基于GPS模块便携式面积测试仪

1、    基于GPS模块便携式面积测试仪            作者：卓 临时间：2010-3-16 9:53:00                     论文关键词：农田面积  测量仪  GPS  精细农业论

2、文摘要：全球定位系统在精细农业中起着十分重要的作用， 本文利用GPS的定位功能， 研制了农田面积快速测量仪。测量仪由低成本的GPS模块、 单片机数据采集板、 健盘及L C D显示等组成. 给出了GPS定位信息的获取技术， 多边形农田面积的计算方法， 测量仪软硬件的设计原理等。试验结果表明测量仪能够快速刚量任意形状农田的面积， 相对测量误差小于2 %， 并且农田面积愈大， 测量的相对精度愈高。农田面积是农业生产管理中最基础的数据之一，田块的大小直接决定了种子、化肥、农药等生产资料的投人量，也是农业机械进行田间作业计算工时和收费的主要依据。传统的农田面积大多使用皮尺测量，简单实用，但只适合于小面积

3、的矩形状田块，对于大面积的田块，则费时费力，易出差错，并且难以测量不规则田块的面积GPS全球卫星定位系统能够提供实时的经度、纬度、高程等导航和定位信息，是支撑精细农业实践的核心技术之一。利用GPS的定位功能，能够测量农田各个点的坐标，从而为通过数学方法计算农田的距离、面积等数据提供了可能。本文采用低成本的GPS模块研制了便携式农田面积测量仪，实现对任意形状田块的面积进行快速的GPS定位测量。1 GPS定位信息的获取通过GPS接收机就可以获得GPS的定位信息。常用的GPS接收机可分为测量、导航、掌上机、OEM板等多种类型，其性能和价格差别很大，如美国Trimble 公司生产的AgGPS332是差

4、分型GPS接收机，具有亚米级的定位精度，在精细农业中应用相当广泛， 但价格较高，体积大、功耗高，不适合用于便携式仪器。为了便于携带大多采用GPS模块（OEM板）进行二次开发接收机。GPS模块支持NMEA-0183标准，可通过RS-232C串行口输出定位信息，NMEA-0183语句是一组由ASCII 字符组成的字符串， 以“ $” 字符开头，以回车换行符结束，中间为数据段及校验和，数据段之间以逗号分隔。GPS块能够输出多种格式的NMEA语句如 $GPGGA, $ GPGLL,$ GPZDA, $ GPRMC等，不同的语句包含不同的GPS信息。在农田面积定位测量中采用了推荐的$ GPRMC语句格式

5、。$ GPRMC语句中包含了常用的GPS定位信息，如经度、纬度、速度、日期、 时间、接收机状态等。该语句共由75字符组成，各个数据段在语句中的位置是固定的，如纬度数据位于字符串的第19至27字节，经度数据位于第31至40字节。读取相应区域的数据即可得到所需的定位信息，然后将经纬度字符串转换成数字，再进一步计算距离或面积。       2 面积就算方法手持GPS接收机沿农田的边界绕行一周，可测量到一组由多个点组成的定位数据，按时间次序依次记为（X1,Y1）, （X2,Y2）, ,(Xn,Yn)，其中X表示经度，Y表示维度。将这

6、些点依次连接线，则构成有n个顶点的多边形。由于地球是一个椭球，为了精确计算距离或面积， 一般采用投影的方式转换成平面坐标。然而投影法计算十分复杂，难以在单片机中实现。为了简化计算，我们将地球视为正球体。农田测量中的距离较短，面积较小，通常小于1km，因此由于简化带来的误差可忽略不计。取地球半径为6371116m，则可转换成平面坐标, R为地球半径，x为经度/ m,  y为纬度/ m则在地球表面 Y经度处，经度差、 纬度差各为一度的方格面积为A，      由于x、y的数值较大，如果直接来计算面积，会导致极大的计算误差。因此将第一点作为

7、坐标原点，以相对偏移量构成新的坐标系如图所示。对于多边形图形，可采用梯形法计算面积如由2 , 3 两个点组成的梯形( 图中 的阴影部分) ，其面积为:则有n点构成的农田面积为： 其中： ， 。图2测量仪结构框图3 测量仪设计测量仪主要由GPS模块、通讯接口、 STC89s52单片机、键盘及显示等电路组成。本研究采用美国合众思达公司的新月-HC12A GPS模块，进行开发，GPS模块用于接收GPS卫星信号，并以NMEA格式输出定位信息。该模块是一款单频12 通道接收机、内置天线、上电复位电路、信号接口等电路， 采用3.0v供电，DGPS 差分精度小于0.5 米，独有的Coast 技术在差分信号丢

8、失的情况下仍可保持精度 ，专利的E-Dif自差分技术可在无差分信号状态获得高精度小于1米 ，体积只有71.1*40.6*12mm。极低的功耗，非常适合便携式电池供电测量系统。系统的工作原理如下：以STC89s52为系统核心处理器，实现GPS数据接收、处理、面积计算、显示、存储等功能。GPS模块接收GPS卫星信号，并将定位信息通过RS-232串行口输出; 通讯接口将RS-232电平的串行信号转换为TTL电平并输人单片机的串行口; 单片机在软件的控制下对定位信息进行处理，接收键盘命令， 并将相应的运算结果在LCD显示器上显示或存储到串行E2PROM存储器中。   &#

9、160;                  单片机软件使用C51语言编写，在Keil环境下编译和调试. 软件主要包括GPS数据接收、面积计算、键盘扫描、 显示输出等模块. 单片机通过串行口以中断方式接收G P S模块的定位信息， 串口参数设置为 9600波特率， 8数据位，1停止位的核心部分，无校验位. 串口中断程序是软件的核心部分其流程如图3所示。4 试验与讨论    

10、60;   开阔农田中进行试验， 为了便于计算，选择了一个矩形田块，用皮尺测得田块长32m，宽28m，面积为896m2测量时，手持测量仪绕田块进行测量，测量仪显示测量结果。每个测量点的经度和纬度数据存储在测量仪的E2PROM中，测量完后通过串行口上传到计算机中。采用地理信息系统软件ARCVIEW 对测量数据进行图形化处理，图4为3 次GPS定位测量所获得的轨迹是在不同位置上的3 个矩形。虽然这 3个矩形位置存在较大偏移，但都保持了很好的矩形状， 面积基本相似。这说明单机GPS定位时存在与时间有关的漂移误差， 精度较差， 但是在短时间内的漂移不大， 因而用GPS定位测量所获得的轨迹形状基本相似， 测量结果基本相同。平均值885m2 ，平均相对误差1.77%，小于2% ，表明GPS测量仪具有很好的测量精度。同时我们发现随着测量面积的增加测量精度越高。5 结论在