位置跟踪

草图笔记由 Nitya Narasimhan 绘制。点击图片查看大图。

预习测验

预习测验

引言

将农产品从农场送到消费者手中的主要过程涉及将装满货物的箱子装载到卡车、轮船、飞机或其他商业运输工具上，并将食品运送到某个地方——直接送到客户手中，或送到中央枢纽或仓库进行加工。从农场到消费者的整个端到端过程称为“供应链”。亚利桑那州立大学W.P.凯里商学院制作的一段视频详细介绍了供应链的概念及其管理方式。

点击上面的图像观看视频

通过在供应链中添加物联网设备，可以显著提高效率，使您能够更好地管理物品的位置、规划运输和货物处理，并更快地应对问题。

当管理一个车辆车队时，例如卡车，知道每辆车在给定时间的位置是非常有帮助的。这些车辆可以配备GPS传感器，将它们的位置发送到物联网系统，使所有者能够精确定位它们的位置，查看它们所走的路线，并知道它们何时到达目的地。大多数车辆在WiFi覆盖范围之外运行，因此它们使用蜂窝网络来发送这种类型的数据。有时，GPS传感器会集成到更复杂的物联网设备中，如电子行车记录仪。这些设备会跟踪卡车在运输途中行驶了多长时间，以确保驾驶员遵守当地关于工作时间的规定。

在这节课中，您将学习如何使用全球定位系统（GPS）传感器来跟踪车辆的位置。

在这节课中，我们将涵盖以下内容：

• 联网车辆
• 地理坐标
• 全球定位系统（GPS）
• 读取GPS传感器数据
• NMEA GPS数据
• 解码GPS传感器数据

联网车辆

物联网正在通过创建“联网车辆”车队来改变商品的运输方式。这些车辆连接到中央IT系统，报告其位置和其他传感器数据。拥有联网车辆车队具有广泛的好处：

• 位置跟踪 - 您可以在任何时间精确定位车辆的位置，从而实现以下功能：

  • 在车辆即将到达目的地时收到警报，以便准备卸货队伍
  • 定位被盗车辆
  • 将位置和路线数据与交通问题结合起来，允许您在行程中途重新规划路线
  • 符合税务要求。一些国家根据车辆在公共道路上行驶的里程数收取费用（例如新西兰的RUC），因此了解车辆是在公共道路还是私人道路上行驶，有助于更容易计算应缴税款。
  • 在发生故障时知道派遣维修人员的位置

• 司机遥测 - 能够确保司机遵守速度限制、适当转弯、提前高效制动以及安全驾驶。联网车辆还可以安装摄像头来记录事故。这可以与保险挂钩，为表现良好的司机提供折扣。

• 司机工作时间合规 - 确保司机只在允许的工作时间内驾驶，基于他们启动和关闭引擎的时间。

这些好处可以结合起来——例如，结合司机工作时间合规性和位置跟踪，如果司机无法在允许的驾驶时间内到达目的地，则可以重新规划路线。这些也可以与其他车辆特定的遥测数据相结合，例如温度控制卡车中的温度数据，以允许车辆在当前路线会导致货物温度失控的情况下重新规划路线。

物流是将商品从一个地方运输到另一个地方的过程，例如从农场到超市经过一个或多个仓库。农民将装满西红柿的箱子装载到卡车上，运送到中央仓库，然后装入另一辆可能包含不同种类货物的卡车，最终运送到超市。

车辆跟踪的核心组件是GPS——能够在全球任何地方精确定位的传感器。在这节课中，您将学习如何使用GPS传感器，从了解如何定义地球上的位置开始。

地理坐标

地理坐标用于定义地球表面的点，类似于在计算机屏幕上绘制像素点或在十字绣中定位针脚的方式。对于一个单独的点，您有一个坐标对。例如，位于美国华盛顿州雷德蒙德的微软园区的坐标是47.6423109, -122.1390293。

