北斗定位技术在河道采砂监管系统中的应用_向志军.pdf

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：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 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，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。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 WheatRes