基于WSN的“GPS原理与应用”在线教学实践系统的设计与应用

杨 慧，张小露，耍倩倩

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏 徐州 221116)

基于WSN的“GPS原理与应用”在线教学实践系统的设计与应用

杨 慧1,2，张小露1，耍倩倩1

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏 徐州 221116)

深入分析“GPS原理与应用”教学实践现状，针对传统GPS施测及RTK应用教学实践过程的薄弱环节，结合当前移动定位服务的发展前景，基于无线传感器网络技术，开发并实现“GPS原理与应用”在线教学实践系统平台，以引导学生进行GPS定位信息的实时接收、远程传输、动态显示、实时监测及统计分析等功能。应用结果表明，相对于传统的实践教学手段，基于WSN的“GPS原理与应用”在线教学实践系统对促进GPS实践教学具有充分的理论依据和实践意义。

无线传感器网络；定位信息；GPS原理与应用；在线教学实践系统

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是美国20世纪70年代研制的一种具有全球性、全天候、实时性和连续性的卫星导航与定位系统[1-2]，其通过接收卫星发射的信号并进行数据处理，从而求定测量点的空间位置[3]。目前，随着GPS卫星技术的迅猛发展和完善，其定位技术由实时单点定位、静态相对定位发展到实时伪距差分定位(Real-time Kinematic pesudorange Difference，RTD)、实时动态定位(Real Time Kinematic，RTK)，定位精度的不断提升，极大地提高了外业测量的效率，满足了各个领域测量精度的需求[4]。GPS以其全天候、高效率、精密的三维导航与定位功能，现已广泛应用于军事、农业、工程测绘、资源勘查、车辆导航、地理信息系统等诸多领域。

因此，国内许多高等院校相继在各相关专业中开设了“GPS原理与应用”课程[5-6]，该课程是一门多学科交叉融合的综合性学科，其涉及的知识面广泛，实践性强，通过该门课程的学习，学生需在掌握GPS基础理论知识的基础上，提高自身的动手操作能力、创新能力以及主动发现、分析和解决问题的能力，因此如何使学生真正理解GPS定位的原理与方法，掌握GPS定位数据采集、传输与处理流程，不断提高GPS课程教学质量是广大教育工作者面临的一大问题。实践教学是“GPS原理与应用”课程的重要教学环节之一，目前其主要形式可概括为GPS测量控制网的施测[7]和GPS-RTK技术应用实习[8-10]两个方面。

通过分析近年来的GPS实践教学状况，发现其多采用传统的课程讲解和外业测量的方式[11]，而GPS在近些年的发展非常迅速，教材的更新速度却相对滞后，且随着移动互联网(Mobile Internet，MI)、基于位置的服务(Location Based Services，LBS)、无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)等技术的飞速发展，如何瞄准科学发展的前沿，将其引入“GPS原理与应用”课程的教学中来，是对广大教育工作者的一个挑战。

本文针对传统GPS施测及RTK应用教学实践过程的薄弱环节，结合当前移动定位服务的发展前景，基于无线传感器网络技术内涵，引导学生结合GPS定位模块、GPRS通信模块和微控制器设计GPS在线实践仪器，利用WebGIS技术设计并实现基于无线传感器网络的“GPS原理与应用”在线教学实践系统。

1 基于无线传感器网络的GPS实践应用

1.1 无线传感器网络

WSN是系统中的数据采集模块，由传感器节点、汇聚节点、网关节点和监控中心组成[12]。每个传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点协作完成任务[13]；汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，负责路由、转发、融合、存储其他节点信息；网关节点连接无线传感器网络和外部网络的通信，实现网络通信协议之间的转换，接收和汇总网络中所有节点的信息，并通过光纤、Internet或卫星链路将数据传送到监控中心；监控中心负责监测区域数据信息的综合处理，具有信息处理、决策等功能。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐条地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多条后路由到汇聚节点，最后通过卫星或互联网到达监控中心。用户通过监控中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据[14]。

1.2 系统架构

“GPS原理与应用”在线教学实践系统是由WSN，GPRS，GPS和WebGIS等技术结合设计并实现的。基于WSN的“GPS原理与应用”在线教学实践系统由传感器网络系统、GPRS网络和WebGIS在线监测系统组成，系统结构如图1所示。

图1 GPS在线实践教学系统结构

其中，无线传感器网络负责采集和处理实践区域的数据信息，通过GPRS终端连接到GPRS无线通信网络并接入Internet，将数据处理后发送到远程数据监测中心进行分析处理；在线监测中心由一台或多台可以接入Internet的计算机和相应数据通讯收发设备以及必要的输出设备组成，负责对GPS数据采集终端进行远程控制，通过发送指令实现远程实时监测和控制[15]。

