一種便攜式的喬木相對坐標測量儀的設計

陳 軍魏識廣李 林

（1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學生命與環境科學學院，廣西 桂林 541004）

一種便攜式的喬木相對坐標測量儀的設計

陳 軍1魏識廣2李 林1

（1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學生命與環境科學學院，廣西 桂林 541004）

為了滿足林業調查工作中對移動手持式測量儀體積小、重量輕、攜帶方便、價格低廉、容易操作的要求，設計了一種基于MSP430的便攜式的喬木相對坐標測量儀。該設備由單片機、顯示屏、GPS模塊，存儲器以及藍牙模塊等電子元器件組成，以MSP430單片機為核心控制器件，通過串口與GPS模塊通信，接收GPS輸出的定位信息，轉化為喬木的相對坐標值，并將其值送入LCD實時顯示，存儲模塊存儲，藍牙模塊上傳到外設。文章介紹了GPS定位的基本原理，絕對坐標轉相對坐標的方法以及系統各部分的硬件及軟件實現，并對樣機進行了實測，結果表明：儀器精度上可以滿足實際工作需要，具有很好的實用性。

相對坐標；MSP430；GPS

1 引言

測定喬木的相對坐標是林業生產和森林資源調查的重點和難點，它是生態學研究中非常關鍵的測量指標，它不僅可以為喬木的生長檢測提供定位依據[1]，而且有利于建立喬木競爭模型，模擬喬木生長模型的發展趨勢。現階段測定喬木坐標的儀器有電子經緯儀和全站儀等，但這些儀器具有攜帶困難、操作繁瑣、使用復雜，對專業的知識需求較高等特點，更重要的一點是測得的數據都是待測點的絕對坐標值，想要獲得其相對參考點的坐標值，還要經過人為的計算。因此在森林調查工作中，能方便攜帶和操作的儀器越來越突顯其重要性。本文介紹的喬木相對坐標測量儀，很好的解決了上述難題，該儀器采用了GPS跟MSP430技術，能自動測量、顯示、存儲喬木的相對坐標值。

2 GPS系統

2.1GPS定位原理

以下用簡單的說明和圖解簡要說明GPS定位原理[2]：

設GPS模塊所在地（待測地點）坐標為（x，y，z），GPS模塊搜索到的衛星坐標為（Xn，Yn，Zn），衛星到GPS模塊的距離為Rn：（以下用三個衛星定位為例）

圖1　GPS定位原理圖

由以上圖片可知，要獲得待測點的坐標(X,Y,Z)，筆者得知道GPS模塊到各個衛星的距離：r1，r2，r3，以及各個衛星的坐標：（X1，Y1，Z1）、（X2，Y2，Z2）、（X3，Y3，Z3）。

距離（r1，r2，r3）的測量使用單程測量法：通過測量信號從衛星送到GPS模塊所用的時間，乘以信號傳播的速度，就可以得到GPS模塊到衛星的距離：r=CΔT

ΔT可以從接收機直接獲得，筆者可以把 GPS定位儀和GPS定位衛星的時間差異Ta當成一個未知變量，再增加一顆GPS定位衛星，即可通過求解四個等式的方程組，最后計算出四個未知數。

解方程，即可得出（x，y，z）坐標。

2.2絕對坐標轉相對坐標方法

絕對坐標指的是對整個地球而言，以本初子午線為y軸，以赤道為 x軸的坐標軸，即我們常說的經緯度；而相對坐標是指，為了監測、研究的方便或其他目的，通過自行設定的坐標軸（坐標原點、y軸、x軸、單位）所計算出來的坐標，即為相對坐標[3]。

相對坐標的計算公式具體如下：

X為相對坐標的橫坐標（km）；Y為相對坐標的縱坐標（km）；α相對坐標原點緯度（ddmm.mmmm）；β相對坐標原點經度（dddmm.mmmm）；α’為待測點緯度（ddmm.mmmm）；β’為待測點經度（dddmm.mmmm），Rw為緯線所在圓的半徑（km）；J為單位經度所跨的距離（km/°）。

