5高校物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓室建設方案

1、物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓室建設方案鄭州聯(lián)睿電子科技有限公司2017年1月1 背景與意義1.1 無線定位實驗室建設的必要性位置服務攸關國家安全、經(jīng)濟發(fā)展和社會民生，在新一代信息技術這一戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中，具有舉足輕重和不可或缺的地位，在物聯(lián)網(wǎng)、智慧地球、節(jié)能減排、救災減災等領域發(fā)揮著重要的基礎性支撐作用。近年來，隨著智能手機和移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，人們對室內(nèi)外高精度定位導航的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢。發(fā)展位置信息服務產(chǎn)業(yè)對于擴內(nèi)需、穩(wěn)增長具有重大意義，也是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。在當今信息時代，其基礎性和先導性的作用十分明顯，正在深刻改變著人們的生產(chǎn)生活方式，孕育著新的經(jīng)濟增長點。隨著現(xiàn)代信息社

2、會快速發(fā)展，行業(yè)和社會公眾對創(chuàng)新性和綜合性的時空信息服務需求日益強烈，融合移動通信、互聯(lián)網(wǎng)技術的位置服務應用，將有力推動位置信息應用產(chǎn)業(yè)結構升級，釋放出更加廣闊的市場空間。2012年12月27日，我國宣布北斗導航系統(tǒng)正式提供區(qū)域定位導航服務，定位精度為10米，成為第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。但是由于起步晚，北斗系統(tǒng)面臨市場占有率低、信號覆蓋有限等方面的問題。在國家科技計劃的支持下，室內(nèi)外定位導航技術得到了極大的發(fā)展，不僅大幅度提升了我國定位領域的科技水平，還推動了位置信息服務行業(yè)的發(fā)展，滿足了人們對于全時空高精度定位導航服務的需求。2015年5月6日，863計劃地球觀測與導航技術領域“城

3、市室內(nèi)外高精度定位導航關鍵技術與服務示范”主題項目下設全部三個課題，順利通過了科技部組織的技術驗收。該課題融合地面基站系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，將北斗導航服務從室外拓展到室內(nèi)環(huán)境，滿足了人們對于全時空高質(zhì)量位置信息服務的需求?；谡n題研究成果的星地融合廣域高精度位置服務關鍵技術獲得2014年度國家科學技術進步獎二等獎。上海市、合肥市、湖南衡陽市政府作為合作城市，百度、京東、中電四創(chuàng)、中興通訊、長虹集團、中電24所等單位作為合作單位都已經(jīng)與北郵簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議。這些應用與科研成果轉化，提升了我國在國際室內(nèi)定位領域的科技實力，對推動社會經(jīng)濟發(fā)展有重大意義。隨著國家的大力推廣和市場的強烈需求，各行業(yè)

4、部門、地方省市提出建設或更新原有定位系統(tǒng)以形成廣域室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)；我國各大企業(yè)紛紛支持室內(nèi)外一體化定位系統(tǒng)的建設和應用推廣，中國電信、中國聯(lián)通開展了定位及服務的示范；華為、長虹、合眾思壯等企業(yè)開始研究將北斗信號接入手機應用中，并已取得了良好進展，基于位置的服務市場更是快速發(fā)展，例如導航信息提供商高德軟件公司2012年已擁有超過1億手機用戶，年增長速度超過100%；“尋鹿”、“翼周邊”等多個位置服務應用平臺發(fā)展十分迅速。高精度的信號催生了位置服務的更多應用開發(fā)，餐飲、電影、旅游、游戲等領域發(fā)展迅速，應用方式和規(guī)?？焖俪砷L，極大拓展了室內(nèi)外導航定位的市場空間，并提供了更多的就業(yè)機會。隨著位置服

5、務與消費應用的結合，將徹底打通定位信號、位置信息、個人消費這個鏈條，使虛擬世界與現(xiàn)實世界得到更好的鏈接。1.2 高校現(xiàn)狀1995年國防科技大學衛(wèi)星導航研發(fā)中心成立，隸屬國防科技大學電子科學與工程學院，專業(yè)從事我國自主衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的研究，是我國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)導航技術方向專家組長單位，是教育部自主衛(wèi)星導航定位技術工程研究中心。2001年，國防科技大學專門成立了衛(wèi)星導航研發(fā)中心科研實體，專業(yè)從事導航科研與裝備生產(chǎn)。在導航信號體制設計、系統(tǒng)運控技術、系統(tǒng)安全與抗干擾、高精度測量技術、系統(tǒng)仿真與測試技術、天線與射頻、導航專用集成電路等方面具有深厚的技術積累，承擔了我國自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設的多項重

