北斗定位技术在河道采砂监管系统中的应用_向志军.pdf
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1、北斗定位技术在河道采砂监管系统中的应用向志军摘 要:针对河道采砂供需矛盾日益增大、采砂管理难度大的问题,应用北斗全球定位技术和单片机技术,实现对采砂船只的跟踪定位,提高了采砂管理的效率。本设计以单片机为控制系统,以ATK-S1216F8北斗GPS双模定位模块为位置传感器,实现采沙船定位日期、时间位置信息的获取,主要包括单片机与定位模块的硬件接口电路设计、NMEA-0813协议中GNRMC语句的解析程序设计。经过实践检测,系统应用效果良好,运行稳定。(湖南水利水电职业技术学院,湖南 长沙 410100)关键词:全球定位系统;北斗定位;河道采砂;单片机中图分类号:P228.4;TV85 文献标识码
2、:A 文章编号:1008-6009(2022)11-0024-052.1 北斗模块的外部连接引脚ATK-S1216F8定位模块体积小巧仅25mm27mm,通过5个引脚与外部相连接,引脚间间距采用标准的2.54mm,5个引脚分别为:VCC(电源)、GND(地)、TXD(发送端)、RXD(接收端)、PPS(时钟端),具体功能描述如表1所示。另外,为了提高灵敏度和适用随着国家基本建设的迅猛发展,河道砂石资源的供需矛盾日益增大,在利益的驱使下,非法采砂难以杜绝,给采砂管理带来了难度。全球卫星定位系统是一种重要的定位手段之一,被广泛应用于生活生产。为了满足高精度定位的要求,我国自主研制了北斗卫星导航系1
3、统。本文作者将北斗定位应用于采砂监管系统,给采砂监管系统提供采砂船精确的采砂作业位置。1 引言目前,世界上的全球定位系统主要有美国的GPS定位系统、俄罗斯的格洛纳斯定位系统、中国的北斗定位系统、欧盟的伽利略定位系统,都可以为使用者提供精确的定位信息。北斗卫星导航系统的用户段对卫星信号进行跟踪捕获,接收导航电文并进行解算,通过对卫星位置和时间信息的计算,最终得到用户的位置信息,2ATK-S1216F8定位模块完成了用户段的功能。笔者应用了ATK-S1216F8-BD北斗模块获取采砂作业位置信息。3此模块是一款GPS/北斗双模定位模块,具有定位精度高、体积小、3.3V电平与5V电平均兼容等特点,并
4、且自带有可充电电池作为后备电池;支持4800、9600、19200、38400(默认)、57600、115200、230400等多种通信波特率,可以通过串口对模块进行设置,设置后的参数可保存在模块内部FLASH。模块默认通信参数:波特率为38400bit/s;每数据帧由1个起始位、8个数据位、1个停止位构成,没有校验位。模块设置有1个与射频线相连接的IPX接口,通过IPX转SMA的连接线外接有源天线,使用时可以将模块和天线分别放置在室内和室外,实现室内定位。ATK-S1216F8-BD模块及外接有源天线图如图1所示。2 北斗技术作者简介:向志军(1975),男,湖南宁乡人,工程硕士,副教授,研
5、究方向为物联网技术应用。基金项目:湖南省水利科技项目“洞庭湖河道采砂监管机制研究”,项目编号:SLT1705。电脑与电信电脑与电信2.2.1 NMEA-0813协议帧2.2.2 NMEA-0813协议的命令$aaccc,ddd,ddd,ddd*hh(CR)(LF)ATK-S1216F8定位模块通过UART串口通信方式与外部设备进行通信,定位信息数据的输出采用NMEA-0813协议,该协议系美国国家海洋电子协会为海用电子4设备制定的统一的标准通信格式,已成为北斗导航、GPS导航设备的统一标准协议。(CR)(LF):信息帧结束符号,是回车换行符,ASCII码值分别为:0D、0A。能力,模块设置有一
6、个用来外接有源天线的IPX接口。“$”:信息帧命令的起始符号,表示一个信息帧的开始。2.2 模块的输出协议hh:校验字符,是校验结果的十六进制值的ASCII码值。校验值的计算方法为:起始符“$”与校验前缀符“*”之间所有字符(包括数据间的间隔字符“,”)的ASCII码值的校验和。具体计算流程:先对各符号的ASCII码值进行字节的异或运算,异或后的结果为校验和,再把校验和的值转换为十六进制格式的两个ASCII字符,如:校验和的值为1AH,则转换后的校验字符ASCII码值为31(1的ASCII码值)、41(A的ASCII码值)。“*”:校验和的前缀字符或者称为数据的结束字符,“*”之前是数据,之后
