基于GPS模塊便攜式面積測試儀

1、    基于GPS模塊便攜式面積測試儀            作者：卓 臨時間：2010-3-16 9:53:00                     論文關(guān)鍵詞：農(nóng)田面積  測量儀  GPS  精細(xì)農(nóng)業(yè)論

2、文摘要：全球定位系統(tǒng)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中起著十分重要的作用， 本文利用GPS的定位功能， 研制了農(nóng)田面積快速測量儀。測量儀由低成本的GPS模塊、 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集板、 健盤及L C D顯示等組成. 給出了GPS定位信息的獲取技術(shù)， 多邊形農(nóng)田面積的計算方法， 測量儀軟硬件的設(shè)計原理等。試驗(yàn)結(jié)果表明測量儀能夠快速剛量任意形狀農(nóng)田的面積， 相對測量誤差小于2 %， 并且農(nóng)田面積愈大， 測量的相對精度愈高。農(nóng)田面積是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)之一，田塊的大小直接決定了種子、化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料的投人量，也是農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行田間作業(yè)計算工時和收費(fèi)的主要依據(jù)。傳統(tǒng)的農(nóng)田面積大多使用皮尺測量，簡單實(shí)用，但只適合于小面積

3、的矩形狀田塊，對于大面積的田塊，則費(fèi)時費(fèi)力，易出差錯，并且難以測量不規(guī)則田塊的面積GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠提供實(shí)時的經(jīng)度、緯度、高程等導(dǎo)航和定位信息，是支撐精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)踐的核心技術(shù)之一。利用GPS的定位功能，能夠測量農(nóng)田各個點(diǎn)的坐標(biāo)，從而為通過數(shù)學(xué)方法計算農(nóng)田的距離、面積等數(shù)據(jù)提供了可能。本文采用低成本的GPS模塊研制了便攜式農(nóng)田面積測量儀，實(shí)現(xiàn)對任意形狀田塊的面積進(jìn)行快速的GPS定位測量。1 GPS定位信息的獲取通過GPS接收機(jī)就可以獲得GPS的定位信息。常用的GPS接收機(jī)可分為測量、導(dǎo)航、掌上機(jī)、OEM板等多種類型，其性能和價格差別很大，如美國Trimble 公司生產(chǎn)的AgGPS332是差

4、分型GPS接收機(jī)，具有亞米級的定位精度，在精細(xì)農(nóng)業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛， 但價格較高，體積大、功耗高，不適合用于便攜式儀器。為了便于攜帶大多采用GPS模塊（OEM板）進(jìn)行二次開發(fā)接收機(jī)。GPS模塊支持NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)，可通過RS-232C串行口輸出定位信息，NMEA-0183語句是一組由ASCII 字符組成的字符串， 以“ $” 字符開頭，以回車換行符結(jié)束，中間為數(shù)據(jù)段及校驗(yàn)和，數(shù)據(jù)段之間以逗號分隔。GPS塊能夠輸出多種格式的NMEA語句如 $GPGGA, $ GPGLL,$ GPZDA, $ GPRMC等，不同的語句包含不同的GPS信息。在農(nóng)田面積定位測量中采用了推薦的$ GPRMC語句格式

5、。$ GPRMC語句中包含了常用的GPS定位信息，如經(jīng)度、緯度、速度、日期、 時間、接收機(jī)狀態(tài)等。該語句共由75字符組成，各個數(shù)據(jù)段在語句中的位置是固定的，如緯度數(shù)據(jù)位于字符串的第19至27字節(jié)，經(jīng)度數(shù)據(jù)位于第31至40字節(jié)。讀取相應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)即可得到所需的定位信息，然后將經(jīng)緯度字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)字，再進(jìn)一步計算距離或面積。       2 面積就算方法手持GPS接收機(jī)沿農(nóng)田的邊界繞行一周，可測量到一組由多個點(diǎn)組成的定位數(shù)據(jù)，按時間次序依次記為（X1,Y1）, （X2,Y2）, ,(Xn,Yn)，其中X表示經(jīng)度，Y表示維度。將這

