基于北斗系统的物联网室内检测研究
2018-04-09胡庆松王鹏姜波
胡庆松,王鹏,姜波
(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)
0 引 言
物联网(The Internet of Things)的出现是继互联网之后,信息技术的又一重大革命。它使传统网络从人与人的联系扩展到物与物、物与人的联系,这将大大提高了社会信息化水平,并且已经成为我国七大战略性新兴产业之一。其中,室内检测在物联网范畴内属于发展相对成熟的一项技术。北斗卫星导航系统(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)简称北斗系统(BeiDou System)是我国自主研发的全球定位导航系统,具有本土优势,以其优异的热性而得到广泛使用。
全球卫星导航定位技术、物联网等新一轮的信息技术迅速发展和不断深入应用,为我国城市运行和管理进入“智慧化”模式提供了坚实的技术保障,奠定了坚实的科技基础,向更高阶段的智慧化发展已成为我国全面智能化发展的必然选择[1-3]。在日趋成熟的理论基础支撑下,北斗系统将更好地服务于物联网室内检测,革新检测机制,用本土研发的技术来发展具有中国特色的物联网室内检测技术。在物联网室内检测技术中,传感器检测所得室内参数需要准确并实时地通过网络传输出去。北斗系统准确的数据传输和授时功能可以更好地促进物联网室内检测技术的发展。
1 概述
1.1 物联网室内检测技术
物联网系统是指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[4]。
物联网室内检测技术是物联网在室内检测领域内一项重大应用,其基本组成可分为三个层次,主要是感知层、网络层和应用层。感知层主要用到的是各种室内环境参数的传感器,用于检测室内环境的变化,提取室内环境参数。网络层主要使用无线传感器网络、蜂窝移动通信网络、Zigbee以及其他无线传输网络,用于对室内环境检测所得数据的传输和处理。应用层是室内检测的反馈层,接收网络层所传输来的室内环境数据,对反馈装置进行适当的反馈控制,如灯光、窗帘以及空调等。物联网室内检测系统架构如图1所示。
1.2 北斗系统
全球导航卫星系统可以为用户提供精确、连续的三维位置和速度信息,并具有授时功能。北斗卫星导航系统(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)是我国自行研究的,具有独立自主知识产权的卫星导航系统。并且与美国的全球定位系统(GPS)、欧洲的伽利略系统(GALILEO)、俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)齐名,并称全球四大定位导航系统[5-7]。
北斗系统由三部分组成,分别分为地面段、空间段和用户段。地面段主要包含主控站、注入站和监测站,空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗系统工作原理如图2所示。
北斗系统的三大优点:1)快速定位。北斗系统可为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务,其定位精度堪比美国GPS民用的定位精度。一般情况下的水平定位精度为100 m,在设立标校站之后的定位精度可缩小至20 m. 2) 精密授时。北斗系统以其独特的定位特性,可将授时精度降低至20 ns. 3) 短报文通信。北斗系统用户终端具有双向报文通信功能,一次可传送多达120个汉字的信息。
2 北斗系统在物联网室内检测中的应用
2.1 革新物联网室内检测网络层
传统的物联网室内检测的网络层主要是使用无线传感器网络、蜂窝移动通讯网络等,受到节点体积、装置价格和能源供应等很多因素的限制,其通信距离被限定在了某一规模不大的特定区域内。若这一检测区域距离需要反馈控制的装置较远,那么传感器所采集到的室内环境原始数据极大可能就失去了价值。同时,随着数据采集量的逐渐增大,室内检测单纯的依靠无线传感网或者GSM网络来完成大规模数据的采集和传输就显得多少有些底气不足[8-10]。相比传统物联网室内检测的网络层,北斗系统最大的优势在于可以覆盖全球,地面基站将采集到的数据信息发射给卫星,由卫星转发给数千公里之外的用户终端。
