CN111239780A - 基于Arduino的智能无人船平台定位系统 - Google Patents

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宋潇
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    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link

Abstract

本发明属于计算机通信及自动化领域，尤其涉及一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统。包括Arduino主控板、GPS/北斗双模定位模块、无线通信模块以及电源模块。由GPS/北斗双模定位模块接受定位数据，通过Arduino主控板分析处理得到经坐标转换后的经纬度信息，将其发送到物联网平台上，便可在电子地图上显示实时位置和运动轨迹。且该主控板附带一扩展板，具有较强的扩展性，可以安装各种传感器设备以丰富智能无人船平台的功能。

Description

基于Arduino的智能无人船平台定位系统
技术领域
本发明属于计算机通信及自动化领域，尤其涉及一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统。
背景技术
智能无人船平台在保护海洋环境和开发海洋资源方面有着广泛应用，搭载不同的传感器系统可以完成各种各样的任务，是监测海洋环境、观测海洋水文数据、勘探海洋资源和海洋灾害预警的重要手段之一。在军事方面智能无人船平台也扮演着重要的角色，它能够完成的军事任务有：港口安全，扫雷和靶船等。在工业上可于一些水中设备的远程维护，工业开采等方面。在民用方面，可作为娱乐用途也可用于钓鱼，还可以用于探索鱼群等。无论在科研方面，还是军事方面，或者工业上以及民用方面，都有着广阔的应用前景。
在智能无人船平台上安装定位装置和无线通信设备，可以对智能无人船平台进行追踪、搜救、监控、调度等功能。在船舶遇险时，向陆地基站发出求救信息后，救援人员可以通过定位信息迅速、准确的展开救援行动；搭载定位模块并配合电子地图，不仅可以提供导航信息，而且能够将实时路况返回到用户终端。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于Arduino微处理器的智能无人船平台的定位系统，其具有较高的定位精度以及能够在线显示实时位置，并同时拥有较高的扩展性。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案是构建一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统，包括船载定位系统和OneNET物联网开放平台。
船载定位系统包括1个Arduino主控板，1个GPS/北斗双模定位模块，1个GPRS网络通信模块以及一个电源模块。
Arduino主控板与定位模块、通信模块、电源模块有线连接；Arduino主控板接受定位模块发送的定位信息，并将定位信息处理后发送给通信模块；电源模块为Arduino主控板供电。
双模定位模块与双模定位模块天线有线连接，双模定位模块天线向双模定位模块提供信号。
双模定位模块将定位信息转换成二进制的星历与测距、载波相位观测数据；处理卫星数据以及基站差分数据，得到实时三维数据坐标。
通信模块与通信模块天线有线连接，通信模块天线向通信模块提供信号。
通信模块将JSON格式的经纬度信息传输到OneNET物联网开放平台。
进一步地，所述OneNET物联网开放平台为PC端或手机端的物联网服务平台，登陆该平台并设置好API接口后，将经过转换的经纬度信息传输到API接口，通过百度地图实时显示位置信息。
进一步地，所述附带扩展板的Arduino Mega 2560微处理器具有多个扩展接口，可供各种传感器同时使用。蓝牙接口和ACP220无线射频接口可以直接与蓝牙模块和ACP220模块连接后进行无线通信；SD卡接口可插入SD卡存储数据信息；32个数字口和16个模拟口可连接温度、湿度、粉尘、压力、超声波和光传感器等多种传感器模块，同时可接舵机控制器、电调等控制设备。
与现有技术相比本发明的优点在于：利用高效的算法对卫星定位数据进行高效的分析处理，在PC端或者手机端可以实时观察智能无人船平台的轨迹；提高智能无人船平台的兼容性和可扩展性、以及远程维护和升级能力，利用嵌入式操作系统低能耗的特点，提高无人船的续航能力；为搭载不同传感器实现无人船不同的使用功能，提供了一个良好的无人船平台。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1为基于Arduino的智能无人船平台定位系统的原理框图。
图2为ATGM332-5N-3X双模定位模块电路示意图。
图3为SIM800C无线通信模块电路示意图。
图4为基于Arduino的智能无人船平台定位系统程序流程图。
图5为ATGM332-5N-3X双模定位模块程序流程图。
图6为读取定位帧数据流程图。
图7为解析定位帧数据流程图。
图8为SIM800C无线通信模块程序流程图。
图9为发送定位信息到OneNET平台流程图。
具体实施方式
如图1-6所示，本发明包括主控模块、电源模块、双模定位模块以及无线通信模块。
如图1所示，主控模块分别与电源模块、双模定位模块、无线通信模块相连。
所述主控模块为附带扩展板的Arduino微处理器，Arduino微处理器的型号为Arduino Mega 2560；所述双模定位模块的型号为ATGM332-5N-3X；所述无线通信模块的型号为SIM800C；所述电源模块为5V锂电池。
