基于WSN的“GPS原理與應(yīng)用”在線教學(xué)實踐系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

楊 慧，張小露，耍倩倩

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

基于WSN的“GPS原理與應(yīng)用”在線教學(xué)實踐系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

楊 慧1,2，張小露1，耍倩倩1

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

深入分析“GPS原理與應(yīng)用”教學(xué)實踐現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)GPS施測及RTK應(yīng)用教學(xué)實踐過程的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合當(dāng)前移動定位服務(wù)的發(fā)展前景，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)并實現(xiàn)“GPS原理與應(yīng)用”在線教學(xué)實踐系統(tǒng)平臺，以引導(dǎo)學(xué)生進行GPS定位信息的實時接收、遠程傳輸、動態(tài)顯示、實時監(jiān)測及統(tǒng)計分析等功能。應(yīng)用結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的實踐教學(xué)手段，基于WSN的“GPS原理與應(yīng)用”在線教學(xué)實踐系統(tǒng)對促進GPS實踐教學(xué)具有充分的理論依據(jù)和實踐意義。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；定位信息；GPS原理與應(yīng)用；在線教學(xué)實踐系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是美國20世紀70年代研制的一種具有全球性、全天候、實時性和連續(xù)性的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)[1-2]，其通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號并進行數(shù)據(jù)處理，從而求定測量點的空間位置[3]。目前，隨著GPS衛(wèi)星技術(shù)的迅猛發(fā)展和完善，其定位技術(shù)由實時單點定位、靜態(tài)相對定位發(fā)展到實時偽距差分定位(Real-time Kinematic pesudorange Difference，RTD)、實時動態(tài)定位(Real Time Kinematic，RTK)，定位精度的不斷提升，極大地提高了外業(yè)測量的效率，滿足了各個領(lǐng)域測量精度的需求[4]。GPS以其全天候、高效率、精密的三維導(dǎo)航與定位功能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、工程測繪、資源勘查、車輛導(dǎo)航、地理信息系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。

因此，國內(nèi)許多高等院校相繼在各相關(guān)專業(yè)中開設(shè)了“GPS原理與應(yīng)用”課程[5-6]，該課程是一門多學(xué)科交叉融合的綜合性學(xué)科，其涉及的知識面廣泛，實踐性強，通過該門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需在掌握GPS基礎(chǔ)理論知識的基礎(chǔ)上，提高自身的動手操作能力、創(chuàng)新能力以及主動發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，因此如何使學(xué)生真正理解GPS定位的原理與方法，掌握GPS定位數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理流程，不斷提高GPS課程教學(xué)質(zhì)量是廣大教育工作者面臨的一大問題。實踐教學(xué)是“GPS原理與應(yīng)用”課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)之一，目前其主要形式可概括為GPS測量控制網(wǎng)的施測[7]和GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用實習(xí)[8-10]兩個方面。

通過分析近年來的GPS實踐教學(xué)狀況，發(fā)現(xiàn)其多采用傳統(tǒng)的課程講解和外業(yè)測量的方式[11]，而GPS在近些年的發(fā)展非常迅速，教材的更新速度卻相對滯后，且隨著移動互聯(lián)網(wǎng)(Mobile Internet，MI)、基于位置的服務(wù)(Location Based Services，LBS)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)等技術(shù)的飛速發(fā)展，如何瞄準科學(xué)發(fā)展的前沿，將其引入“GPS原理與應(yīng)用”課程的教學(xué)中來，是對廣大教育工作者的一個挑戰(zhàn)。

本文針對傳統(tǒng)GPS施測及RTK應(yīng)用教學(xué)實踐過程的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合當(dāng)前移動定位服務(wù)的發(fā)展前景，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)涵，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合GPS定位模塊、GPRS通信模塊和微控制器設(shè)計GPS在線實踐儀器，利用WebGIS技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“GPS原理與應(yīng)用”在線教學(xué)實踐系統(tǒng)。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的GPS實踐應(yīng)用

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

WSN是系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊，由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和監(jiān)控中心組成[12]。每個傳感器節(jié)點除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合，并與其他節(jié)點協(xié)作完成任務(wù)[13]；匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，負責(zé)路由、轉(zhuǎn)發(fā)、融合、存儲其他節(jié)點信息；網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，接收和匯總網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的信息，并通過光纖、Internet或衛(wèi)星鏈路將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心負責(zé)監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)信息的綜合處理，具有信息處理、決策等功能。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐條地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多條后路由到匯聚節(jié)點，最后通過衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)到達監(jiān)控中心。用戶通過監(jiān)控中心對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)和收集監(jiān)測數(shù)據(jù)[14]。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

