辛德奎，黃操軍，甘龍輝

（黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術學院，大慶163319）

農(nóng)業(yè)是人類生存和發(fā)展的基礎，是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。精準農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)的應用可改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的粗放經(jīng)營模式，可精細化的進行農(nóng)田的生產(chǎn)作業(yè)，減少生產(chǎn)成本，保護生態(tài)環(huán)境，增加經(jīng)濟效益[2]。衛(wèi)星定位系統(tǒng)是精準農(nóng)業(yè)的關鍵技術，適用于精準農(nóng)業(yè)技術措施實施的全過程，數(shù)據(jù)采集、農(nóng)業(yè)技術措施的制定、實施等均與定位導航系統(tǒng)聯(lián)系在一起[3]。田間作業(yè)機車的實時監(jiān)控和信息管理是智能化農(nóng)業(yè)機械裝備變量作業(yè)的重要基礎[4]。因此精準可靠地衛(wèi)星定位系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的必要保障。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國具有自主產(chǎn)權的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[5]。系統(tǒng)具有快速定位、簡短通信和精密授時三大優(yōu)勢。使用該系統(tǒng)不需重建通信鏈路，不需租用衛(wèi)星信道，不僅使用方便，而且可以取得非常明顯的價格優(yōu)勢。目前，GPS產(chǎn)品在我國衛(wèi)星導航終端市場占壟斷地位，給國家安全和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展帶來巨大隱患[6]。所以設計開發(fā)一種基于北斗/GPS的雙模田間作業(yè)機車定位系統(tǒng)對于農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)有著重要意義。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)總體方案設計

在田間機車定位系統(tǒng)中，由北斗/GPS雙模接收機模塊接收衛(wèi)星信號。單片機和PC機通過串口獲得北斗/GPS數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)解析和處理后進行顯示和存儲。系統(tǒng)可設置機車作業(yè)的幅寬，進而計算機車的作業(yè)面積。PC機可通過串口調(diào)試軟件獲得未經(jīng)過處理的北斗/GPS數(shù)據(jù)，也可以通過雙模接收機數(shù)據(jù)觀測軟件MXT-View，觀測系統(tǒng)信息和衛(wèi)星信息。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System theory figure

1.2 主要設備選型

根據(jù)上述系統(tǒng)需求，對系統(tǒng)中主要設備進行選型。選用STC公司生產(chǎn)的具有雙串口的1T單片機STC12C5A60S2作為主控芯片。在系統(tǒng)中，主控模塊既需要與北斗/GPS模塊進行通信，又需要與上位機進行通信，因此選用帶有雙串口的控制芯片可以簡化軟件設計過程；選用北京時代民芯科技有限公司生產(chǎn)的MXTOS2-200北斗/GPS雙模接收機模塊接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)。該接收機模塊定位的水平精度可達5m，高程精度可達10 m。

1.3 北斗/GPS雙模接收機

MXTOS2-200模塊是北京時代民芯科技有限公司開發(fā)的GPS、BD-2雙模兼容接收機模塊。能夠提供高精度的載體三維位置、速度、時間信息以及原始觀測數(shù)據(jù)等。

MXTOS2-200將射頻前端、基帶處理、定位軟件高度集成，具有低功耗、小體積、高可靠、高性能等特點，可實現(xiàn)北斗/GPS單模、雙模靈活定位模式。MXTOS2-200從天線輸入到串行輸出的整個信號處理鏈包含在一個單獨的模塊當中。封裝形式使得射頻輸入直接在一個引腳上，可避免使用昂貴的射頻電纜。貼片封裝可軟焊，節(jié)省空間同時提高可靠性。MXTOS2-200應用電路如圖2所示。

圖2 MXTOS2-200應用電路Fig.2 MXTOS2-200 application circuit

2 軟件設計

2.1 通信協(xié)議

NMEA-0183是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為海用電子設備制定的標準格式。目前已成了GPS導航設備統(tǒng)一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標準協(xié)議[7]。

BUPro是北京時代民芯科技有限公司基于用戶至上的原則制定的專用雙模協(xié)議，協(xié)議不僅包含類似于NMEA協(xié)議的普通協(xié)議，還有二進制協(xié)議RINEX2.10。用戶可以根據(jù)自己的需求方便快捷地獲取所需的各種信息，避免了用戶為獲得全部所需信息而不得不解析多個協(xié)議的煩惱。