如图2所示，Arduino Mega 2560微处理器的RX2脚与ATGM332-5N-3X双模定位模块的TxD1脚相连，将双模定位模块获取到的定位信息发送给Arduino微处理器；所述Arduino微处理器的TX2脚与GPS/BD双模定位模块的RxD1脚相连，由Arduino微处理器将设置信息发送给双模定位模块；所述Arduino微处理器的“VCC”、“GND”脚分别与双模定位模块的“VCC”、“GND”脚相连进行供电。
如图3所示，Arduino Mega 2560微处理器的TX3脚与SIM800C模块的RX脚相连，用于将AT指令和Arduino微处理器处理后的定位数据发送给SIM800C模块；所述Arduino微处理器的RX3脚与SIM800C模块的TX脚相连，用于获取AT指令的返回信息；所述Arduino微处理器的“VCC”、“GND”脚分别与无线通信模块的“VCC”、“GND”脚相连进行供电。
如图4所示，附带扩展板的Arduino Mega 2560微处理器将串口2(RX2和TX2)和串口3(RX3和TX3)的波特率设置为9600bps；在程序中用定时器设置中断，保证程序正常运行；初始化ATGM332-5N-3X双模定位模块和SIM800C无线通信模块；然后开始循环执行获取、处理以及发送三个步骤；若有异常情况出现，会进行相应处理。
具体地，如图5所示，初始化时已经设置好ATGM332-5N-3X双模定位模块的串口波特率和中断。在获取定位信息的过程中，如遇长时间没有得到有效信息，则需要重启定位模块，即定位超时后重新获取定位数据；当成功定位之后，需要在大量的信息中筛选出所需的定位信息，然后判断提取的信息中的定位有效符是否有效，若是，则对其进行解析并存储，若不是，则重新读取定位信息。
具体地，从定位信息接收模块中读取的信息是经过模块内核计算并按照一定协议格式处理的数据，以方便用户使用。ATGM332-5N-3X模块默认使用NMEA-0183协议进行数据通信。
具体地，所述的NMEA0183协议中数据可分为4类，分别为保留字、语句ID、定位值及校验和。如图6所示，要从GPS模块发送来的大量数据中获得所需信息，首先要识别到保留字“$”，这是每一条信息的起始，仅仅识别该字符是远远不够的。第二步，我们需要判断语句ID，在这里，我们需要识别的语句ID是GNRMC。整串数据以“/r/n”为结束符，所以，当我们识别到“/r/n”时，就停止数据的读取。
如图7所示，Arduino Mega 2560微处理器读取完定位模块发送来的定位数据之后，要从字符串中提取出我们所需的几个元素并存储，即从字符串中获得UTC时间、定位有效符、纬度、纬度方向、经度、经度方向6个元素。在读取过程中，先判断提取的信息中的定位有效符是否有效，若是，则以此读取6个元素，若不是，则重新获取定位数据；将读取到的经纬度转换为OneNET平台所需的格式。
如图8所示，SIM800C模块使用串口3(RX3与TX3)与Arduino Mega 2560微处理器进行数据交换。在单片机初始化时已将串口3的波特率设置好，所以，此时需要进行的初始化操作是发送AT指令。发送AT指令后，GPRS模块会反馈一些信息，从反馈的信息中，我们可以判断其工作状态，若未收到期望反馈，则重启模块。
具体地，所述AT指令如下：
Figure BDA0002400850110000041
发送“AT”使SIM800C模块自适应波特率，本系统设置的波特率都是9600bps，当返回值为OK时表明自动调整波特率成功。只有模块和串口的波特率一致，才能实现数据的传输和接收。
Figure BDA0002400850110000042
发送“AT+CPIN？”指令检查SIM卡的状态，当返回值为READY OK时表明找到SIM卡且运行正常。SIM卡运行正常是系统实现各项功能的基础。
Figure BDA0002400850110000043
发送“AT+GREG？”检查SIM卡是否已经注册网络，当返回值为OK时表示已注册到本地网络。
Figure BDA0002400850110000044
发送“AT+CGLASS＝"B"”，当返回值为OK时表示成功设置移动台类别为B，即模块支持包交换和电路交换模式。支持包交换以后才能进行GPRS流量传输。
Figure BDA0002400850110000045
发送“AT+CGDCONT＝1,"IP","CMNET"”，当返回值为OK时代表采用IP协议，接入点为CMNET。由于本系统采用的是移动SIM卡，所以接入点采用CMNET，若为联通卡，则采用UNINET接入点。
Figure BDA0002400850110000046
发送“AT+CGATT＝1”，返回值为OK。该指令使模块附着GPRS网络，当参数设置为0时，可使模块脱离GPRS网络。
Figure BDA0002400850110000051
发送“AT+CIPCSGP＝1,"CMNET"”，设置为GPRS连接，接入点为CMNET。
Figure BDA0002400850110000052
发送“AT+CLPORT＝"TCP","2000"”，设置TCP链接，端口号为2000。
至此，发送准备就绪，等待定位数据进行传输。
进一步地，在SIM800C初始化成功并获得定位数据之后，我们需要将转换格式后的经纬度信息上传至OneNET平台，该平台上可以显示实时位置并绘制轨迹。
具体地，OneNET平台提供开放的HTTP/HTTPS API接口，用户可以使用API进行设备管理，数据查询，设备命令交互等操作，在API的基础上，根据自己的个性化需求指定搭建上层应用。本系统采用HTTP协议接入，定位数据用JSON格式上传到平台上。
进一步地，登录OneNET平台后即可查看实时定位信息和轨迹。