“GPS原理與應(yīng)用”在線教學(xué)實踐系統(tǒng)是由WSN，GPRS，GPS和WebGIS等技術(shù)結(jié)合設(shè)計并實現(xiàn)的。基于WSN的“GPS原理與應(yīng)用”在線教學(xué)實踐系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和WebGIS在線監(jiān)測系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GPS在線實踐教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負責(zé)采集和處理實踐區(qū)域的數(shù)據(jù)信息，通過GPRS終端連接到GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)并接入Internet，將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測中心進行分析處理；在線監(jiān)測中心由一臺或多臺可以接入Internet的計算機和相應(yīng)數(shù)據(jù)通訊收發(fā)設(shè)備以及必要的輸出設(shè)備組成，負責(zé)對GPS數(shù)據(jù)采集終端進行遠程控制，通過發(fā)送指令實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測和控制[15]。

實踐時，首先學(xué)生利用自主開發(fā)的GPS實踐儀器在實驗區(qū)域(中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)校園)內(nèi)移動，實時獲取校園內(nèi)預(yù)先選定的實驗地點的位置信息；然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將獲取到的位置信息傳送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進行集中處理，經(jīng)檢查無誤后有效的數(shù)據(jù)將會被保存到數(shù)據(jù)庫，如時間、經(jīng)緯度、高度、移動速度等；后臺監(jiān)控中心在與前端采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互的同時，還與用戶端系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，用戶可通過手機、PDA和筆記本電腦等移動設(shè)備客戶端與服務(wù)器進行交互通信，具有訪問權(quán)限的指導(dǎo)老師可遠程登錄WebGIS在線監(jiān)測系統(tǒng)界面，實時查詢和控制服務(wù)器端的數(shù)據(jù)，并在百度地圖上進行點的標注以及實現(xiàn)運動軌跡的回放。

2 GPS在線實踐教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 GPS在線實踐儀器硬件設(shè)計

根據(jù)GPS實踐教學(xué)的需求，設(shè)計開發(fā)的GPS在線實踐儀器由GPS模塊、微控制器模塊、GPRS無線通信模塊和電源管理模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GPS在線實踐儀器硬件結(jié)構(gòu)

其中，微控制器模塊主要負責(zé)GPS定位系統(tǒng)中的運算、數(shù)據(jù)傳遞以及控制協(xié)調(diào)各模塊之間的工作[16]。微控制器采用NXP公司的LPC1700系列，該系列芯片采用低功耗、高成本效益的Cortex-M3內(nèi)核，其最高工作效率為100 MHz。同時也采用了矩陣式AHB總線，可同時運行以太網(wǎng)、USB等高寬帶外設(shè)，而不會影響性能。除此之外，每個器件最高可搭載512 KB內(nèi)存和64 KB SRAM，可滿足硬件系統(tǒng)的要求。

GPS定位模塊負責(zé)接收衛(wèi)星的定位信息，將接收數(shù)據(jù)輸入到微控制器模塊，根據(jù)接收到的經(jīng)緯度坐標值計算出實踐儀器所在的具體位置。本文選用的JRC-GPS模塊是由中國無線技術(shù)有限公司設(shè)計的GPS接收器模塊，可為各種應(yīng)用提供最好的解決方案。該模塊兼容三星14B01、14B02(1613)、環(huán)天ET312(2820)、鼎天REB3310(2525)、Ublox 4X/5X等主流產(chǎn)品；可支持多達210PRN渠道，其中有66個搜索渠道和22個同步跟蹤渠道。它支持L1波段信號集，如全球定位系統(tǒng)的C/A和SBAS(包括WAAS，EGNOS MASA)；支持NMEA0183 V3.01通訊協(xié)定；提供API(應(yīng)用編程接口)和電子地圖，可以實現(xiàn)自主導(dǎo)航的解決方案，以及GPS導(dǎo)航解決方案，以取得快速TIFF和準確的導(dǎo)航性能，能夠很好的滿足GPS實踐教學(xué)對定位模塊的性能要求。