7、是校验字符。ccc:命令符号,常用的有:GGA 表示输出定位信息;GSA 表示输出当前卫星信息;GSV表示输出可见卫星信息;RMC 表示输出推荐定位信息;NTG表示输出地面速度信息。NMEA-0813协议采用由ASCII码构成的信息帧来传递定位等信息,帧的信息结构形式如下:NMEA-0813协议有8个常用命令,分别是:GNGGA、GNGSA、GPGSV、BDGSV、GNRMC、GNVTG、GNGLL、GNZDA等命令。各命令功能作用如表2所示。aa:定位系统符号,GP美国的GPS定位系统;BD中国北斗系统;GN多星联合定位;GL俄罗斯的格洛纳斯定位系统。下 面 仅 对 输 出G P S系 统
8、或 北 斗 系 统 的 定 位 信 息“GNGGA”语句的基本格式进行说明。基本格式如下:(M指单位M。)dddddd:输出的数据,数据与数据间用逗号隔开。图1 ATK-S1216F8-BD模块外接有源天线图表1 WheatResNet18模型实验结果引脚序号12345678命令GNGGAGNGSAGPGSVBDGSVGNRMCGNVTGGNGLLGNZDA功能说明输出全球定位系统的定位信息。输出定位形式、卫星编号、位置精度等当前卫星的信息。输出可见GPS系统的卫星信息,包括卫星的编号、仰角、方位角、信噪比等。输出可见北斗系统的卫星信息,输出信息量与上条GPS系统的命令一致。输出推荐定位信息,
9、包括日期时间、位置、速率、航向等信息。输出地面速度信息。输出大地坐标信息。输出当前时间(UTC)信息,北京时间领先UTC时间8个小时。12345名称VCCGNDTXDRXDPPS功能工作电源的正端,工作电源为3.3V5.0V。地,工作电源的负端。串口TTL电平发送端,与接收端的RXD(接收端)相连接。注意只能与TTL电平直接相连,不能直接接RS232电平。串口TTL电平接收端,与接收端的TXD(发送端)相连接。注意只能与TTL电平直接连接,不能直接接RS232电平。输出时钟脉冲端子。模块的工作状态指示灯也连接到了该端子上,当连接该引脚的指示灯常亮时表示模块在工作但是没有实现定位,当指示灯闪烁时
10、表示已经实现成功定位。表2 NEMA-0813常用命令表最大帧长72652102107034-2425-DOI:10.15966/ki.dnydx.2022.11.010北斗定位技术在河道采砂监管系统中的应用向志军摘 要:针对河道采砂供需矛盾日益增大、采砂管理难度大的问题,应用北斗全球定位技术和单片机技术,实现对采砂船只的跟踪定位,提高了采砂管理的效率。本设计以单片机为控制系统,以ATK-S1216F8北斗GPS双模定位模块为位置传感器,实现采沙船定位日期、时间位置信息的获取,主要包括单片机与定位模块的硬件接口电路设计、NMEA-0813协议中GNRMC语句的解析程序设计。经过实践检测,系统应
11、用效果良好,运行稳定。(湖南水利水电职业技术学院,湖南 长沙 410100)关键词:全球定位系统;北斗定位;河道采砂;单片机中图分类号:P228.4;TV85 文献标识码:A 文章编号:1008-6009(2022)11-0024-052.1 北斗模块的外部连接引脚ATK-S1216F8定位模块体积小巧仅25mm27mm,通过5个引脚与外部相连接,引脚间间距采用标准的2.54mm,5个引脚分别为:VCC(电源)、GND(地)、TXD(发送端)、RXD(接收端)、PPS(时钟端),具体功能描述如表1所示。另外,为了提高灵敏度和适用随着国家基本建设的迅猛发展,河道砂石资源的供需矛盾日益增大,在利益
12、的驱使下,非法采砂难以杜绝,给采砂管理带来了难度。全球卫星定位系统是一种重要的定位手段之一,被广泛应用于生活生产。为了满足高精度定位的要求,我国自主研制了北斗卫星导航系1统。本文作者将北斗定位应用于采砂监管系统,给采砂监管系统提供采砂船精确的采砂作业位置。1 引言目前,世界上的全球定位系统主要有美国的GPS定位系统、俄罗斯的格洛纳斯定位系统、中国的北斗定位系统、欧盟的伽利略定位系统,都可以为使用者提供精确的定位信息。北斗卫星导航系统的用户段对卫星信号进行跟踪捕获,接收导航电文并进行解算,通过对卫星位置和时间信息的计算,最终得到用户的位置信息,2ATK-S1216F8定位模块完成了用户段的功能。
13、笔者应用了ATK-S1216F8-BD北斗模块获取采砂作业位置信息。3此模块是一款GPS/北斗双模定位模块,具有定位精度高、体积小、3.3V电平与5V电平均兼容等特点,并且自带有可充电电池作为后备电池;支持4800、9600、19200、38400(默认)、57600、115200、230400等多种通信波特率,可以通过串口对模块进行设置,设置后的参数可保存在模块内部FLASH。模块默认通信参数:波特率为38400bit/s;每数据帧由1个起始位、8个数据位、1个停止位构成,没有校验位。模块设置有1个与射频线相连接的IPX接口,通过IPX转SMA的连接线外接有源天线,使用时可以将模块和天线分别