Claims (7)

1.一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统，其特征在于包括：船载定位系统和OneNET物联网开放平台；所述船载定位系统主控模块、电源模块、实时定位模块以及无线通信模块；所述主控模块分别与电源模块、实时定位模块及无线通信模块相连；所述OneNET物联网开放平台与无线通信模块通过无线网络连接；所述OneNET物联网开放平台用于显示定位系统的实时位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统，其特征在于：所述主控模块包括附带扩展板的Arduino Mega 2560微处理器；所述无线通信模块选用SIM800C模块；所述实时定位模块选用ATGM332-5N-3X双模定位模块，其为GPS/北斗双模定位模块。
3.根据权利要求1和2所述的一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统，其特征在于：所述电源模块包括5V电源，其与Arduino微处理器的“5V”脚和“GND”脚相连为其供电。
4.根据权利要求2所述的一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统，其特征在于：所述Arduino微处理器的RX2脚与ATGM332-5N-3X双模定位模块的TxD1脚相连，将双模定位模块获取到的定位信息发送给Arduino微处理器；所述Arduino微处理器的TX2脚与GPS/BD双模定位模块的RxD1脚相连，由Arduino微处理器将设置信息发送给双模定位模块；所述Arduino微处理器的“VCC”、“GND”脚分别与双模定位模块的“VCC”、“GND”脚相连进行供电；双模定位模块与天线相连。
5.根据权利要求2所述的一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统，其特征在于：所述Arduino微处理器的TX3脚与SIM800C模块的RX脚相连，用于将AT指令和Arduino微处理器处理后的定位数据发送给SIM800C模块；所述Arduino微处理器的RX3脚与SIM800C模块的TX脚相连，用于获取AT指令的返回信息；所述Arduino微处理器的“VCC”、“GND”脚分别与无线通信模块的“VCC”、“GND”脚相连进行供电；SIM800C模块与天线相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统，其特征在于：所述OneNET物联网开放平台提供API接口，SIM800C模块将处理后的定位信息通过API接口上传至平台，在平台提供的地图上显示实时位置。
7.根据权利要求2所述的一种基于Arduino的智能无人船平台定位系统，其特征在于：所述附带扩展板的Arduino Mega 2560微处理器可以同时搭载多个传感器。
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