基于北斗的地質災害監測實驗平臺

穆聰 火久元 王俊銘 牟林 劉夢 張晶

摘 要：針對“學生創新課題開放實驗”教學需要，開發并實現了由靜態實驗平臺、動態實驗平臺和軟件端三大部分構成的基于北斗的地質災害監測實驗平臺。平臺將北斗定位、嵌入式系統開發、軟件開發和3D建模打印等多項技術進行融合，對培養學生軟硬件系統集成和實際工程實踐能力有重要的推動作用。利用該實驗平臺的學習，可以幫助學生深度了解北斗定位在地質監測中的應用，與此同時掌握嵌入式系統開發，軟件開發和3D建模打印等多項技術。

關鍵詞：北斗定位;實驗平臺;嵌入式系統;3D建模打印;地質災害監測;

中圖分類號：X830.2

“學生創新課題開放實驗”是高等學校培養創新人才、實現素質教育目標的客觀要求和有效途徑之一。通過參與多種形式的創新開放實驗，能夠使廣大學生有更多的機會動手實踐，幫助他們親身感受，理解知識的產生和發展過程^[1]。采用實際的工程案例實驗平臺可以很好的解決實驗課程中如何培養學生實踐創新能力的難題。

北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite ，簡稱DBS）是我國自行研制的，具有完全知識產權的全球衛星導航系統。隨著第三代北斗導航系統的建設完成，北斗定位精度不斷提高，目前北斗高精度定位技術已逐漸被應用于各種工程領域^[2]。其中包括測繪。電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等領域，產生顯著的經濟和社會效益^[3]。但高校在DBS教學中仍以理論教學為主，無法滿足實驗教學的需要。因此急需一套基于DBS的可應用化軟硬件實驗平臺。本文提出的基于北斗的地質災害監測系統實驗平臺是一臺依托DBS進行學習嵌入式系統開發、軟件開發和3D建模打印的理想實驗平臺。利用此實驗平臺可以構建完整的DBS實踐項目，包括理論學習、軟硬件設計與調試、模型建立、系統測試等。該實驗平臺通過緊跟北斗技術發展，以提高學生的實踐能力、培養學生創新能力為出發點，充分激發學生學習興趣^[4]，有利于培養學生綜合應用多學科理論知識解決實際工程問題的能力^[5]。

1 實驗平臺功能與總體架構

基于北斗的地質災害監測系統實驗平臺由靜態實驗平臺和動態實驗平臺兩部分組成。。靜態實驗平臺采用BDS的載波相位差分技術^[6]實現高精度北斗定位。硬件采用的是樹莓派3B+^[7]作為主處理控制器，通過嵌入式系統的開發滿足雨滴傳感器、土壤傳感器、溫濕度傳感器、傾斜傳感器、震動傳感器、加速度、陀螺儀、壓力機等各類傳感器的接入。各類傳感器采集到的數據通過NB-LOT/IPV6組合通信上傳到云服務器，在云服務器將數據融合處理，根據專業教師實驗需要搭配機器學習算法實現預警監測。在軟件端依靠上位機Web、微信小程序以及App等對監測區域的遠程可視化監控。

動態實驗平臺作為靜態平臺的補充衍生實驗平臺，主要服務針對靜態實驗平臺發生客觀意外無法工作時，動態實驗平臺可前往故障點代替靜態實驗平臺繼續收集并上傳數據。因此主要開發制作了多功能滑坡災害預警監測小車。小車以履帶式結構搭載北斗定位模塊和SLAM模塊。通過激光雷達SLAM模塊的轉動可對周圍環境掃描后獲取到水平方向空間障礙物輪廓的截線，從而實現了小車在陌生環境中的自主定位導航。小車同樣搭載多種傳感器，可對指定區域的關鍵地質災害信息進行檢測，同時搭載的車載攝像頭可實時采集影像數據。監測數據和實時圖像會發送給云服務器。用戶可以通過手機App控制小車實時建圖、規劃小車巡檢路徑、實時查看監測數據。

