高校物聯網定位技術實驗課程設計

張樂飛

【摘要】物聯網定位技術是高校物聯網專業中的新課程之一，具有重要的理論與應用價值。目前，物聯網定位技術的相關課程內容設置主要包括GPS定位、無線通訊定位、傳感網定位等。然而，隨著新型傳感器技術和計算機技術的發展，相關的實驗課程所采用的技術相對滯后，不利于學生對物聯網定位技術的全面理解和應用。本文以作者在高校中實際教學經驗為例，介紹了幾例典型的聯網定位技術實驗課程設計方案及其對應的理論知識內容。

【關鍵詞】物聯網 定位 傳感網 WiFi

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

導論

物聯網技術是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業浪潮[1]，近年來國內主流高校的計算機和軟件學院都開設了物聯網專業，其中物聯網定位技術是高校物聯網專業中的新課程之一[2]。相關的學習內容包括傳統的GPS定位技術，以及互聯網和物聯網時代的基于無線通信和傳感網的定位方法等。由于該課程目前還處于新設立的階段，國內的相關教材目前僅有《無線定位系統》和《無線傳感器網絡實用教程》等少數參考書目，其中對于實驗課程設計的內容較少，不能滿足學生對物聯網定位技術的全面理解和應用。實際上，隨著近年來新型傳感器技術和計算機技術的發展，尤其是智能手機的迅猛發展，學生可以利用課程中學習到的理論知識，結合智能手機中自帶的攝像頭、GPS信號接收器、WiFi、藍牙等功能，實現若干中小場景范圍的物聯網定位技術實驗設計[3]。

本文作者近三年在高校中擔任物聯網定位技術的課程負責人，在實驗課程設計中，將學生分為3人一組，自由探索與本課程理論知識相關的實驗設計選題，課程教師團隊予以跟蹤指導，并鼓勵學生對相關選題在課程結束后繼續研究，參與互聯網+大賽等競賽項目。通過分析學生在本課程設計中的選題和完成情況，本文介紹幾例典型的聯網定位技術實驗課程設計方案，并分析實驗課程的教學效果。

自組織網絡相對定位

自組織定位是一種相對定位技術，能夠在無預先布設設備、不依賴外源信號環境中，多個結點自動組織成網，利用相互間的對稱測量，相互進行參數修正，以實現精確的相對定位，該技術可以應用于災難搜救（如火災、地震）等非常規任務。

該系統的構成包括兩個部分：主機端和客戶端。其中主機端使用個人便攜式電腦，發送WiFi信號，并實時顯示已上線的客戶端數量。根據無線通訊定位的信號強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信號強度與距離之間的經驗公式，需要通過一定數量的預訓練確定經驗公式中的若干參數。客戶端為4塊成本較低的ESP8266模塊，可以實現互相之間的距離測量以及與主機端的數據傳輸。

在測量數據獲取以后，采用傳感網定位中的無錨節點定位算法，實現客戶端之間的相對定位，并將實時位置顯示在主機端。經現場演示，在50平米的教室范圍內，定位精度可達1米以內。然而，此系統的缺點是客戶端在不加任何節能算法時，耗費能源很快；此外，在復雜環境中的信號反射和衍射等現象會干擾定位精度。

手機WiFi室內定位

手機WiFi室內定位成本較低，可以廣泛的應用于大型商場、超市定位或考勤系統等。具體可以分為兩個部分。其中移動設備感知到無線AP發送的信號后，記錄接收到各個AP的信號強度值。向服務器發送定位請求，并將記錄的信號強度以固定格式發送給服務端。服務器將接收到客戶發送的信號強度與指紋數據庫中的數據進行匹配，估計出客戶端位置。

實現上述定位系統的關鍵在于如何根據觀測RSSI信號強度進行定位。與前一例應用不同的是，在本實驗設計中，同學們選擇了傳感網定位中基于位置指紋的定位方式，因此首先需要建立RSSI樣本數據資料庫，包括以下步驟：（1）在三維空間中選取很多個的參考點。每個參考點可以測到至少三個AP站點的信號，確保位置的唯一性。（2）每一個AP站點的信號以每個參考點的中心值為準，測量多組數據值求平均。信號范圍取值（0，10000]，其中0表示沒有測到信號，不計入數據庫。鑒于常見寫字樓的房間構造較為復雜，有很多的墻壁、障礙物和拐角，WiFi的強度會在傳播中減弱并且受到干擾，因此數據庫中的樣本參考點選擇必須較為全面。

在具體定位過程中，對每個掃描到的AP的RSSI值，設定一個選擇區間，在指紋庫中查找滿足此區間范圍的位置點，若有n個位置點落在此區間范圍，則這些位置點分別取權值為1/n，其他的位置點則取權值為0。對所有AP做如上處理后，選出權值最大的位置點為估計位置。如有多個位置點權值一樣，則比較信號強度距離，取最小者。

戶外停車系統設計

本系統基于無線通信、傳感器技術、微信二次開發等技術，可以實現戶外停車位的自動管理、預定、收費等功能，具有很大的實用價值。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，對獲取數據采用防脈沖干擾移動平均值法數字濾波算法，限制傳感器的最大量程，去除少數嚴重影響檢測結果的數據，單次檢測結果與歷史結合，提高了傳感器測量結果的可靠性。此外，還提出并實現了一種車位占用檢測算法。

第二部分，對于服務器通信系統，提供了服務器-客戶端-開發板的一體化開發框架，客戶端可向服務器請求預約編號，服務器查詢數據庫并返回確定是否接受預約信息。同時，開發板將車位實際情況傳輸給服務器，服務器將非法專用車位情況傳給開發板。

第三部分，對于用戶客戶端，采用微信二次開發的方式，調用手機定位功能和百度地圖功能，獲取實時位置查看附近可用車位。可通過微信客戶端實現預約和確認，一旦點擊確認，則自動開始計費同時步進電機帶動橫桿旋轉90度開放車位。

該系統實現了手機和實驗室的模擬演示，并在相關學科競賽中獲獎。

結語

物聯網定位技術是物聯網專業中新興且重要的專業課程。目前，由于相關技術發展較快，現有的實驗課程內容無法與新的硬件和算法相適應。本文作者根據教學和實驗的經驗，總結了幾例典型的高校物聯網定位技術實驗課程設計，從中可以看出，絕大多數應用都已經脫離了GPS定位等經典技術，而是采用了基于智能手機、新型傳感器等普適性強、低成本、容易二次開發的硬件實現，并取得了良好的實驗效果[4]。其中比較優秀的課程設計經過持續研究完善，在計算機學科的主流學科競賽中展示并獲獎，充分體現了物聯網定位技術課程的理論知識水平和實用價值。

參考文獻：

[1]沈蘇彬，林闖.專題前言：物聯網研究的機遇與挑戰[J]. 軟件學報，2014，25（08）：1621-1624.

[2]胡永利，孫艷豐，尹寶才.物聯網信息感知與交互技術[J].計算機學報，2012，35（06）：1147-1163.

[3]劉媛媛，李建宇.定位技術在物聯網領域的應用發展分析[J].信息通信技術，2013，7（05）：41-46.

[4]張娟，陳春梅，路錦正，李強.基于室內定位的物聯網實驗平臺開發[J].教育教學論壇，2016，（12）：251-252.