6、大科研任務，是導航載荷、信號體制、地面控制系統(tǒng)、應用系統(tǒng)等方面的預先研究和型號研制主承單位，突破了以北斗一號全數(shù)字快捕與接收、北斗二號關鍵體制、星上抗干擾、高精度測量、系統(tǒng)級零值測量等為代表的多項關鍵技術，為我國自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設和產(chǎn)業(yè)化做出了重大貢獻。1998年1月建立的武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心，以衛(wèi)星定位導航及相關領域的基礎理論研究、新技術的推廣應用及“高精尖”人才培養(yǎng)為主，目標瞄準我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用與自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設的需求，充分利用武漢大學在衛(wèi)星導航相關學科建設、人才培養(yǎng)、對外交流及基礎和應用研究等方面的優(yōu)勢，研究與跟蹤國際衛(wèi)星導航系統(tǒng)、終端及應用服務等方面的前沿關鍵技

7、術;形成了發(fā)展我國自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的新技術、新方法和新應用的探索、實驗與開發(fā)的基地;促進衛(wèi)星導航技術與應用的高等教育，培養(yǎng)高素質(zhì)衛(wèi)星導航專業(yè)技術人才，建成了具有世界一流水平的衛(wèi)星導航定位技術的研發(fā)與創(chuàng)新平臺。北京郵電大學通信、導航與微/納系統(tǒng)實驗室是由鄧中亮教授所領導的科研團隊經(jīng)過多年努力，逐步發(fā)展壯大而形成。近年來，實驗室在高精度室內(nèi)定位、衛(wèi)星導航、WSN/WLAN/RFID、RF MEMS、多媒體與圖像處理、智能通信等方向上進行了一系列深入的研究，為國民經(jīng)濟與國防建設做出了重要貢獻。實驗室每年承擔國家項目、企業(yè)合作項目等各類課題十余項，目前正承擔包括國家863項目與國防預研基金項目在內(nèi)的多

8、個項目。2011年，依托該實驗室，成立了育部衛(wèi)星導航聯(lián)合研究中心-衛(wèi)星導航信號體制與通信分中心。2006年由上海市科委批準建設的上海市空間導航與定位技術重點實驗室成立，該實驗室利用上海天文臺現(xiàn)有天文觀測設備、相關技術和研究基礎，緊密結合我臺目前正在承擔的探月與深空探測VLBI測軌工作，和導航定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與激光測距系統(tǒng)工作，面向國內(nèi)相關領域的研究力量，在空間飛行器精密定軌關鍵技術研究及其應用方面提供支持，同時也對利用中國VLBI網(wǎng)（CVN）開展VLBI相關領域的觀測研究工作提供支持。2006年北京航空航天大學通信導航與測試實驗室成立，主要研究方向為導航定位與自動測試技術，具體包括：衛(wèi)星導

9、航技術、組合導航技術、電子設備自動測試與仿真、電子系統(tǒng)的健康管理技術。實驗室主要承擔了衛(wèi)星導航原理、衛(wèi)星導航接收機、組合導航技術、自動測試技術、電子測量技術等本科生、研究生和留學生的課程。實驗室成立以來，共承擔自然科學基金5項，國家863項目4項，武器裝備預研基金8項，總裝預研5項，空裝預研2項，國防科工局預研課題3項，國防科工局重大基礎研究1項，其它橫向課題50余項。2008年中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室成立，該實驗室以高精度時間傳遞和信號傳播研究為基礎，重點開展危險導航授時及其他輔助導航授時和定時技術的研究工作。2008年10月，衛(wèi)星定位技術與應用重點實驗室成立，其依托于東南

10、大學3S技術研發(fā)中心，主要開展3S技術研究與理論集成、國土資源信息化技術研究、GNSS定位設備研制。2010年8月由河南省科技廳批準的由鄭州輕工業(yè)學院作為實施單位的河南省“超寬帶無線通信技術”院士工作站成立，該院士工作站以電子科技集團22所電波傳播專家、鄭州輕工業(yè)學院“雙聘”院士張明高為帶頭人，主要研究與超寬帶無線通信技術、信息處理、導航定位為主的相關技術，院士工作站科研團隊由17人組成，其中院士1人、教授2人、副教授9人、客座教授1人（聯(lián)睿電子科技有限公司總經(jīng)理）、講師4人組成（其中博士學位12人）。目前，研究方向主要包括超寬帶天線設計研究、超寬帶信號傳播信道預測及電磁兼容問題研究、超寬帶實