下面的問題就是怎么求得Rw和J。以下通過

autoCAD2012軟件建立模型求單位經度所跨距離。

圖2　單位經度跨度距離計算模型圖

已知緯度為α（ddmm.mmmm），由于待測點不在赤道也不在兩極，因此地球的半取用平均半徑R=6371.393km。

Rw為緯線所在圓的半徑（km）；L’為緯線所在圓的周長（km）；J為單位經度所跨的距離（km/°）。

3 系統的硬件設計

3.1系統整體結構設計

喬木相對坐標測量儀硬件整體分為兩大部分：主控部分和GPS數據采集模塊。其中主控部分由MSP430F149單片機、鍵盤、液晶顯示、電源、外存儲器等模塊組成[4、5]。GPS數據采集模塊由GPS-NEO-6M-001芯片、RT9166-3.3IC芯片、天線以及一些外設組成。其系統結構框圖如圖3所示。

圖3　系統結構框圖

中央處理器：選用德州公司生產的低電壓、超低功耗MSP430F149芯片(工作電壓3.6V～1.8V，正常模式280微安，2.2V，待機模式1.6微安)[6]。MSP430F149是具有強大處理能力的具有16位總線的FLASH單片機。采用16位精簡指令集結構，16位總線，尋址范圍可達64K，具有統一的中斷管理，接口豐富，有較高的處理速度。該芯片為FLASH型，可以在線對其調試和下載，方便實用，且對環境和人體的輻射小，可靠性能好，加強電干擾不受影響，功耗低的特點，非常適合用于電池供電的便攜式測量儀。

GPS定位模塊：GPS模塊選用奮斗嵌入式開發工作室出品的一款高性能、強信號、抗干擾能力強的GPS定位芯片：GPS-NEO-6M-001[7]。該芯片接TTL電平，兼容3.3V和5V單片機系統，支持冷啟動、溫啟動、熱啟動，其中冷啟動為27秒，熱啟動時間為1秒。數據更新速率最高5HZ， 能夠快速一次定位，自主定位2.5m，SBAS(基于衛星的增強系統)2m，速度精度可達 0.1m/s。串口通信速率有 4800bps，9600bps，38400bps可選。

電源模塊設計：電源是任何一臺儀器的能源供給原件，任何一臺儀器都需要電源或其他能源作為能源供給來實現儀器的運行。對本設計而言，電源也是重要的組成部分之一。為了適應野外監測環境，電源要求容量大、續航能力強等，因此，本設計采用多渠道的能源供給，第一是可充電式5V鋰電池作為電源供給；第二是太陽能電池作為電源供給[8]。其中可充電式鋰電池作為喬木坐標測量儀的主要供電電源，太陽能電源作為應急電源、備用電源使用。

顯示模塊設計：考慮到儀器的體積、便于攜帶程度以及功率、能耗、續航能力等問題，選用體積小、能耗低、便于攜帶的液晶顯示模塊：LCM12864ZK。LCM12864ZK能夠顯示字母、數字、符號，具有睡眠、正常以及低功耗工作模式，可滿足便攜式儀器低功耗的需求[9]。MSP430f149與LCM12864ZK接口電路如圖4所示：MSP430f149及GPS模塊工作電壓是3.3V，但是LCM12864ZK

圖4　MSP430f149與LCM12864ZK接口電路

工作電壓是5V，故系統中加入電壓轉換模塊如圖5所示，其中P1和USB均為輸入接口，可以選擇其中一個作為5V輸入電源。AS1117-33為穩壓輸出芯片，穩定輸出3.3V電源為

MSP430f149單片機供電。

圖5　穩壓及電源電路

GPS定位模塊如圖6所示，該模塊由GPS-NEO-6M-001芯片、無源天線，板載充電電池以及一些外設構成。其中后備電池在主電源斷電后，可以維持半小時的GPS星歷保護。在該設計中，只需使用RXD1、TXD1、VCC和GND4個引腳便可以完成對GPS-NEO-6M-001芯片的設置。其中RXD1為串行數據接收引腳，TXD1為串行數據發送引腳，可直接與430的串口直接連接[10]。