GPRS通訊模塊主要負責(zé)微控制器與GPS 模塊的數(shù)據(jù)傳輸，實時接收并過濾所有GPS發(fā)來的數(shù)據(jù)，最后保留有用的數(shù)據(jù)，如時間、經(jīng)緯度、高度、速度等[17]。GPRS無線模塊采用SIMCOM有限公司提供的SIM900A模塊。該模塊不僅支持通常用于PPP連接的PAP協(xié)議，還內(nèi)嵌了TCP/TP協(xié)議，允許一個TCP/UDP傳輸機制以最小的前期配置和操作來被使用，可以直接用AT命令對其進行控制，使用起來非常方便。GPRS模塊主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊四部分。首先GPS模塊獲取到數(shù)據(jù)信息后，協(xié)調(diào)器通過串口將匯聚的數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS通信模塊，按照TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到Internet上，然后由服務(wù)器端讀取數(shù)據(jù)并存儲至數(shù)據(jù)庫中，可在需要時進行分析處理。

2.2 WebGIS在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

GPS在線實踐教學(xué)系統(tǒng)的主要目的在于實時在線處理并顯示匯集到數(shù)據(jù)中心的學(xué)生實踐過程中獲取的位置信息，并將實踐結(jié)果和真實經(jīng)緯度坐標進行比對，確定各實踐數(shù)據(jù)的采集時間和經(jīng)緯坐標位置所代表的具體點，以對學(xué)生的實踐結(jié)果做出判斷，從而實現(xiàn)GPS在線實踐教學(xué)的學(xué)習(xí)與管理。WebGIS在線監(jiān)測系統(tǒng)以中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)校園的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)為依據(jù)，系統(tǒng)采用B/S 3層架構(gòu)，分為表現(xiàn)層、應(yīng)用層及數(shù)據(jù)層3個邏輯層次，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 WebGIS在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表現(xiàn)層是系統(tǒng)與用戶交互的接口，主要負責(zé)WebGIS數(shù)據(jù)功能的表現(xiàn)，進行GIS的查詢分析，并將結(jié)果可視化輸出，一般為通用的瀏覽器軟件，如IE，F(xiàn)irefox等；應(yīng)用層需要為表現(xiàn)層提供地理信息服務(wù)并進行相應(yīng)分析。這些服務(wù)由GIS服務(wù)器進行管理，所提供的地理信息服務(wù)包括空間數(shù)據(jù)服務(wù)、空間功能服務(wù)以及空間元數(shù)據(jù)服務(wù)3種。數(shù)據(jù)層則要提供地理信息數(shù)據(jù)的存儲、分析、管理等，數(shù)據(jù)庫也轉(zhuǎn)化成了數(shù)據(jù)服務(wù)器，在應(yīng)用服務(wù)器需要數(shù)據(jù)訪問操作時配合訪問數(shù)據(jù)庫。3層結(jié)構(gòu)模式將用戶邏輯和應(yīng)用邏輯分置在不同的平臺上，使得用戶可以進行分布式的數(shù)據(jù)處理。

如圖3所示，客戶端瀏覽器用戶通過Internet向服務(wù)器發(fā)送URL及GIS數(shù)據(jù)操作請求，用戶在客戶端的每個操作都將被轉(zhuǎn)化成對服務(wù)器的請求[18]；Apache接受請求后，通過PHP腳本語言，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，加載到Web地圖上，同時調(diào)用Web地圖API，對地圖數(shù)據(jù)進行處理；系統(tǒng)又通過Apache和Web服務(wù)器將操作結(jié)果(屬性與地圖信息)返回到發(fā)送請求的Web瀏覽器并顯示，從而實現(xiàn)用戶與服務(wù)器的動態(tài)交互[19]。

3 原型系統(tǒng)及實驗案例

本系統(tǒng)所采用的GPS在線實踐儀器是自主開發(fā)的、具有快速、準確定位功能的在線實踐教學(xué)儀器，其包括NXP公司的LPC1700系列的微控制器、中國無線技術(shù)有限公司設(shè)計的JRC-GPS模塊以及SIMCom有限公司提供的SIM900A模塊，該儀器可快速、優(yōu)質(zhì)的完成GPS定位信息的遠程GPRS無線傳輸以及數(shù)據(jù)傳遞等，GPS在線實踐儀器實物如圖4所示。

圖4 GPS在線實踐儀器實物圖

GPS在線實踐教學(xué)系統(tǒng)分為三大模塊：基礎(chǔ)地圖功能、查詢顯示模塊、地圖操作模塊。其中，基礎(chǔ)地圖功能主要是在百度API的支持下實現(xiàn)地圖的一些基本操作，包括地圖放大、縮小、漫游等；查詢顯示模塊主要支持用戶根據(jù)時間或分組進行查詢結(jié)果顯示；地圖操作模塊支持用戶在地圖上添加標注以及根據(jù)GPS定位點集在線生成并顯示運動軌跡路徑，并作為特征點的測量是否準確的判斷依據(jù)，系統(tǒng)功能模塊如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能模塊

