穆聰 火久元 王俊銘 牟林 劉夢 張晶

摘 要：針對“學生創(chuàng)新課題開放實驗”教學需要，開發(fā)并實現(xiàn)了由靜態(tài)實驗平臺、動態(tài)實驗平臺和軟件端三大部分構(gòu)成的基于北斗的地質(zhì)災害監(jiān)測實驗平臺。平臺將北斗定位、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、軟件開發(fā)和3D建模打印等多項技術(shù)進行融合，對培養(yǎng)學生軟硬件系統(tǒng)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(zhì)監(jiān)測中的應用，與此同時掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，軟件開發(fā)和3D建模打印等多項技術(shù)。

關(guān)鍵詞：北斗定位;實驗平臺;嵌入式系統(tǒng);3D建模打印;地質(zhì)災害監(jiān)測;

中圖分類號：X830.2

“學生創(chuàng)新課題開放實驗”是高等學校培養(yǎng)創(chuàng)新人才、實現(xiàn)素質(zhì)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(chuàng)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(chǎn)生和發(fā)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(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的難題。

北斗衛(wèi)星導航系統(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)星導航系統(tǒng)。隨著第三代北斗導航系統(tǒng)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(shù)已逐漸被應用于各種工程領(lǐng)域^[2]。其中包括測繪。電信、水利、漁業(yè)、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著的經(jīng)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(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)實驗平臺是一臺依托DBS進行學習嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、軟件開發(fā)和3D建模打印的理想實驗平臺。利用此實驗平臺可以構(gòu)建完整的DBS實踐項目，包括理論學習、軟硬件設計與調(diào)試、模型建立、系統(tǒng)測試等。該實驗平臺通過緊跟北斗技術(shù)發(fā)展，以提高學生的實踐能力、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力為出發(fā)點，充分激發(fā)學生學習興趣^[4]，有利于培養(yǎng)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(gòu)

基于北斗的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)實驗平臺由靜態(tài)實驗平臺和動態(tài)實驗平臺兩部分組成。。靜態(tài)實驗平臺采用BDS的載波相位差分技術(shù)^[6]實現(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器，在云服務器將數(shù)據(jù)融合處理，根據(jù)專業(yè)教師實驗需要搭配機器學習算法實現(xiàn)預警監(jiān)測。在軟件端依靠上位機Web、微信小程序以及App等對監(jiān)測區(qū)域的遠程可視化監(jiān)控。

動態(tài)實驗平臺作為靜態(tài)平臺的補充衍生實驗平臺，主要服務針對靜態(tài)實驗平臺發(fā)生客觀意外無法工作時，動態(tài)實驗平臺可前往故障點代替靜態(tài)實驗平臺繼續(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害預警監(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，從而實現(xiàn)了小車在陌生環(huán)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(qū)域的關(guān)鍵地質(zhì)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(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)和實時圖像會發(fā)送給云服務器。用戶可以通過手機App控制小車實時建圖、規(guī)劃小車巡檢路徑、實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 實驗項目開發(fā)

2.1靜態(tài)實驗平臺嵌入式系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)開發(fā)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(jiān)測到傳感器信號時，蜂鳴器和LED報警。同時利用樹莓派3B+自帶藍牙模塊將采集到的定位信息發(fā)送給學生。通過此實驗，學生可以加深嵌入式系統(tǒng)理論知識，提高獨立分析并完成嵌入式系統(tǒng)工程案例設計能力。

2.2靜態(tài)實驗平臺硬件端3D建模打印實驗

由于靜態(tài)實驗平臺硬件保護殼利用傳統(tǒng)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(tài)實驗平臺整體以及結(jié)構(gòu)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(shù)能力。在實驗開始階段，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(tài)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(shù)進行調(diào)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(shù)有了全面的了解，另一方面激發(fā)了學生在“學生創(chuàng)新課題開放實驗”中使用3D建模打印的熱情。