纬度和经度

地球是一个球体——一个三维圆。由于这个原因，点被划分为360度，与圆的几何形状相同。纬度测量南北方向的度数，经度测量东西方向的度数。

没有人真正知道为什么圆被划分成360度。维基百科上的角度（度）页面涵盖了其中的一些可能原因。

纬度是用环绕地球并平行于赤道的线来测量的，将北半球和南半球各分为90°。赤道位于0°，北极位于90°，也称为90°北，而南极位于-90°，即90°南。

经度是以东、西方向的度数来测量的。经度的0°原点被称为“子午线”，是在1884年定义的一条从北极到南极穿过英国皇家格林尼治天文台的线。

子午线是一条从北极到南极的假想直线，形成一个半圆。

要测量一个点的经度，您需要测量它所在的子午线从子午线原点绕过赤道到该点的距离。经度从-180°（或180°西）、通过子午线原点的0°到180°（或180°东）。180°和-180°表示同一个点，即反子午线或第180子午线。这是地球对面与子午线相对的一条子午线。

反子午线不应与国际日期变更线混淆，虽然它们大致处于同一位置，但国际日期变更线不是一条直线，而是为了适应地缘政治边界而有所变化。

✅ 进行研究：尝试找到您当前位置的纬度和经度。

度、分和秒 vs 十进制度

传统上，纬度和经度的测量使用六十进制计数法，即基数为60，这是古巴比伦人使用的计数系统，他们首先进行了时间和距离的测量和记录。您每天都在使用六十进制计数法，可能甚至没有意识到——将小时分为60分钟，将分钟分为60秒。

经度和纬度以度、分和秒来测量，一分等于一度的六十分之一，一秒等于一分的六十分之一。

例如，在赤道上：

• 1°的纬度是111.3公里
• 1分的纬度是111.3/60 = 1.855公里
• 1秒的纬度是1.855/60 = 0.031公里

分的符号是单引号，秒的符号是双引号。例如2°17'43"写作2°17'43"。秒的部分以小数形式给出，例如半秒写作0°0'0.5"。

计算机不使用六十进制，所以在大多数计算机系统中使用GPS数据时，这些坐标以十进制度给出。例如，2°17'43"是2.295277。通常省略度符号。

坐标总是以latitude, longitude的形式给出，所以前面提到的微软园区的坐标47.6423109,-122.117198具有：

• 纬度为47.6423109（赤道以北约47.6423109度）
• 经度为-122.1390293（子午线原点以西122.1390293度）

全球定位系统（GPS）

GPS系统使用围绕地球轨道运行的多颗卫星来确定您的位置。您可能在不知不觉中使用了GPS系统——例如在手机的地图应用程序上查找您的位置，如Apple Maps或Google Maps，或者在使用叫车应用（如Uber或Lyft）查看车辆位置，或者在汽车中使用卫星导航（sat-nav）。

卫星导航中的卫星就是GPS卫星！

GPS系统通过使用多颗卫星，每颗卫星都发送包含其当前位置和准确时间戳的信号。这些信号通过无线电波发送，并由GPS传感器中的天线检测到。GPS传感器会检测这些信号，并使用当前时间来测量信号从卫星传达到传感器所需的时间。由于无线电波的速度是恒定的，GPS传感器可以通过接收到的时间戳来计算出传感器与卫星之间的距离。通过至少使用三颗卫星的数据和发送的位置信息，GPS传感器就能够精确定位地球上自己的位置。

GPS传感器需要天线来接收无线电波。装有车载GPS的卡车和汽车上的天线通常放置在挡风玻璃或车顶，以获得良好的信号。如果您使用的是独立的GPS系统，例如智能手机或物联网设备，则需要确保GPS系统或手机内置的天线具有清晰的天空视野，例如安装在挡风玻璃上。

GPS卫星围绕地球旋转，而不是固定在传感器正上方，因此位置数据包括海拔高度以及纬度和经度。

GPS过去受到美国军方的限制，限制精度约为5米。2000年取消了这一限制，允许精度达到30厘米。但由于信号干扰，这种精度并不总能得到保证。

✅ 如果您有一部智能手机，请打开地图应用，看看您的位置有多精确。可能需要一段时间才能检测到多颗卫星以获得更准确的位置。

卫星上装有原子钟，极其准确，但每天与地球上的原子钟相比会漂移38微秒（0.0000038秒），这是由于爱因斯坦的狭义和广义相对论预测的时间变慢效应——卫星比地球自转得快。这种漂移被用来验证狭义和广义相对论的预测，并且必须在GPS系统的设计中加以调整。时间确实会在GPS卫星上变慢。