4 系統的軟件設計

GPS-NEO-6M-001采用美國國家海洋電子協會針對海用電子設備制定的報文格式協議NMEA -0183協議。該GPS衛星數據報文使用ASCII碼編碼，該編碼比較直觀并且易于處理，其默認的輸出波特率為：38400bps，其包括8位數據位，1位起始位，1位終止位，沒有奇偶校驗。由于本設計所需要的衛星GPS數據不多，關鍵是經緯度，因此，為了節約RAM存儲空間，同時提高運算速度，采用GLL衛星數據報文格式[11]。其標準格式如下：

其中：緯度，格式：ddmm.mmmm；經度，格式：dddmm.mmmm；UTC格式：hhmmss；定位狀態：A為有效定位，V為無效定位；模式指示：A為自主定位，D為差分，E為估算，N為數據無效；回車以及換行。

2014年，林賽（天津）工業有限公司將繼續秉承客戶至上的原則，不斷為客戶提供優質、快捷、可行的服務。美國林賽噴灌機，為作物提供完美灌溉，為地球節約每一滴水！

4.1GPS信息接收軟件設計

該系統采用中斷方式接收并且處理 GPS傳送過來的數據信息，將其轉化為相對坐標值后，在LCD上顯示相關信息，因此系統軟件主要分一下幾個部分：GPS信息接收程序模塊、相對坐標轉換程序模塊、液晶顯示程序模塊。其工作過程如下：首先由GPS信息接收程序模塊接收數據報文，并判斷數據是否有效；若有效，相對坐標轉換程序模塊就會將 GPS數據報文的格式（ddmm.mmmm）轉換為可用的格式（dd.dddddd），將絕對坐標轉換為相對坐標；并將相對坐標的值送入LED上顯示。GPS信息接受程序的工作原理如圖7所示：

圖7　GPS數據報文接收程序流程圖

程序開始收到串口中斷信號，RI置0，找出報文首標識符”$”,若找到，開始接收報文數據，由報文可知，每個數據后都有“,”，對逗號“,”的數量進行統計就可以標識出不同數據的位置，當遇到結束標識符“*”時，就停止接收數據。在開始接受報文數據時，首先判斷數組data.top[]中的第五個和第六個字符分別是否為“L”、“L”，若是，表明接收到“$GPGLL”，當接收到一個逗號后，開始接收緯度數據，收到后將其ASCII碼轉化為十進制數，存入latitude[]數組中，然后依次接收南北，經度，東西以及狀態信號，當出現第六個逗號時，接收數據有效字符AV，A表示數據有效，V則表示數據無效，需要重新判斷接收，當接收到的狀態信號為A時，此時數據接收完畢，串口接收中斷標志清零。

4.2相對坐標轉換程序設計

由于從GPS模塊傳來的數據報文信息是度、分格式的，而我們測量的相對坐標值是米格式的，因此程序中必須加入相對坐標轉換程序。首先將將衛星緯度數據度、分格式轉化為含小數點的度格式，然后將得到的待測點緯度減去相對坐標原點緯度，得到緯度差值，接著調用絕對值函數，得到正的差值，最后調用縱坐標計算函數，并且將縱坐標的各個位分離，分別存入數組中。由相對坐標轉換原理可知，單位緯度所跨的距離是相同的，而單位經度所跨的距離是不同的，因而在編寫程序時，經度、緯度相對坐標轉換的方法有所不同，首選得到正的經度差值，這與緯度的原理一樣，得到經度差值后，計算待測點所在的經線的周長，接著調用單位經度所跨距離函數，最后調用橫坐標計算函數，并且將橫坐標的各個位分離，分別存入數組中。

4.3主程序設計

系統的主程序流程圖如圖8所示，首先對單片機以及顯示模塊初始化。選擇串口工作方式1，調用串口中斷服務子程序，對GSP信息進行提取，當信息采集完以后，將其轉化為相對坐標值，再發送到顯示模塊進行顯示，并將有用數據存儲起來。

圖8　系統主程序流程圖

5 樣機實測及精度分析

根據上述設計制作了基于MSP430單片機便攜式的喬木坐標測量儀樣機，我們首先通過軟件對測試坐標儀器進行校準后，才開始進行進一步模擬實際工作的坐標測量測試。我們選擇桂林電子科技大學花江校區14棟宿舍樓后方的小樹林作為樣塊，進行測試。其中實測結果如下表：（標準值由Google Earth得到）