14、放置在室内和室外,实现室内定位。ATK-S1216F8-BD模块及外接有源天线图如图1所示。2 北斗技术作者简介:向志军(1975),男,湖南宁乡人,工程硕士,副教授,研究方向为物联网技术应用。基金项目:湖南省水利科技项目“洞庭湖河道采砂监管机制研究”,项目编号:SLT1705。电脑与电信电脑与电信2.2.1 NMEA-0813协议帧2.2.2 NMEA-0813协议的命令$aaccc,ddd,ddd,ddd*hh(CR)(LF)ATK-S1216F8定位模块通过UART串口通信方式与外部设备进行通信,定位信息数据的输出采用NMEA-0813协议,该协议系美国国家海洋电子协会为海用电子4设备制
15、定的统一的标准通信格式,已成为北斗导航、GPS导航设备的统一标准协议。(CR)(LF):信息帧结束符号,是回车换行符,ASCII码值分别为:0D、0A。能力,模块设置有一个用来外接有源天线的IPX接口。“$”:信息帧命令的起始符号,表示一个信息帧的开始。2.2 模块的输出协议hh:校验字符,是校验结果的十六进制值的ASCII码值。校验值的计算方法为:起始符“$”与校验前缀符“*”之间所有字符(包括数据间的间隔字符“,”)的ASCII码值的校验和。具体计算流程:先对各符号的ASCII码值进行字节的异或运算,异或后的结果为校验和,再把校验和的值转换为十六进制格式的两个ASCII字符,如:校验和的值
16、为1AH,则转换后的校验字符ASCII码值为31(1的ASCII码值)、41(A的ASCII码值)。“*”:校验和的前缀字符或者称为数据的结束字符,“*”之前是数据,之后是校验字符。ccc:命令符号,常用的有:GGA 表示输出定位信息;GSA 表示输出当前卫星信息;GSV表示输出可见卫星信息;RMC 表示输出推荐定位信息;NTG表示输出地面速度信息。NMEA-0813协议采用由ASCII码构成的信息帧来传递定位等信息,帧的信息结构形式如下:NMEA-0813协议有8个常用命令,分别是:GNGGA、GNGSA、GPGSV、BDGSV、GNRMC、GNVTG、GNGLL、GNZDA等命令。各命令功
17、能作用如表2所示。aa:定位系统符号,GP美国的GPS定位系统;BD中国北斗系统;GN多星联合定位;GL俄罗斯的格洛纳斯定位系统。下 面 仅 对 输 出G P S系 统 或 北 斗 系 统 的 定 位 信 息“GNGGA”语句的基本格式进行说明。基本格式如下:(M指单位M。)dddddd:输出的数据,数据与数据间用逗号隔开。图1 ATK-S1216F8-BD模块外接有源天线图表1 WheatResNet18模型实验结果引脚序号12345678命令GNGGAGNGSAGPGSVBDGSVGNRMCGNVTGGNGLLGNZDA功能说明输出全球定位系统的定位信息。输出定位形式、卫星编号、位置精度等
18、当前卫星的信息。输出可见GPS系统的卫星信息,包括卫星的编号、仰角、方位角、信噪比等。输出可见北斗系统的卫星信息,输出信息量与上条GPS系统的命令一致。输出推荐定位信息,包括日期时间、位置、速率、航向等信息。输出地面速度信息。输出大地坐标信息。输出当前时间(UTC)信息,北京时间领先UTC时间8个小时。12345名称VCCGNDTXDRXDPPS功能工作电源的正端,工作电源为3.3V5.0V。地,工作电源的负端。串口TTL电平发送端,与接收端的RXD(接收端)相连接。注意只能与TTL电平直接相连,不能直接接RS232电平。串口TTL电平接收端,与接收端的TXD(发送端)相连接。注意只能与TTL
19、电平直接连接,不能直接接RS232电平。输出时钟脉冲端子。模块的工作状态指示灯也连接到了该端子上,当连接该引脚的指示灯常亮时表示模块在工作但是没有实现定位,当指示灯闪烁时表示已经实现成功定位。表2 NEMA-0813常用命令表最大帧长72652102107034-2425-电脑与电信电脑与电信X 表 示 当 前 定 位 点 的 经 度 信 息,采 用4dddmm.mmmmm(度分)格式,ddd表示度,mm.mmmmm表示分,数据前面的0也将被输出。该 语句 由 命 令 起 始 符$、定 位 系 统 代 表 符GN、命令符GGA、12个数据和2个数据单位、校验前缀符*、校验符、语句结束符等组成。