2.3動態(tài)實驗平臺小車的設計與調(diào)試實驗

動態(tài)實驗平臺需要用到STM32小車^[9]、SLAM自動巡航系統(tǒng)、激光雷達和機器人操作系統(tǒng)ROS（Robot Operating System，ROS）^[10]。采用STM32小車可以方便學生安裝調(diào)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(tǒng)、激光雷達和ROS系統(tǒng)采用Python開發(fā)，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(jù)不同監(jiān)測區(qū)域調(diào)試程序。從而進一步提高樹莓派、SLAM、ROS軟件設計能力和動態(tài)監(jiān)測平臺調(diào)試能力。

2.4 監(jiān)測軟件開發(fā)實驗

監(jiān)測軟件是實現(xiàn)基于北斗的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)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(fā)，實現(xiàn)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(xiàn)Web端實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的可視化分析實驗數(shù)據(jù)。與此同時，要求學生利用手機App完成數(shù)據(jù)可視化、遠程監(jiān)控等功能開發(fā)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(zhì)災害監(jiān)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(tài)實驗平臺和動態(tài)實驗平臺放置于野外環(huán)境中，分別進行數(shù)據(jù)采集測試、遠程監(jiān)控測試。圖11和圖12分別是在Web端和手機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App端測試結(jié)果和視頻圖像。

4 結(jié)語

本文針對“學生創(chuàng)新課程開放實驗”教學需要開發(fā)了基于北斗的地質(zhì)災害監(jiān)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(xiàn)了北斗導航、嵌入式系統(tǒng)與軟件開發(fā)、3D建模打印等技術(shù)要點。目前該實驗平臺已經(jīng)應用于實驗教學，對培養(yǎng)學生軟硬件系統(tǒng)集成能力、實際工程創(chuàng)新實踐能力有重要的推動作用。

參考文獻：

[1]?鄭春龍，邵紅艷，鐘振余，丁愛俠.創(chuàng)新性開放實驗項目建設的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2009，26（10）：15-17+20.

[2]?李家春，宋宗昌，侯少梁，王利婷，范小力.北斗高精度定位技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測中的應用[J].中國地質(zhì)災害與防治學報，2020，31（01）：70-74+78.

[3]?莊新慶，鄒緒平，劉衛(wèi)，應士君.現(xiàn)代北斗衛(wèi)星船舶導航實驗室建設和運行[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：465-468.

[4] 譚筠梅，李玉龍，王履程.基于Proteus的單片機虛擬仿真實驗案例設計[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（05）：122-125.

[5]?李敏，唐維偉，劉俊，郭宗偉.獨輪機器人實驗平臺[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（08）：119-124.

[6]?尹瀟，柴洪洲，向明志，蘇明曉.歷元間載波相位差分的GPS/BDS精密單點測速算法[J].中國慣性技術(shù)學報，2020，28（02）：226-230.

[7] 陳鵬，陳智利，李龐躍，牛恒，周泉.樹莓派3B+導盲系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].西安工業(yè)大學學報，2020，40（03）：305-309.

[8] 張晶，王陽萍，王文潤.高校3D打印創(chuàng)新實驗設計與研究[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2018（01）：173-174.

[9] 張錚，張江寧，薛竹村，黃浩策，薛利榮.循跡避障滅火功能智能小車設計[J].實驗室研究與探索，2016，35（11）：141-145+205.

[10] 柯耀.基于ROS的開源移動機器人平臺設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2020，20（09）：11-13+16.

[11] 龍丹，劉勝會，張國文，宋宇.基于TPP的《HTML5+CSS3跨平臺軟件開發(fā)技術(shù)》實踐教學改革研究[J].計算機產(chǎn)品與流通，2020（11）：54.

[12] 郭光園.幾個出色的JavaScript庫[J].計算機與網(wǎng)絡，2020，46（12）：37.

[13] 張世嬌，靳毅軒，杜清河，張翠翠，張鵬輝.基于嵌入式Android系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)采集、傳輸綜合實驗設計實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（09）：208-211.

[14] 遇炳昕，任光輝，吳金棟，曹正標.基于ECharts的高校實驗室使用效益評估系統(tǒng)設計[J].實驗技術(shù)與管理，2020，37（05）：241-247.

基金項目：1.2020年甘肅省高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革項目-創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育試點改革專業(yè)“計算機科學與技術(shù)”

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(wǎng)絡和嵌入式系統(tǒng).

火久元（1978—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為智聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與應用.