表1　所選參考原點數據表

由表1可以看出，所選參考點的標準值與實測值幾乎相等。

表2　所選測量點數據表

由上表可以得出：

（1）通過計算求出平均差距，緯度：0.307246621米，經度：0.474226325米，即相對坐標測量精度為緯度：<0.5米，經度：<0.5米；

（2）由于坐標測量儀的精度一定，因而當測量點與相對坐標原點距離越近時，相對誤差越大，相反距離越大時，相對誤差越小；

誤差分析：在測量中，GPS定位衛星是不斷運動著的，衛星數據會產生偏差[12、13]；天氣影響，當時陰天，云層較厚，可能影響測量；儀器本身的機械誤差等。

6 結束語

圍繞便攜式儀器的低功耗、高精度這一原則，本研究設計了一種基于MSP430單片機的低功耗喬木坐標測量儀。通過模擬實際工作進行的實測，經過校正后，設計的坐標測量儀能夠很好地對森林中喬木坐標進行測量，精度上可以滿足實際工作需要，同時具有體積小，質量輕，便于攜帶，低成本，具有較強的實用性。

[1] 賈長久.森林調查設計適應環境保護的探索[J].吉林農業(學術版),2011,442(4):165-169.

[2] 王惠南.GPS導航原理與應用[M].北京:科學出版社,2003.

[3] 徐宗成.GPS衛星定位在測量工作中的坐標轉換[J].交通世界,2008,20(15):35-38.

[4] 李光飛.樓然苗.單片機課程設計實例指導[M].北京:北航出版社,2004.

[5] Jose Luiz Berg.The Integration Between EAI and SOA[J]. SOA Magazine,2011,12(9):231-235.

[6] 解寧波,曹紅松.基于單片機的GPS接收機設計[J].機械管理開發,2011,(4):45-48.

[7] 李斌.基于MSP430單片機的GPS定位系統設計[J].制造業自動化,2010,6(32):61-64.

[8] 馬蘭,袁衛.基于GPS的數據采集系統設計[J].現在電子技術,2010,(15):61-63.

[9] Mohammad Rehan,Goknur zu Akyuz.Enterpise Application Integration (EAI),Service Oriented Architectures(SOA) and their relevance to e-supply chain formation [J].African Journal of Business Management,2010,4(13):2604-2614.

[10] 佚名.GPS-NEO-6M-001芯片產品說明書[M].奮斗工作室,2010.

[11] 羅荻.提一種GPS定位系統接口電路的設計[J].電子技術與軟件工程,2014,5(3):139-142.

[12] 李成豐.提高 GPS測量精度的分析及措施[J].改革與開放,2009,54(11):177-180.

[13] 王炎.提高 GPS定位技術高程測量精度的要素及方法[J].北京測繪,2012,54(2):56-59.

Design of a portable treesrelativeCoordinates measuring instrument

In order to meet the requirement of forestry survey work on mobile handheld altimeter instrument which has the advantages of small size, light weight, convenient carrying, low price requirements, easy to operate, the design of a portable trees relative coordinate measuring instrument based on MSP430. The device is based on angle sensor, microcontroller, display, ultrasonic ranging module, GPS module, Bluetooth module and other electronic components. The MSP430 microcontroller as the core device to control the device, through the serial port module to communicate with the GPS, to receive location information, and the useful information into the LCD real-time display, storage module stores. This paper introduces the basic principle of GPS positioning,method of absolute coordinates into relative coordinates, the various parts of the system hardware and software and the prototype test. Results show that the instrument accuracy can meet the demand of practical work, which has the very good practicability.

Relative coordinates;MSP430;GPS

S758

A

1008-1151(2015)04-0073-04

2015-02-11

陳軍（1987-），男，桂林電子科技大學電子工程與自動化學院碩士研究生，研究方向為生態測量儀器；李林（1978-），女，桂林電子科技大學生命與環境科學學院副教授，研究方向為環境監測、生態測量儀器等。