20、各部分数据说明如下:3.2 软件的实现“RMC”语句由命令起始符$、定位系统代表符GN、命令符RMC、12个数据、校验前缀符*、校验符、语句结束符等组成。各数据说明如下:X 输出全球定位系统的状态信息,0表示没有定6位到,1表示采用非差分定位方式,2表示采用差分定位方式。X 输出海拔高度信息,范围为-9999.9 9999.9米。9X 输出地球椭球面相对于大地水准面的高度信10息,输出值的范围为-9999.9 9999.9米。X 差分定位方式时输出差分参考基站标号,范12围0000到1023,首位0也将传送。如果不是差分定位则此项为空值)。X 表示当前定位点的纬度信息,采用ddmm.mmmmm
21、2(度分)格式,dd表示度,mm.mmmmm表示分,数据前面的0也将被输出。X 输出正在使用的用于解算位置的卫星数量信7息,输出值的范围为00 12,两位数字、前面的0也将被输出。在采砂监管应用中通过模块协议的“RMC”命令语句来解析定位点的当前时间和位置信息。“RMC”语句的基本格式如下:X 表示当前定位点的经度半球,E表示东经,5W表示西经。$GNGGA,X,X,X,X,X,X,X,X,X,M,X,M,X,X123456789101112*hh(CR)(LF)X 表示当前定位的UTC时间,采用hhmmss.fff1(时分秒.毫秒)的时间格式。X 表示当前定位点的纬度半球,N表示北纬,3S表
22、示南纬。X 输出HDOP水平精确度因子信息,范围为80.599.9。X 输出差分时间,差分定位方式时从接收到差11分信号最近的一次开始的秒数,如果不是差分定位则此项为空值。其他7条常用命令语句的格式可查阅模块的说明书,这里不做详细说明。3 北斗技术在采砂监管系统中的应用3.1 硬件系统组成及工作原理ATK-S1216F8-BD模块通过串口按一定时间间隔周期发送定位信息,单片机系统接收到定位信息后,解码出位置信息、时间信息等,以主动方式通过无线WiFi透传模块向采砂监管平台发送采砂船的实时位置、时间等信息。监管平台查询采砂许可,实现对采砂船的监控与管5理。硬件连接示意图如图2所示。$GNRMC,
23、X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,X*hh123456789101112(CR)(LF)X UTC时间,以hhmmss.sss(时分秒)格式输1出,小时数据加上8小时就可以得到北京时间。X输出定位点的纬度信息,以ddmm.mmmm(度分)的3格式输出,前面两位“dd”为度,后面“mm.mmmm”为分。X输出定位点的经度信息,以dddmm.mmmm(度分)的5格式输出,前面三位“ddd”为度,后面“mm.mmmm”为分。X 输出UTC日期信息,以ddmmyy(日月年)的格9式输出,日期在前,年份在后。X 输出磁偏角信息,单位为度,值的范围为1 0000.0度180.0度,值小时前面不足
24、位数以0补充,也被输出。X 输出模式指示信息,字符A表示自主定12位,字符D表示差分定位,字符E表示估算,字符N表示数据无效。“RMC”语句举例:X 输出地面速率信息,单位为节,值的范围为7000.0 999.9节。X 输出磁偏角方向信息,字符E表示东,11字符W表示西。X 输出经度半球信息,用字符E表示东经,6字符W表示西经。X 输出地面航向信息,以正北方向作为基准,8单位为度,值的范围为000.0度 359.9度。X 输出模块的定位状态,符号A表示有效定2位,符号V表示无效定位。$GNRMC,095554.000,A,2318.1327,N,11319.7252,E,000.00,005.
25、7,081215,A*73X 输出纬度半球的信息,用字符N表示北半4球,字符S表示南半球。图2 ATK-S1216F8-BD模块与单片机系统连接示意图定位信息:北纬23度18.1327分,东经113度19.7252分时间信息:2015年12月08日09时55分54秒3.3 单片机程序设计采用STC多串口单片机,串口1与ATK-S1216F8-BD模块 相 连 接,用 来 侦 听 模 块 发 出 的 定 位 信 息,收 到$GNRMC语句帧命令后,解析出时间信息和位置信息,再按一定的格式打包后,由串口2通过无线WiFi透传模块向采砂监控平台发送数据包。$GNRMC语句帧的解析包括校验码检测、获取
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