11、時定位收發(fā)系統(tǒng)信號處理技術研究、無線傳感器網(wǎng)絡技術研究等。自院士工作站成立以來，在省科技廳和學校領導的支持以及團隊成員的努力下，深入開展院士合作，發(fā)揮院士及其團隊的作用，開展科研創(chuàng)新活動，加強科技成果轉化，利用院士工作站的優(yōu)勢，加強和院士的交流咨詢工作，促進了科研快速發(fā)展，培養(yǎng)了一批高素質(zhì)人才，促進了學校產(chǎn)、學、研的有機結合，提高了學?？萍紕?chuàng)新能力，建站3年來，取得了一系列高水平的科研成果。同時，隨著人員結構的增加及調(diào)整，進一步凝練了學科方向，形成了多個有特色的研究方向。2015年，解放軍信息工程大學、廣州城市職業(yè)學院、河南工業(yè)大學分別建立超寬帶定位實驗室，依托于聯(lián)睿電子研發(fā)的U-Loc厘米級

12、實時定位系統(tǒng)進行研發(fā)和實訓。2 物聯(lián)網(wǎng)實訓室建設2.1 實驗室需求現(xiàn)狀隨著社會科技化進程的加快，社會對于基于位置信息的產(chǎn)品和服務的需求越來越高，隨之對于技術的要求越來越高，而我國定位相關技術與國際先進國家的技術水平還有一定差距，相關技術還有很大的提升空間，而相關技術的人才缺口問題也逐步凸顯。因此，建立基于位置信息的物聯(lián)網(wǎng)實訓室勢在必行，其不僅能夠為國家、社會培養(yǎng)相關技術人才，還能解決大學生普遍實踐能力弱的現(xiàn)狀，提高就業(yè)率和就業(yè)水平，并能激發(fā)新的創(chuàng)新課題，增強科研力量，提高高校整體科研水平和競爭力，縮短與國際先進技術水平之間的差距，加快我國科技化進程。2.2 實驗室建設目標從學生就業(yè)發(fā)展出發(fā)，實

13、驗室應該著重提高學生的動手能力，以探索性、設計性實驗及工程訓練為主，突出學生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)，對應的培養(yǎng)模式應是“寬口徑、厚基礎、重實踐、求創(chuàng)新”；從科學研究出發(fā)，實驗室應以“高領先、高完善、高潛力”為主；從學校發(fā)展出發(fā)，應考慮實驗室的行業(yè)先進性、影響力、發(fā)展?jié)摿涂臻g以及對學生培養(yǎng)的有利性。因此，基于室內(nèi)外位置數(shù)據(jù)的實時視頻分析與處理實驗室的建設目標應該是：1滿足課程規(guī)劃的教學需求；2滿足行業(yè)應用的實訓需求；3滿足科研創(chuàng)新的環(huán)境需求。這些目標可體現(xiàn)在實驗室建設的具體需求中：1、實現(xiàn)教學的可視化，直觀化，儀器化，云計算化?；谑覂?nèi)外定位的分析、開發(fā)和研究涉及復雜的有線和無線通訊環(huán)節(jié)，離

14、不開對各種信號波形的分析，測量觀察，也離不開對各種通訊協(xié)議的分析和觀察，依靠先進的設備儀器，可實現(xiàn)教學的可視化，直觀化，儀器化，是降低知識點教學門檻和提高教學質(zhì)量的關鍵，也是國外高校實施電子信息，嵌入式，互聯(lián)網(wǎng)教學的主要手段。2、實驗實踐環(huán)境多樣化，滿足課程規(guī)劃的教學需求。讓參與學習的學生能夠一邊學習理論知識，一邊認識了解和掌握實驗設備的結構、功能和使用方法，通過一系列的驗證型、演示型、自主設計型、綜合型和創(chuàng)新型實驗，使學生掌握先進的實驗技能，強化對所學知識的理解，以培養(yǎng)學生的動手能力、工程實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作精神。3、體現(xiàn)實際應用案例，滿足行業(yè)應用的實訓需求實驗室應有多樣化的實訓平臺

15、，這些實訓平臺應和實際場景或實際產(chǎn)品應該非常接近，能夠體現(xiàn)生產(chǎn)生活中各方面的真實應用案例，為學生提供具有真實應用場景的實訓系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上綜合運用各個課程的知識點，實現(xiàn)所學知識的綜合運用、融會貫通的目的，培養(yǎng)具有項目設計能力高科技人才。4、體現(xiàn)最新技術體系，滿足科研創(chuàng)新需求實驗室應綜合體現(xiàn)最新技術點，滿足專業(yè)教師學習和從事數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)等技術研究和應用系統(tǒng)開發(fā)的需要。實驗室應涵蓋目前主流的定位測量技術和設備，具有良好的可擴展性，具有一定的前瞻性。要求系統(tǒng)能夠模擬先進的應用環(huán)境，實驗設備和實驗內(nèi)容應能非常靈活地進行擴展，從而為專業(yè)教師研究當前網(wǎng)絡最前沿的技術動態(tài)和發(fā)展提供完善的實驗平臺，并能在

