HBE－Ubi－nanoLOC实验教学装置二次开发

何 鹏，万晓青，周 琼，董 亮

（齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

物联网作为新兴产业，其技术涉及多个学科，因此通过实践教学将这些跨学科知识进行融会贯通尤为重要［1－2］。目前物联网实践教学体系的主要手段有层次化实验教学模式和分层实验设计等体系结构。经分析发现，部分学生不能很好地将分层的各学科实验相结合，在培养学生的综合能力方面针对性不强。

本实验室引进了韩国韩伯电子公司生产的HBEUbi－nanoLOC实验箱，实现了底层硬件系统的搭建，但HBE－Ubi－nanoLOC实验箱无法与上位机和数据库进行连接，限制了综合性实验项目的研究。基于上述不足，对HBE－Ubi－nanoLOC实验箱进行了二次开发，目的是提高综合实验装置的使用价值和实验教学效果，开发出具有设计性、创新性和综合性的实验项目［3］。将该实验箱中的节点模块通过串口与上位机进行连接，使用Visual Basic软件与上位机一起合作，进行操作和仿真，然后将Visual Basic软件与数据库相连接，将串口读入的内容进行汇集存储，并保存到数据库中。该装置具有以下优点：

（1）所设计的装置综合了Tinyos操作系统、Visual Basic软件、HBE－Ubi－nanoLOC工具箱和PC机等，达到软硬件相结合的目的，使学生全面掌握所学知识，增强学生掌握专业知识的综合能力；

（2）学生不仅能在底层学习掌握硬件操作系统，也可以与上位机一起合作，用Visual Basic软件做界面，实时捕捉仿真后的结果，学生可根据自身能力从简单编程开始，逐步复杂化，该装置适用于高校各年级各级别的学生；

（3）在此实验装置上学生可以开展与专业课相关的实验，进行编程与仿真，也可开展各种电子竞赛和创新创业项目等的研究，该装置能有效地激发学生学习的热情，增强他们的实践能力，使学生意识到所学知识的应用领域。

1 实验装置的构成

实验装置架构流程如图1所示。

图1 装置架构流程图

实验装置（见图2）包括：高清CCD摄像机，HBEUbi－nanoLOC工具箱，PC机，Visual Basic软件，以及TinyOS操作系统。

图2 实验装置

1.1 系统硬件

系统硬件包括PC机和韩国（株）韩伯公司制作的HBE－Ubi－nanoLOC工具箱。使用工具箱中的各个模块进行通信定位，该工具箱中的无线传感器网络网关内置了LAN、WLAN、Bluetooth等模块且使用nesC语言进行编程，以表达TinyOS的执行模型和结构化概念，RF输出10dBm，可提供最长300m通信距离。该产品适用于多个应用领域，尤其适用于近距离通信、财产保护和网络构建等。

图3 HBE－Ubi－nanoLOC工具箱

1.2 系统软件

系统软件分为两部分：TinyOS操作系统和PC机端控制程序。其中TinyOS是一种无线传感器网络操作系统，由加州大学伯克利分校开发。基于TinyOS的编译程序体积非常小。在考虑无线传感器网络节点的一般特征下设计了此操作系统，它支持有效地利用有限的存储空间和模拟输入设备。TinyOS是首个专门针对无线传感器网络特点和需求而设计的操作系统，目前应用较为广泛［4－5］。nesC是一种新的编程语言，是对C语言的扩展，它把组件化、模块化思想和基于事件驱动的执行模型结合了起来，以表达TinyOS的执行模型和结构化概念［6－7］。

PC机端控制程序由Visual basic编写，它是面向对象的编程工具，是Windows平台上一个强大的开发工具，它提供的是真正的面向对象的可视化编程方法，代码维护非常方便［8－9］。该软件主要功能包括：通过USB端口连接 HBE－Ubi－nanoLOC工具箱中传输数据的节点模块，数据通过MSComm控件被采集到Visual Basic界面中。将Visual Basic软件与数据库相连接，将采集到的数据保存到数据库中，根据所采集的数据在该装置界面中绘制移动节点的大致运动轨迹。