2.2 協(xié)議解析

為獲取機車的空間信息和運行信息，軟件分別對SBDGGA、 SGPGGA、 SBDGMV、 SGPGMV四條語句進行解析。協(xié)議解析流程如圖3所示。

圖3 協(xié)議解析流程Fig.2 Protocol analysis process

SGPGMV和SBDGMV兩條協(xié)議語句是BUPro專有的兩條語句，接收機位置、速度、姿態(tài)等信息均包含在這兩條語句當中。語句格式為：

在S GPGMV和SBDGMV兩條語句中“，S”是語句的起始符“；S”后面的“GP”，“BD”分別表示GPS數(shù)據(jù)和北斗數(shù)據(jù)“；GMV”表示語句類型。不同的數(shù)據(jù)之間以逗號隔開。因此，當收到“S”后，通過判斷“S ”后面的兩個字符就可以知道該語句是GPS數(shù)據(jù)還是北斗數(shù)據(jù)。接下來判斷后三個字符即可知道該語句的類型。最后通過判斷逗號位置即可尋找到所需信息。

S GPGGA和SBDGGA兩條協(xié)議語句含有衛(wèi)星定位的主要數(shù)據(jù)[8]。是BUPro協(xié)議中最長，也是應用最廣的一條語句。語句中不但含有接收機的空間信息，還包含衛(wèi)星定位狀態(tài)、定位精度以及可使用衛(wèi)星數(shù)等信息。設計從這兩條語句中獲取接收機的高度、海拔、可使用衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星定位狀態(tài)信息。

3 系統(tǒng)測試

3.1 實物測試

由于系統(tǒng)需要顯示的信息較多，液晶采用分屏顯示方式。第一屏顯示系統(tǒng)位置信息，第二屏顯示系統(tǒng)狀態(tài)信息。由圖4可知系統(tǒng)經(jīng)緯度、高度以及海拔信息，其中顯示器最后一行末尾的06，表示當前可用衛(wèi)星數(shù)是6顆。

圖4 位置信息界面Fig.4 Location information interface

系統(tǒng)狀態(tài)信息包括，車輛運動速度、航向、農(nóng)機作業(yè)寬度和作業(yè)面積信息。其中農(nóng)機作業(yè)寬度可以通過鍵盤進行設置，系統(tǒng)結合機車的作業(yè)寬度和機車的運動距離即可獲得機車的作業(yè)面積。作業(yè)機車運行狀態(tài)信息如圖5所示。

圖5 狀態(tài)信息界面Fig.5 Status information interface

3.2 聯(lián)機測試

采用MXT-view衛(wèi)星觀測軟件對系統(tǒng)進行聯(lián)機測試。MXT-view是北京時代民芯科技有限公司自主開發(fā)的導航數(shù)據(jù)觀測軟件，支持BUPro協(xié)議和部分NMEA-0183協(xié)議。觀測軟件可顯示導航信息、衛(wèi)星信息和可見衛(wèi)星視圖等信息。

系統(tǒng)導航信息如表1所示，其中HDOP表示衛(wèi)星定位的垂直精度因子，VDOP為水平精度因子，PDOP為綜合定位因子。

表1 導航信息Table1 Navigation information

衛(wèi)星信息包括衛(wèi)星的編號、高度角、方位角和載噪比等信息。表2中列出了當前可使用6顆衛(wèi)星的信息。

表2 衛(wèi)星信息Table2 Satellite information

4 結論

基于北斗和GPS的田間作業(yè)機車定位系統(tǒng)，集田間作業(yè)機車定位、田間信息采集和信息傳輸與一體，將衛(wèi)星定位和精準農(nóng)業(yè)相結合，具有體積小，定位精度高，功耗低，工作穩(wěn)定，通用性強，擴展方便等優(yōu)點。通過對田間數(shù)據(jù)的定時檢測和分析，以及對農(nóng)業(yè)裝備實時監(jiān)控，將為智能化農(nóng)業(yè)裝備實現(xiàn)變量作業(yè)（如變量施藥、施肥等）提供技術支持和研究平臺。系統(tǒng)可同時接收GPS定位信息和北斗定位信息，二者相互補充，在沒有GPS定位信息的情況下可以使用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行定位，有效的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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