16、此平臺之上從事定位技術、物聯(lián)網(wǎng)等應用系統(tǒng)的研發(fā)，提高學校整體科研與教學應用水平。2.3 實訓室建設原則實驗室承擔著一個院系甚至多個院系的學生培養(yǎng)工作，作為教師項目科研基地，其設計原則的正確性和先進性是至關重要的。本實驗室建設遵循以下建設原則：1、全面性實驗室所裝備的教學實驗設備、建立的課程體系需要具有全面性，覆蓋從數(shù)據(jù)采集、場地測量、定位設備布設方案設計、定位數(shù)據(jù)和泛在信號的采集和分析到位置數(shù)據(jù)分析及開發(fā)研究和視頻圖像、語音等信號的分析研究等一系列實際訓練和創(chuàng)新研究，進行多學科、多專業(yè)知識點的綜合運用，以求融會貫通，應用學科可覆蓋電子信息、通信工程、計算機軟件、控制工程、建筑工程、測量測繪、網(wǎng)

17、絡工程等眾多專業(yè)。2、教學改革由于社會對工程技術人才的迫切需求，培養(yǎng)具有工程實踐能力的學生，具有項目設計能力的高科技人才成了高等院校最重要的任務。因此在實驗室的教學形式上需要有所變革，應以項目式教學為主線，側重于培養(yǎng)學生的工程技術、創(chuàng)新思維和項目經(jīng)驗。3、軟硬兼容和先進性實時視頻分析與處理實驗室應綜合體現(xiàn)現(xiàn)代科技最新技術點，滿足專業(yè)教師學習和從事通信、信號處理、軟件開發(fā)等技術研究和應用系統(tǒng)開發(fā)的需要，不僅僅要滿足偏軟件方面學科的需要，也要滿足嵌入式，高頻微波，電工電子，工業(yè)控制等多種偏硬件學科需要。2.4 物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓室建設方案物聯(lián)網(wǎng)是通過各種傳感設備，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交

18、換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡，可廣泛應用于各行各業(yè)，如把各種傳感器嵌入或裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，形成物聯(lián)網(wǎng)，通過無線信息的收發(fā)，便于通訊和監(jiān)管。物聯(lián)網(wǎng)是國家決定大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。從“智慧地球”到“感知中國”，物聯(lián)網(wǎng)備受國際關注。隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，社會各行各業(yè)對應用的需求越來越明顯和迫切，作為國家科學技術發(fā)展主要力量的高等高校，建設物聯(lián)網(wǎng)實驗室并開展針對性的教學與科研，培養(yǎng)專業(yè)技術人才，有利于學校的學科發(fā)展和教學科研領域的提升。2.4.1 實驗室建設方案1) 實驗室架構物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓室的架

19、構如圖3.1所示：圖3.1 物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓室架構物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓系統(tǒng)集成了位置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及多種組網(wǎng)模式，可實現(xiàn)多種物聯(lián)網(wǎng)構架，面向各大高校及大專院校的專業(yè)教學、創(chuàng)新和競賽，提供了完備的實踐平臺，便于學生熟悉和掌握物聯(lián)網(wǎng)的構成及實際應用開發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓平臺是在對超寬帶定位、無線數(shù)據(jù)傳輸深入研究的基礎上開發(fā)的、為了配合專科生、本科生、研究生的課程學習和應用實訓而開發(fā)的教學實驗的基礎平臺，也可用作研究機構了解掌握超寬帶定位工作原理及其應用的培訓設備。2) 實驗室特點：ü 層次性：包含位置感應層、網(wǎng)絡傳輸層、應用開發(fā)層等多個層次，學生可以從通信網(wǎng)絡系統(tǒng)、位置感應系統(tǒng)的層次上