2 實驗項目開發

2.1靜態實驗平臺嵌入式系統設計與測試實驗

為了方便實驗，本文采用的樹莓派3B+為一塊只有卡片大小的64位四核ARM處理器，主頻為1.4GHz，運行內存1GB，計算能力相當可觀，可以用來處理較為復雜的計算任務^[7]。實驗過程中，首要要求學生掌握嵌入式系統開發和樹莓派3B+的各項功能。利用電路仿真軟件完成樹莓派與各類傳感器的連接設計，完成電路焊接與測試實驗。再完成上述實驗后，參考傳感器連接設計圖完成北斗定位模塊與樹莓派3B+連接實驗。北斗模塊選擇waveshare的?L76X GPS HAT。最后對整體電路進行測試，當樹莓派3B+監測到傳感器信號時，蜂鳴器和LED報警。同時利用樹莓派3B+自帶藍牙模塊將采集到的定位信息發送給學生。通過此實驗，學生可以加深嵌入式系統理論知識，提高獨立分析并完成嵌入式系統工程案例設計能力。

2.2靜態實驗平臺硬件端3D建模打印實驗

由于靜態實驗平臺硬件保護殼利用傳統方式難以制造，本實驗利用3D建模打印完成對外殼部分零配件的設計與制作。通過本實驗，首先讓學生對靜態實驗平臺整體以及結構有了更深度的了解，其次鍛煉學生在后期項目中使用3D打印技術能力。在實驗開始階段，首先專業教師對3D建模打印的概念、發展過程、應用領域、主流3D打印技術和常見的3D打印材料等知識進行講解^[8];其次在課后指導學生熟練掌握3Dsmax、123D等多種建模軟件，仿照靜態實驗平臺進行建模;最后學生可以自主使用Cura切片軟件對模型進行切片，對軟件中的各項參數進行調試，最終完成模型打印。通過該實驗，學生一方面對3D打印技術有了全面的了解，另一方面激發了學生在“學生創新課題開放實驗”中使用3D建模打印的熱情。

2.3動態實驗平臺小車的設計與調試實驗

動態實驗平臺需要用到STM32小車^[9]、SLAM自動巡航系統、激光雷達和機器人操作系統ROS（Robot Operating System，ROS）^[10]。采用STM32小車可以方便學生安裝調試傳感器，除此之外手機App遠程控制小車并方便攝像頭將視頻信息傳回手機。SLAM自動巡航系統、激光雷達和ROS系統采用Python開發，本實驗要求學生熟悉Python編程語言，讀懂SLAM和ROS程序代碼，并學會根據不同監測區域調試程序。從而進一步提高樹莓派、SLAM、ROS軟件設計能力和動態監測平臺調試能力。

2.4 監測軟件開發實驗

監測軟件是實現基于北斗的地質災害監測系統實驗平臺的重要組成部分，本實驗部分要求學生使用HTML，CSS^[11]，Java script^[12]，Android^[13]等軟件，完成上位機Web，手機App，微信小程序的開發，實現多種人機交互功能。實驗過程中學生只需要通過瀏覽器訪問指定域名輸入用戶名和密碼即可開始實驗。為了使學生更容易理解和學習相對容易，利用Echarts.js^[14]實現Web端實現對數據的可視化分析實驗數據。與此同時，要求學生利用手機App完成數據可視化、遠程監控等功能開發實驗工作。

3 實驗平臺功能測試

實驗平臺整體樣機如圖5所示。為了驗證“基于北斗的地質災害監測實驗平臺”實驗效果，我們開展了實驗平臺的測試工作。將靜態實驗平臺和動態實驗平臺放置于野外環境中，分別進行數據采集測試、遠程監控測試。圖11和圖12分別是在Web端和手機App端測試結果：從圖11中可以看出靜態平臺和動態平臺均能夠良好采集地質數據，圖12、13中可以清晰的看到Web端、手機App端測試結果和視頻圖像。

4 結語

本文針對“學生創新課程開放實驗”教學需要開發了基于北斗的地質災害監測實驗平臺，填補了北斗導航實驗教學的空白。依靠該平臺設計的實驗部分充分體現了北斗導航、嵌入式系統與軟件開發、3D建模打印等技術要點。目前該實驗平臺已經應用于實驗教學，對培養學生軟硬件系統集成能力、實際工程創新實踐能力有重要的推動作用。

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基金項目：1.2020年甘肅省高校創新創業教育改革項目-創新創業教育試點改革專業“計算機科學與技術”

2.蘭州交通大學實驗教學改革研究項目（2020013）

作者簡介：穆聰（1990—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為無線傳感器網絡和嵌入式系統.

火久元（1978—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為智聯物聯網技術研究與應用.