GPS系统是由多个国家和政治联盟开发和部署的，包括美国、俄罗斯、日本、印度、欧盟和中国。现代GPS传感器可以连接到这些系统中的大多数，以获得更快、更准确的定位。

每个部署中的卫星群被称为星座。

读取GPS传感器数据

大多数GPS传感器通过UART发送GPS数据。

⚠️ UART已在项目2，第2课中介绍。如有需要，请参考该课程。

您可以使用物联网设备上的GPS传感器来获取GPS数据。

任务 - 连接GPS传感器并读取GPS数据

按照相关指南使用您的物联网设备读取GPS数据：

• Arduino - Wio终端
• 单板计算机 - Raspberry Pi
• 单板计算机 - 虚拟设备

NMEA GPS数据

当您运行代码时，可能会看到输出中出现看似乱码的内容。实际上，这实际上是标准的GPS数据，所有内容都有意义。

GPS传感器使用NMEA消息输出数据，采用NMEA 0183标准。NMEA是美国海洋电子协会（National Marine Electronics Association）的缩写，这是一个制定海上电子产品通信标准的贸易组织。

这个标准是专有的，售价至少为2000美元，但足够多的信息已经公开，大多数标准已经被逆向工程并在开源和其他非商业代码中使用。

这些消息是文本格式的。每个消息由一个以$字符开头的句子组成，后跟两个字符表示消息来源（例如GP代表美国GPS系统，GN代表GLONASS，即俄罗斯的GPS系统），三个字符表示消息类型。其余部分由逗号分隔的字段组成，以换行符结束。

可以接收到的一些消息类型如下表所示：

GPS数据包括时间戳，因此您的物联网设备可以从GPS传感器获取时间，而不必依赖NTP服务器或内部实时时钟。

GGA消息包括使用(dd)dmm.mmmm格式的当前位置，以及一个字符来指示方向。d是度数，m是分钟，秒数作为分钟的小数部分。例如，2°17'43"将是217.716666667——2度，17.716666667分钟。

方向字符可以是N或S，表示纬度的北或南方向，以及E或W，表示经度的东或西方向。例如，纬度2°17'43"的方向字符是N（北），而-2°17'43"的方向字符是S（南）。

例如，NMEA句子$GNGGA,020604.001,4738.538654,N,12208.341758,W,1,3,,164.7,M,-17.1,M,,*67

• 纬度部分是4738.538654,N，转换为十进制度数为47.6423109。4738.538654是47.6423109，方向是N（北），所以它是正纬度。

• 经度部分是12208.341758,W，转换为十进制度数为-122.1390293。12208.341758是122.1390293°，方向是W（西），所以它是负经度。

解码GPS传感器数据

与其使用原始的NMEA数据，不如将其解码成更有用的格式。有许多开源库可以帮助您从原始NMEA消息中提取有用的数据。

任务 - 解码GPS传感器数据

按照相关指南使用您的物联网设备解码GPS传感器数据：

• Arduino - Wio终端
• 单板计算机 - Raspberry Pi/虚拟物联网设备

挑战

编写自己的NMEA解码器！与其依赖第三方库来解码NMEA语句，您能否自己编写解码器以从NMEA语句中提取纬度和经度？

课后测验

课后测验

复习与自学

• 阅读更多有关地理坐标的信息，参阅维基百科上的地理坐标系页面。
• 阅读有关其他行星子午线的信息，参阅维基百科上的子午线页面
• 研究来自不同世界政府和政治联盟的各种不同的GPS系统，如欧盟、日本、俄罗斯、印度和美国的系统。

作业

调查其他GPS数据

声明:
本文件灏天文库团队进行了翻译。尽管我们力求准确，但请注意，翻译可能包含错误或不准确之处。原文档以其原始语言为准。我们不对因使用此翻译而产生的任何误解或误译负责。