20、認識通信系統(tǒng)和定位信息感應技術，擴展學生的認識思路。ü 系統(tǒng)性：提供精準的位置信息處理平臺，有助于學生理解系統(tǒng)的組成及各組成部分在系統(tǒng)中的作用。ü 綜合性：集成了通信原理、移動通信、數(shù)字信號處理、通信網(wǎng)絡與交換、電磁場與電磁波、超寬帶無線通信等多門課程理論知識與技術，非常利于學生對專業(yè)知識綜合認識及應用能力的提高。ü 先進性：實驗內(nèi)容包含了當今測繪、通信專業(yè)一些最先進的理論，學生可以在較短的時間內(nèi)掌握當今測繪、通信技術的最新發(fā)展動態(tài)，適應新技術發(fā)展的要求。ü 實用性：該系統(tǒng)是對位置感知信息獲取非常直觀的再現(xiàn)，促使學生全面而深層次理解感應信息的理論知識內(nèi)容

21、，為以后從事定位、物聯(lián)網(wǎng)應用等相關工作，提高就業(yè)競爭力打下堅實的基礎。ü 開放與開發(fā)性：該實驗系統(tǒng)提供了一些開放的接口平臺，高水平的本科生、研究生及相關專業(yè)教師可以按照自己的想法進行程序設計。3) 實驗室適用范圍：a.適合物聯(lián)網(wǎng)、軟件工程、通信、電子、信息、自動控制等專業(yè)的?？粕?、本科生、研究生基礎教學實驗及教學；b. ?？粕⒈究粕?、研究生應用開發(fā)；c. 畢業(yè)設計，碩士生、教師課題研究。4) 實驗室介紹物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓室的建設流程為：底層地圖+定位系統(tǒng)+GIS應用開發(fā)=行業(yè)應用解決方案圖3.2 實驗室架構流程i. 底層地圖的建立三維地圖建模a) 室內(nèi)（小范圍）場景建模 三維激光掃

22、描與建模三維矢量地圖模型（具有三維地圖坐標信息） 全站儀室內(nèi)測圖被測區(qū)域坐標信息（無地圖坐標信息，需將地圖坐標信息嵌入三維模型） 傾斜攝影與建模三維模型（利用無人機拍攝室外實景圖片制作三維模型，需結合RTK等測量手段嵌入地圖坐標信息）b) 室外場景建模 CORS + RTK地圖測量 全站儀地形測量地圖測量 無人機正射影像+CORS + RTK相控測量正射影像圖（平面地圖） 無人機傾斜攝影測量與建模+ CORS + RTK相控測量三維矢量模型（具有三維地圖坐標信息）ii. 實時定位系統(tǒng) UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)結合地圖系統(tǒng)可實時定位基站覆蓋區(qū)域內(nèi)目標的精準位置 GNSS室外定位系統(tǒng)結合地圖系統(tǒng)可實時定

23、位室外區(qū)域目標的位置 GNSS室外高精度定位系統(tǒng)（CORS + RTK）結合地圖系統(tǒng)可實時定位室外區(qū)域目標的精準位置 UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)+ GNSS室外定位系統(tǒng)結合地圖系統(tǒng)實時定位室內(nèi)外目標的位置 UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)+ GNSS室外高精度定位系統(tǒng)結合地圖系統(tǒng)實時定位室內(nèi)外目標的精準位置iii. GIS應用開發(fā)（部分拓展應用枚舉） 地圖導航目標精準位置的實時定位，目標位置的線路規(guī)劃和導航等 物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓學習；大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析；基于位置數(shù)據(jù)的應用軟件的開發(fā)等 智能控制機器人定位跟蹤和路線規(guī)劃指引；叉車實時定位控制等 聯(lián)動管理基于位置信息聯(lián)動控制的智能家居；基于位置信息的視頻監(jiān)控、暖通、照明子

24、系統(tǒng)的聯(lián)動等 技術研究定位技術的學習改進；多種定位算法的研究；多技術融合等。2.4.2 實驗室應用拓展物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)實訓室建設可為學生、教師、高校帶來以下應用拓展:a) 對于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學生或教師來說，物聯(lián)網(wǎng)實驗室正是緊密結合本專業(yè)教學與科研的核心實驗室，能比較全面的滿足學生或教師在學習和研究物聯(lián)網(wǎng)技術方面的需求。b) 對于開設物聯(lián)網(wǎng)技術這一課程的學校以及選修此課程的學生來說，物聯(lián)網(wǎng)實驗室可比較全面的展示物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，使學生和老師可以掌握物聯(lián)網(wǎng)基礎理論和技術以及應用方法，提高學?？蒲袑嵱査胶蛯W生就業(yè)率，進而提高學校整體影響力。c) 對于其他相關專業(yè)的學生或教師來說，如計算機軟硬件、通信、自動化、物流管理等專業(yè)的學生或教師，可以通過物聯(lián)網(wǎng)實驗室進一步深入掌握物聯(lián)網(wǎng)技術在本專業(yè)的應用，為將來就