实践时，首先学生利用自主开发的GPS实践仪器在实验区域(中国矿业大学南湖校区校园)内移动，实时获取校园内预先选定的实验地点的位置信息；然后通过GPRS网络将获取到的位置信息传送到数据中心服务器进行集中处理，经检查无误后有效的数据将会被保存到数据库，如时间、经纬度、高度、移动速度等；后台监控中心在与前端采集系统进行数据交互的同时，还与用户端系统进行数据交互，用户可通过手机、PDA和笔记本电脑等移动设备客户端与服务器进行交互通信，具有访问权限的指导老师可远程登录WebGIS在线监测系统界面，实时查询和控制服务器端的数据，并在百度地图上进行点的标注以及实现运动轨迹的回放。

2 GPS在线实践教学系统设计与实现

2.1 GPS在线实践仪器硬件设计

根据GPS实践教学的需求，设计开发的GPS在线实践仪器由GPS模块、微控制器模块、GPRS无线通信模块和电源管理模块组成，硬件结构如图2所示。

图2 GPS在线实践仪器硬件结构

其中，微控制器模块主要负责GPS定位系统中的运算、数据传递以及控制协调各模块之间的工作[16]。微控制器采用NXP公司的LPC1700系列，该系列芯片采用低功耗、高成本效益的Cortex-M3内核，其最高工作效率为100 MHz。同时也采用了矩阵式AHB总线，可同时运行以太网、USB等高宽带外设，而不会影响性能。除此之外，每个器件最高可搭载512 KB内存和64 KB SRAM，可满足硬件系统的要求。

GPS定位模块负责接收卫星的定位信息，将接收数据输入到微控制器模块，根据接收到的经纬度坐标值计算出实践仪器所在的具体位置。本文选用的JRC-GPS模块是由中国无线技术有限公司设计的GPS接收器模块，可为各种应用提供最好的解决方案。该模块兼容三星14B01、14B02(1613)、环天ET312(2820)、鼎天REB3310(2525)、Ublox 4X/5X等主流产品；可支持多达210PRN渠道，其中有66个搜索渠道和22个同步跟踪渠道。它支持L1波段信号集，如全球定位系统的C/A和SBAS(包括WAAS，EGNOS MASA)；支持NMEA0183 V3.01通讯协定；提供API(应用编程接口)和电子地图，可以实现自主导航的解决方案，以及GPS导航解决方案，以取得快速TIFF和准确的导航性能，能够很好的满足GPS实践教学对定位模块的性能要求。

GPRS通讯模块主要负责微控制器与GPS 模块的数据传输，实时接收并过滤所有GPS发来的数据，最后保留有用的数据，如时间、经纬度、高度、速度等[17]。GPRS无线模块采用SIMCOM有限公司提供的SIM900A模块。该模块不仅支持通常用于PPP连接的PAP协议，还内嵌了TCP/TP协议，允许一个TCP/UDP传输机制以最小的前期配置和操作来被使用，可以直接用AT命令对其进行控制，使用起来非常方便。GPRS模块主要包括数据处理模块、通信模块、模数转换模块和显示模块四部分。首先GPS模块获取到数据信息后，协调器通过串口将汇聚的数据经由GPRS通信模块，按照TCP/IP协议转发到Internet上，然后由服务器端读取数据并存储至数据库中，可在需要时进行分析处理。

2.2 WebGIS在线监测系统实现

GPS在线实践教学系统的主要目的在于实时在线处理并显示汇集到数据中心的学生实践过程中获取的位置信息，并将实践结果和真实经纬度坐标进行比对，确定各实践数据的采集时间和经纬坐标位置所代表的具体点，以对学生的实践结果做出判断，从而实现GPS在线实践教学的学习与管理。WebGIS在线监测系统以中国矿业大学南湖校区校园的基础地理空间数据为依据，系统采用B/S 3层架构，分为表现层、应用层及数据层3个逻辑层次，系统结构如图3所示。

图3 WebGIS在线监测系统结构

表现层是系统与用户交互的接口，主要负责WebGIS数据功能的表现，进行GIS的查询分析，并将结果可视化输出，一般为通用的浏览器软件，如IE，Firefox等；应用层需要为表现层提供地理信息服务并进行相应分析。这些服务由GIS服务器进行管理，所提供的地理信息服务包括空间数据服务、空间功能服务以及空间元数据服务3种。数据层则要提供地理信息数据的存储、分析、管理等，数据库也转化成了数据服务器，在应用服务器需要数据访问操作时配合访问数据库。3层结构模式将用户逻辑和应用逻辑分置在不同的平台上，使得用户可以进行分布式的数据处理。

