(duì)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)生客觀意外無(wú)法工作時(shí)，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可前往故障點(diǎn)代替靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)繼續(xù)收集并上傳數(shù)據(jù)。因此主要開(kāi)發(fā)制作了多功能滑坡災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)小車(chē)。小車(chē)以履帶式結(jié)構(gòu)搭載北斗定位模塊和SLAM模塊。通過(guò)激光雷達(dá)SLAM模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)可對(duì)周?chē)h(huán)境掃描后獲取到水平方向空間障礙物輪廓的截線，從而實(shí)現(xiàn)了小車(chē)在陌生環(huán)境中的自主定位導(dǎo)航。小車(chē)同樣搭載多種傳感器，可對(duì)指定區(qū)域的關(guān)鍵地質(zhì)災(zāi)害信息進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)搭載的車(chē)載攝像頭可實(shí)時(shí)采集影像數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)圖像會(huì)發(fā)送給云服務(wù)器。用戶可以通過(guò)手機(jī)App控制小車(chē)實(shí)時(shí)建圖、規(guī)劃小車(chē)巡檢路徑、實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

2.1靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了方便實(shí)驗(yàn)，本文采用的樹(shù)莓派3B+為一塊只有卡片大小的64位四核ARM處理器，主頻為1.4GHz，運(yùn)行內(nèi)存1GB，計(jì)算能力相當(dāng)可觀，可以用來(lái)處理較為復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)^[7]。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首要要求學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和樹(shù)莓派3B+的各項(xiàng)功能。利用電路仿真軟件完成樹(shù)莓派與各類(lèi)傳感器的連接設(shè)計(jì)，完成電路焊接與測(cè)試實(shí)驗(yàn)。再完成上述實(shí)驗(yàn)后，參考傳感器連接設(shè)計(jì)圖完成北斗定位模塊與樹(shù)莓派3B+連接實(shí)驗(yàn)。北斗模塊選擇waveshare的?L76X GPS HAT。最后對(duì)整體電路進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)樹(shù)莓派3B+監(jiān)測(cè)到傳感器信號(hào)時(shí)，蜂鳴器和LED報(bào)警。同時(shí)利用樹(shù)莓派3B+自帶藍(lán)牙模塊將采集到的定位信息發(fā)送給學(xué)生。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以加深嵌入式系統(tǒng)理論知識(shí)，提高獨(dú)立分析并完成嵌入式系統(tǒng)工程案例設(shè)計(jì)能力。

2.2靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件端3D建模打印實(shí)驗(yàn)

由于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件保護(hù)殼利用傳統(tǒng)方式難以制造，本實(shí)驗(yàn)利用3D建模打印完成對(duì)外殼部分零配件的設(shè)計(jì)與制作。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，首先讓學(xué)生對(duì)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體以及結(jié)構(gòu)有了更深度的了解，其次鍛煉學(xué)生在后期項(xiàng)目中使用3D打印技術(shù)能力。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段，首先專(zhuān)業(yè)教師對(duì)3D建模打印的概念、發(fā)展過(guò)程、應(yīng)用領(lǐng)域、主流3D打印技術(shù)和常見(jiàn)的3D打印材料等知識(shí)進(jìn)行講解^[8];其次在課后指導(dǎo)學(xué)生熟練掌握3Dsmax、123D等多種建模軟件，仿照靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行建模;最后學(xué)生可以自主使用Cura切片軟件對(duì)模型進(jìn)行切片，對(duì)軟件中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，最終完成模型打印。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生一方面對(duì)3D打印技術(shù)有了全面的了解，另一方面激發(fā)了學(xué)生在“學(xué)生創(chuàng)新課題開(kāi)放實(shí)驗(yàn)”中使用3D建模打印的熱情。

2.3動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)小車(chē)的設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要用到STM32小車(chē)^[9]、SLAM自動(dòng)巡航系統(tǒng)、激光雷達(dá)和機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS（Robot Operating System，ROS）^[10]。采用STM32小車(chē)可以方便學(xué)生安裝調(diào)試傳感器，除此之外手機(jī)App遠(yuǎn)程控制小車(chē)并方便攝像頭將視頻信息傳回手機(jī)。SLAM自動(dòng)巡航系統(tǒng)、激光雷達(dá)和ROS系統(tǒng)采用Python開(kāi)發(fā)，本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生熟悉Python編程語(yǔ)言，讀懂SLAM和ROS程序代碼，并學(xué)會(huì)根據(jù)不同監(jiān)測(cè)區(qū)域調(diào)試程序。從而進(jìn)一步提高樹(shù)莓派、SLAM、ROS軟件設(shè)計(jì)能力和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)調(diào)試能力。

2.4 監(jiān)測(cè)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)

監(jiān)測(cè)軟件是實(shí)現(xiàn)基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要組成部分，本實(shí)驗(yàn)部分要求學(xué)生使用HTML，CSS^[11]，Java script^[12]，Android^[13]等軟件，完成上位機(jī)Web，手機(jī)App，微信小程序的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)多種人機(jī)交互功能。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生只需要通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)指定域名輸入用戶名和密碼即可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。為了使學(xué)生更容易理解和學(xué)習(xí)相對(duì)容易，利用Echarts.js^[14]實(shí)現(xiàn)Web端實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的可視化分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，要求學(xué)生利用手機(jī)App完成數(shù)據(jù)可視化、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)工作。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體樣機(jī)如圖5所示。為了驗(yàn)證“基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”實(shí)驗(yàn)效果，我們開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試工作。將靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放置于野外環(huán)境中，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試、遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試。圖11和圖12分別是在Web端和手機(jī)App端測(cè)試結(jié)果：從圖11中可以看出靜態(tài)平臺(tái)和動(dòng)態(tài)平臺(tái)均能夠良好采集地質(zhì)數(shù)據(jù)，圖12、13中可以清晰的看到Web端、手機(jī)App端測(cè)試結(jié)果和視頻圖像。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“學(xué)生創(chuàng)新課程開(kāi)放實(shí)驗(yàn)”教學(xué)需要開(kāi)發(fā)了基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，填補(bǔ)了北斗導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白。依靠該平臺(tái)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)部分充分體現(xiàn)了北斗導(dǎo)航、嵌入式系統(tǒng)與軟件開(kāi)發(fā)、3D建模打印等技術(shù)要點(diǎn)。目前該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生軟硬件系統(tǒng)集成能力、實(shí)際工程創(chuàng)新實(shí)踐能力有重要的推動(dòng)作用。

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基金項(xiàng)目：1.2020年甘肅省高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革項(xiàng)目-創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育試點(diǎn)改革專(zhuān)業(yè)“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”

2.蘭州交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2020013）

作者簡(jiǎn)介：穆聰（1990—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng).

火久元（1978—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹锹?lián)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用.