以GPS平面控制測量實習(xí)為例，采用3臺GPS實踐儀器進行同步觀測，首先，將學(xué)生分配為若干個小組，每個小組配備自主研發(fā)的GPS實踐儀器1臺，3個小組配合完成GPS平面控制測量；其次，在校園空曠的地點選擇4個控制點，在前3個點安置GPS實踐儀器，測量并將GPS實踐儀器號、經(jīng)緯度、高程等數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到GPS在線教學(xué)實踐系統(tǒng)；然后，待各個同步觀測的實踐儀器均搜尋正常后，組長通過系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)記錄，同步觀測45 min，并將起止時間自動記錄于GPS在線教學(xué)實踐系統(tǒng)各小組對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中；最后，將1號點的GPS實踐儀器搬至4號點位置，進行第二時段的觀測，第二時段觀測結(jié)束后將3號點的儀器搬至1號點進行第三時段的觀測，第三時段觀測結(jié)束將2號點的儀器搬至3號點進行第三時段的觀測，以此形成GPS的平面控制網(wǎng)。學(xué)生進行測量期間，指導(dǎo)老師可通過GPS在線教學(xué)系統(tǒng)動態(tài)觀察每個小組學(xué)生具體位置及運動軌跡。GPS在線實踐教學(xué)系統(tǒng)用戶界面如圖6所示。

圖6 GPS在線實踐教學(xué)系統(tǒng)用戶界面

4 結(jié)束語

GPS定位技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù)之一，其與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用與結(jié)合研究已成為技術(shù)熱點并得到廣泛的關(guān)注，本文結(jié)合GPS實踐教學(xué)的現(xiàn)狀，通過使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)GPS定位模塊的自主開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和存儲等環(huán)節(jié)的自動化。引入GPRS無線通信技術(shù)，使得測量信息的傳輸更為方便快捷，WebGIS技術(shù)的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)的管理發(fā)布更加快速有效，適應(yīng)了新時代網(wǎng)絡(luò)化、共享化的特點。經(jīng)過嘗試與實踐，基于WSN的“GPS原理與應(yīng)用”在線實踐教學(xué)系統(tǒng)使學(xué)生拓寬了知識面并接觸到當(dāng)前的前沿技術(shù)，而且學(xué)生通過實踐加強了對GPS理論知識的鞏固，既提高了學(xué)生研究與開發(fā)GPS定位模塊的操作動手能力及創(chuàng)新能力，也培養(yǎng)了學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題和分析解決問題的能力，為畢業(yè)生未來參與社會的競爭打下扎實基礎(chǔ)。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的在線教學(xué)系統(tǒng)將在更多課程教學(xué)中得到應(yīng)用，進一步推動實踐教學(xué)的發(fā)展，提高教學(xué)質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯：張德福]

On the online teaching practice system ofGPSprinciplesandapplicationsbased on WSN

YANG Hui1,2, ZHANG Xiaolu1, SHUA Qianqian1

(1.School of Resources and Geosciences, China University of Mining, Xuzhou 221116,China;2. Key Laboratory of Coal Bed Gas Resources and Forming Process of Ministry of Education, China University of Mining, Xuzhou 221116, China)

Through in-depth analysis on the present situation of the teaching practice of GPS principle and application, in view of the weak link of the traditional GPS application and RTK application teaching practice process, combined with the current development of mobile location services, based on Wireless Sensors Networks technology, this paper develops and implements an online practice teaching system ofGPSprinciplesandapplications, to guide students of GPS positioning information to receive real-time, remote transmission, dynamic display, real-time monitoring and statistical analysis functions. The application result shows that, compared with the traditional practice teaching methods, the online practice teaching system ofGPSprinciplesandapplicationsbase on WSN has a sufficient theoretical basis and practical significance for the promotion of GPS practice teaching.

wireless sensor networks; positioning information; GPS principles and applications; online teaching system

著錄：楊慧，張小露，耍倩倩.基于WSN的“GPS原理與應(yīng)用”在線教學(xué)實踐系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].測繪工程，2017，26(7)：71-75.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.07.015

2017-01-17

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20131113)；國家自然科學(xué)基金資助項目(41301433；51678127)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

楊 慧(1983-)，女，副教授，博士.

G640

A

1006-7949(2017)07-0071-05