6、些點(diǎn)依次連接線，則構(gòu)成有n個頂點(diǎn)的多邊形。由于地球是一個橢球，為了精確計算距離或面積， 一般采用投影的方式轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)。然而投影法計算十分復(fù)雜，難以在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。為了簡化計算，我們將地球視為正球體。農(nóng)田測量中的距離較短，面積較小，通常小于1km，因此由于簡化帶來的誤差可忽略不計。取地球半徑為6371116m，則可轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo), R為地球半徑，x為經(jīng)度/ m,  y為緯度/ m則在地球表面 Y經(jīng)度處，經(jīng)度差、 緯度差各為一度的方格面積為A，      由于x、y的數(shù)值較大，如果直接來計算面積，會導(dǎo)致極大的計算誤差。因此將第一點(diǎn)作為

7、坐標(biāo)原點(diǎn)，以相對偏移量構(gòu)成新的坐標(biāo)系如圖所示。對于多邊形圖形，可采用梯形法計算面積如由2 , 3 兩個點(diǎn)組成的梯形( 圖中 的陰影部分) ，其面積為:則有n點(diǎn)構(gòu)成的農(nóng)田面積為： 其中： ， 。圖2測量儀結(jié)構(gòu)框圖3 測量儀設(shè)計測量儀主要由GPS模塊、通訊接口、 STC89s52單片機(jī)、鍵盤及顯示等電路組成。本研究采用美國合眾思達(dá)公司的新月-HC12A GPS模塊，進(jìn)行開發(fā)，GPS模塊用于接收GPS衛(wèi)星信號，并以NMEA格式輸出定位信息。該模塊是一款單頻12 通道接收機(jī)、內(nèi)置天線、上電復(fù)位電路、信號接口等電路， 采用3.0v供電，DGPS 差分精度小于0.5 米，獨(dú)有的Coast 技術(shù)在差分信號丟

8、失的情況下仍可保持精度 ，專利的E-Dif自差分技術(shù)可在無差分信號狀態(tài)獲得高精度小于1米 ，體積只有71.1*40.6*12mm。極低的功耗，非常適合便攜式電池供電測量系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理如下：以STC89s52為系統(tǒng)核心處理器，實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)接收、處理、面積計算、顯示、存儲等功能。GPS模塊接收GPS衛(wèi)星信號，并將定位信息通過RS-232串行口輸出; 通訊接口將RS-232電平的串行信號轉(zhuǎn)換為TTL電平并輸人單片機(jī)的串行口; 單片機(jī)在軟件的控制下對定位信息進(jìn)行處理，接收鍵盤命令， 并將相應(yīng)的運(yùn)算結(jié)果在LCD顯示器上顯示或存儲到串行E2PROM存儲器中。   &#

9、160;                  單片機(jī)軟件使用C51語言編寫，在Keil環(huán)境下編譯和調(diào)試. 軟件主要包括GPS數(shù)據(jù)接收、面積計算、鍵盤掃描、 顯示輸出等模塊. 單片機(jī)通過串行口以中斷方式接收G P S模塊的定位信息， 串口參數(shù)設(shè)置為 9600波特率， 8數(shù)據(jù)位，1停止位的核心部分，無校驗(yàn)位. 串口中斷程序是軟件的核心部分其流程如圖3所示。4 試驗(yàn)與討論    

10、60;   開闊農(nóng)田中進(jìn)行試驗(yàn)， 為了便于計算，選擇了一個矩形田塊，用皮尺測得田塊長32m，寬28m，面積為896m2測量時，手持測量儀繞田塊進(jìn)行測量，測量儀顯示測量結(jié)果。每個測量點(diǎn)的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)存儲在測量儀的E2PROM中，測量完后通過串行口上傳到計算機(jī)中。采用地理信息系統(tǒng)軟件ARCVIEW 對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理，圖4為3 次GPS定位測量所獲得的軌跡是在不同位置上的3 個矩形。雖然這 3個矩形位置存在較大偏移，但都保持了很好的矩形狀， 面積基本相似。這說明單機(jī)GPS定位時存在與時間有關(guān)的漂移誤差， 精度較差， 但是在短時間內(nèi)的漂移不大， 因而用GPS定位測量所獲得的軌跡形狀基本相似， 測量結(jié)果基本相同。平均值885m2 ，平均相對誤差1.77%，小于2% ，表明GPS測量儀具有很好的測量精度。同時我們發(fā)現(xiàn)隨著測量面積的增加測量精度越高。5 結(jié)論在