1) 保证数据传输的可靠性。现今,物联网室内检测所需要覆盖的节点越来越多,并且多数节点是以一种集群的方式存在,所有节点检测所得数据基数之和越来越庞大,使用无线网络传输,难免会造成网络拥堵,数据发送和接受的延迟。而北斗系统通讯设备在外太空,传输功率大,能够更好更有效地将积压的数据传输出去,保证了数据传输的可靠性。
2) 保证数据传输的实时性。室内检测最重要的两个关键点,一个是检测数据的准确性,还有一个是传输数据的实时性。保证监测数据的准确性才能保证检测装置的可靠性,取决于负责检测室内环境的传感器。而保证数据传输的实时性才能保证反馈装置的有效性,这将取决于传输数据的网络。北斗系统以其独特定位和导航特性,可将授时精度降低至 20 ns. 相比于传统室内检测的网络层,在检测数据不多的情况下,基本上没多大差别。但是,一旦节点增多,所需传输数据量庞大,北斗系统将能更好更快把数据传输给应用层,更有效地执行所需要的反馈行为。
3) 优化室内检测系统的经济性。对于一般小型的室内检测,定点式布置节点,检测代表性点的室内环境数据,并将检测所得数据处理以及传输,传统的物联网室内检测系统使用无线传感器网络或是蜂窝移动数据网络,完全可以保证检测系统的准确运行。但是,如果所要检测的是大型室内空间或者不连续的室内空间,就需要布置数据接收中间站,才能将所有检测所得数据整合传输并处理。这样,浪费的不仅是布置中间站的时间和精力,更是使得整个系统不具备方便使用的经济型和后期的系统拓展能力。然而,北斗系统,作为一个远在外太空的数据传输网络,根本无需考虑这些,便捷了整个物联网检测系统,同时也使得整个系统变得更具有经济型。
2.2 变更物联网室内检测应用层
物联网室内检测技术中的应用层是响应所检测室内环境参数的反馈设备,如空调、灯光、遮阳板等。在传统物联网室内检测中,应用层主要是通过接收网络层所发送的处理之后的室内环境参数,进而完成相应的反馈行为以求达到室内环境舒适的目的。需要经过的过程主要是检测数据,传输数据,处理数据和执行反馈。节点增多,传输处理的数据增多,应用层设备所要判断执行的反馈行为增多。随着节点越多越多,应用层设备终将因反馈延迟而失效。
北斗系统虽起步较晚,但在日趋成熟的理论基础上,北斗终端装置亦可独当一面。变更传统物联网室内检测的应用层为北斗系统终端装置,一切问题便可迎刃而解。变更应用层之后的物联网室内环境检测系统架构如图3所示。
2.3 拓展物联网室内检测方式
物联网室内检测在物联网技术发展领域虽然已趋于成熟,但是检测的方式总是局限于定点检测和局部性检测。
1) 实现移动式检测。对于确定的室内环境,布置几个代表性的检测点,进而完成对该室内环境的检测。然而现今,室内环境千变万化,选取特定一个室内环境搭建检测系统,很难再运用于其他场所,不具备普遍性。所以,需要打破传统的物联网室内检测方式的局限性,转变定点式检测为移动式检测。以轨道作为传感检测的移动平台,使用北斗系统作为移动式检测数据传输的网络层,再辅以变更为北斗终端装置的应用层。不受室内环境的影响,可自由拆装于需要检测的室内环境,避免了重新搭建检测系统平台的麻烦,使检测系统的使用具有一种普遍性。同时,移动式检测平台相比于定点式检测,可以检测某一空间水平梯度或者垂直梯度的连续环境参数,使得检测数据更具有试验和分析价值。
2) 实现检测系统的无限扩大。由于传统物联网检测技术受到网络层的限制,数据传输的距离以及数据传输的速度,整个检测系统的规模总是被局限在一个小范围内。现今,北斗系统技术使用日益成熟,可将整个室内检测系统无限扩大,不受数据传输距离和速度的影响,真正实现物联网室内检测的全球化。
3 结束语
北斗系统的研制成功体现了我国的综合国力和科技水平又达到了一个新的高度,与此同时北斗也必定是未来全球导航定位系统的主力军。北斗系统在室内检测中的应用,推进了我国物联网产业的进一步发展,进一步保障了室内检测的准确性。同时北斗终端装置创新地使用于检测系统的反馈层,也进一步保障了应用层反馈设备的执行性。北斗系统,为人们提供一个更加舒适的室内环境。2020年,北斗系统完成全球覆盖的伟大计划,将为构建全球化的物联网检测系统提供重要的技术支撑。
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