1.3 应用程序总体框架

在TinyOS系统中，每个应用程序通常由顶层配件、核心处理模块和其他组件组成。每个应用程序有且仅有一个顶层配件，而模块负责实现具体的逻辑功能［10］。应用程序的功能决定了所要包含的组件，组件间通过接口进行连接，上层组件调用下层组件的命令，下层组件向上触发事件。运用编程语言nesC编制了HBE－Ubi－nanoLOC节点模块的代码语言，将该代码语言烧录到HBE－Ubi－nanoLOC仪器中的各个节点模块中，通过Visual Basic软件中的MSComm控件采集数据并保存到数据库中。实验结果表明，该装置操作简便、便于理解，适合高校各年级学生使用。应用程序总体框架见图4所示。

图4 应用程序总体框架图

1.4 UBI－nanoLOC的位置测量

为了测量一个移动节点的位置，至少需要3个节点在固定位置。使用三角研究方法，该方法基于3个固定节点（A、B和C）和一个移动节点，顶点之间的距离可以被计算出来。以3个固定节点为圆心，以固定节点至移动节点M之间的距离分别为R1、R2和R3为半径作圆，如图5所示。

图5 移动节点M的准确位置

设A点位置为（xA，yA），B点位置为（xB，yB），C点位置为（xc，yc），移动点M位置为（x，y），则有：

通过计算上述公式，获取M点的（x，y）的值。

通过使用上述所描述的三角研究方法测量移动节点和固定节点之间的距离，完成相关测试。

2 实验装置的部分功能——数据接收

根据软件系统的构成和界面设计原则，对软件界面进行粗略构思，以软件系统的各个功能为模块，考虑到软件的实用性，采用单窗体方式［11－13］。对于串口而言，其发送与接收可以通过MSComm控件实现。将HBE－Ubi－nanoLOC仪器中已烧录程序的节点模块与PC机相连接，点击打开串口，数据以‘HEX’方式输入，MSComm控件的inputlen属性设为0，即每次从输入缓冲区读入全部内容，显示值对应字符的二进制编码。设计效果如图6所示。

图6 接收数据界面

分析从串口读入的数据，发现接收到的数据之间有很强的线性相关性，根据所接收数据建立线性回归方程。通过所建立的方程大致可描绘出移动节点的运动轨迹，如图7所示。

图7 移动节点活动轨迹

3 结束语

本装置综合了多门课程的实验，实现软硬件相结合。在该装置中学生可以使用Visual Basic语言进行编程和仿真。学生不仅可以自行设计与专业课相关的实验，开展课程设计及创新创业项目等研究，还可制作各种网页及游戏。这样提高了学生学习的热情，增强了学生掌握专业知识的综合能力，在学习上达到举一反三的成效。今后将不断地完善该教学装置，期望不仅使用 Visual Basic软件，也可以使用 VC、Lab－VIEW、Java等软件对 HBE－Ubi－nanoLOC工具箱进行二次开发。该装置的开发为今后工作奠定了坚实的基础。该装置不仅可以用于高校进行实践教学，也可以用于与通信有关的领域。

（References）

［1］王春枝，宗欣露.面向物联网的创新性层次化分级实验教学体系研究［J］.教育教学论坛，2012（14）：246－247.

［2］钱红燕，陈兵，燕雪峰.物联网教学实践体系研究［J］.计算机教育，2011（23）：21－24.

［3］杜刚，邓明，魏文博.如何更好地利用电类综合实验装置［J］.实验技术与管理，2005，22（3）：46－48.

［4］刘信新，邵明凯.无线传感器网络操作系统TinyOS的研究［J］.计算机与数字工程，2007，35（7）：66－68.

［5］刘营，于宏毅.基于TinyOS的无线传感器网络应用程序开发技术［J］.传感器与微系统，2007，26（3）：93－96.

［6］段海龙，杨丽，任淑艳，等.无线传感器网络操作系统TinyOS的研究与实例开发［J］.科技通报，2012，28（4）：200－202.

［7］刘明，陶正苏.基于TinyOS的CC2430RSSI定位的设计与实现［J］.电子设计工程，2012，20（4）：155－157.

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