如图3所示，客户端浏览器用户通过Internet向服务器发送URL及GIS数据操作请求，用户在客户端的每个操作都将被转化成对服务器的请求[18]；Apache接受请求后，通过PHP脚本语言，调用数据库中的数据，加载到Web地图上，同时调用Web地图API，对地图数据进行处理；系统又通过Apache和Web服务器将操作结果(属性与地图信息)返回到发送请求的Web浏览器并显示，从而实现用户与服务器的动态交互[19]。

3 原型系统及实验案例

本系统所采用的GPS在线实践仪器是自主开发的、具有快速、准确定位功能的在线实践教学仪器，其包括NXP公司的LPC1700系列的微控制器、中国无线技术有限公司设计的JRC-GPS模块以及SIMCom有限公司提供的SIM900A模块，该仪器可快速、优质的完成GPS定位信息的远程GPRS无线传输以及数据传递等，GPS在线实践仪器实物如图4所示。

图4 GPS在线实践仪器实物图

GPS在线实践教学系统分为三大模块：基础地图功能、查询显示模块、地图操作模块。其中，基础地图功能主要是在百度API的支持下实现地图的一些基本操作，包括地图放大、缩小、漫游等；查询显示模块主要支持用户根据时间或分组进行查询结果显示；地图操作模块支持用户在地图上添加标注以及根据GPS定位点集在线生成并显示运动轨迹路径，并作为特征点的测量是否准确的判断依据，系统功能模块如图5所示。

图5 系统功能模块

以GPS平面控制测量实习为例，采用3台GPS实践仪器进行同步观测，首先，将学生分配为若干个小组，每个小组配备自主研发的GPS实践仪器1台，3个小组配合完成GPS平面控制测量；其次，在校园空旷的地点选择4个控制点，在前3个点安置GPS实践仪器，测量并将GPS实践仪器号、经纬度、高程等数据通过GPRS网络上传到GPS在线教学实践系统；然后，待各个同步观测的实践仪器均搜寻正常后，组长通过系统设置数据记录，同步观测45 min，并将起止时间自动记录于GPS在线教学实践系统各小组对应的数据库中；最后，将1号点的GPS实践仪器搬至4号点位置，进行第二时段的观测，第二时段观测结束后将3号点的仪器搬至1号点进行第三时段的观测，第三时段观测结束将2号点的仪器搬至3号点进行第三时段的观测，以此形成GPS的平面控制网。学生进行测量期间，指导老师可通过GPS在线教学系统动态观察每个小组学生具体位置及运动轨迹。GPS在线实践教学系统用户界面如图6所示。

图6 GPS在线实践教学系统用户界面

4 结束语

GPS定位技术是目前应用最为广泛的定位技术之一，其与无线传感器网络技术的应用与结合研究已成为技术热点并得到广泛的关注，本文结合GPS实践教学的现状，通过使用无线传感器网络技术，实现GPS定位模块的自主开发，实现数据的采集、处理、传输和存储等环节的自动化。引入GPRS无线通信技术，使得测量信息的传输更为方便快捷，WebGIS技术的应用使得数据的管理发布更加快速有效，适应了新时代网络化、共享化的特点。经过尝试与实践，基于WSN的“GPS原理与应用”在线实践教学系统使学生拓宽了知识面并接触到当前的前沿技术，而且学生通过实践加强了对GPS理论知识的巩固，既提高了学生研究与开发GPS定位模块的操作动手能力及创新能力，也培养了学生主动发现问题和分析解决问题的能力，为毕业生未来参与社会的竞争打下扎实基础。此外，随着技术的发展，基于无线传感器网络的在线教学系统将在更多课程教学中得到应用，进一步推动实践教学的发展，提高教学质量。

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[责任编辑：张德福]

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

著录：杨慧，张小露，耍倩倩.基于WSN的“GPS原理与应用”在线教学实践系统的设计与应用[J].测绘工程，2017，26(7)：71-75.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.07.015

2017-01-17

江苏省自然科学基金资助项目(BK20131113)；国家自然科学基金资助项目(41301433；51678127)；江苏高校优势学科建设工程资助项目

杨 慧(1983-)，女，副教授，博士.

G640

A

1006-7949(2017)07-0071-05