穆聰 火久元 王俊銘 牟林 劉夢 張晶

摘 要：針對“學(xué)生創(chuàng)新課題開放實(shí)驗(yàn)”教學(xué)需要，開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了由靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺、動態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺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)測實(shí)驗(yàn)平臺。平臺將北斗定位、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、軟件開發(fā)和3D建模打印等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行融合，對培養(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作用。利用該實(shí)驗(yàn)平臺的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生深度了解北斗定位在地質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用，與此同時掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，軟件開發(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;嵌入式系統(tǒng);3D建模打印;地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測;

中圖分類號：X830.2

“學(xué)生創(chuàng)新課題開放實(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。通過參與多種形式的創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)，能夠使廣大學(xué)生有更多的機(jī)會動手實(shí)踐，幫助他們親身感受，理解知識的產(chǎn)生和發(fā)展過程^[1]。采用實(shí)際的工程案例實(shí)驗(yàn)平臺可以很好的解決實(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 ，簡稱DBS）是我國自行研制的，具有完全知識產(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)和社會效益^[3]。但高校在DBS教學(xué)中仍以理論教學(xué)為主，無法滿足實(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。本文提出的基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺是一臺依托DBS進(jìn)行學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、軟件開發(fā)和3D建模打印的理想實(shí)驗(yàn)平臺。利用此實(shí)驗(yàn)平臺可以構(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)測試等。該實(shí)驗(yàn)平臺通過緊跟北斗技術(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)科理論知識解決實(shí)際工程問題的能力^[5]。

1 實(shí)驗(yàn)平臺功能與總體架構(gòu)

基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺由靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺和動態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺兩部分組成。。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺采用BDS的載波相位差分技術(shù)^[6]實(shí)現(xiàn)高精度北斗定位。硬件采用的是樹莓派3B+^[7]作為主處理控制器，通過嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)滿足雨滴傳感器、土壤傳感器、溫濕度傳感器、傾斜傳感器、震動傳感器、加速度、陀螺儀、壓力機(jī)等各類傳感器的接入。各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過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。在軟件端依靠上位機(jī)Web、微信小程序以及App等對監(jiān)測區(qū)域的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控。

動態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺作為靜態(tài)平臺的補(bǔ)充衍生實(shí)驗(yàn)平臺，主要服務(wù)針對靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺發(fā)生客觀意外無法工作時，動態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺可前往故障點(diǎn)代替靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺繼續(xù)收集并上傳數(shù)據(jù)。因此主要開發(fā)制作了多功能滑坡災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測小車。小車以履帶式結(jié)構(gòu)搭載北斗定位模塊和SLAM模塊。通過激光雷達(dá)SLAM模塊的轉(zhuǎn)動可對周圍環(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)了小車在陌生環(huán)境中的自主定位導(dǎo)航。小車同樣搭載多種傳感器，可對指定區(qū)域的關(guān)鍵地質(zhì)災(zāi)害信息進(jìn)行檢測，同時搭載的車載攝像頭可實(shí)時采集影像數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)時圖像會發(fā)送給云服務(wù)器。用戶可以通過手機(jī)App控制小車實(shí)時建圖、規(guī)劃小車巡檢路徑、實(shí)時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

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

為了方便實(shí)驗(yàn)，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(yùn)行內(nèi)存1GB，計(jì)算能力相當(dāng)可觀，可以用來處理較為復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)^[7]。實(shí)驗(yàn)過程中，首要要求學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和樹莓派3B+的各項(xiàng)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(shè)計(jì)，完成電路焊接與測試實(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莓派3B+連接實(shí)驗(yàn)。北斗模塊選擇waveshare的?L76X GPS HAT。最后對整體電路進(jìn)行測試，當(dāng)樹莓派3B+監(jiān)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(lán)牙模塊將采集到的定位信息發(fā)送給學(xué)生。通過此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以加深嵌入式系統(tǒng)理論知識，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)平臺硬件端3D建模打印實(shí)驗(yàn)

由于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺硬件保護(hù)殼利用傳統(tǒng)方式難以制造，本實(shí)驗(yàn)利用3D建模打印完成對外殼部分零配件的設(shè)計(jì)與制作。通過本實(shí)驗(yàn)，首先讓學(xué)生對靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺整體以及結(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)開始階段，首先專業(yè)教師對3D建模打印的概念、發(fā)展過程、應(yīng)用領(lǐng)域、主流3D打印技術(shù)和常見的3D打印材料等知識進(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)平臺進(jìn)行建模;最后學(xué)生可以自主使用Cura切片軟件對模型進(jìn)行切片，對軟件中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，最終完成模型打印。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生一方面對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)新課題開放實(shí)驗(yàn)”中使用3D建模打印的熱情。

2.3動態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺小車的設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)驗(yàn)

動態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺需要用到STM32小車^[9]、SLAM自動巡航系統(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)程控制小車并方便攝像頭將視頻信息傳回手機(jī)。SLAM自動巡航系統(tǒng)、激光雷達(dá)和ROS系統(tǒng)采用Python開發(fā)，本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生熟悉Python編程語言，讀懂SLAM和ROS程序代碼，并學(xué)會根據(jù)不同監(jiān)測區(qū)域調(diào)試程序。從而進(jìn)一步提高樹莓派、SLAM、ROS軟件設(shè)計(jì)能力和動態(tài)監(jiān)測平臺調(diào)試能力。

2.4 監(jiān)測軟件開發(fā)實(shí)驗(yàn)

監(jiān)測軟件是實(shí)現(xiàn)基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的重要組成部分，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，微信小程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)多種人機(jī)交互功能。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)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(shí)驗(yàn)。為了使學(xué)生更容易理解和學(xué)習(xí)相對容易，利用Echarts.js^[14]實(shí)現(xiàn)Web端實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的可視化分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。與此同時，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)控等功能開發(fā)實(shí)驗(yàn)工作。

3 實(shí)驗(yàn)平臺功能測試

實(shí)驗(yàn)平臺整體樣機(jī)如圖5所示。為了驗(yàn)證“基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測實(shí)驗(yàn)平臺”實(shí)驗(yàn)效果，我們開展了實(shí)驗(yàn)平臺的測試工作。將靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺和動態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺放置于野外環(huán)境中，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測試、遠(yuǎn)程監(jiān)控測試。圖11和圖12分別是在Web端和手機(jī)App端測試結(jié)果：從圖11中可以看出靜態(tài)平臺和動態(tài)平臺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端測試結(jié)果和視頻圖像。

4 結(jié)語

本文針對“學(xué)生創(chuàng)新課程開放實(shí)驗(yàn)”教學(xué)需要開發(fā)了基于北斗的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測實(shí)驗(yàn)平臺，填補(bǔ)了北斗導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白。依靠該平臺設(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)與軟件開發(fā)、3D建模打印等技術(shù)要點(diǎn)。目前該實(shí)驗(yàn)平臺已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對培養(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）

作者簡介：穆聰（1990—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)闊o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.