基于GPS模塊便攜式面積測試儀

論文關鍵詞：農田面積測量儀GPS精細農業(yè)

論文摘要：全球定位系統(tǒng)在精細農業(yè)中起著十分重要的作用，本文利用GPS的定位功能，研制了農田面積快速測量儀。測量儀由低成本的GPS模塊、單片機數據采集板、健盤及LCD顯示等組成.給出了GPS定位信息的獲取技術，多邊形農田面積的計算方法，測量儀軟硬件的設計原理等。試驗結果表明測量儀能夠快速剛量任意形狀農田的面積，相對測量誤差小于2%，并且農田面積愈大，測量的相對精度愈高。

農田面積是農業(yè)生產管理中最基礎的數據之一，田塊的大小直接決定了種子、化肥、農藥等生產資料的投人量，也是農業(yè)機械進行田間作業(yè)計算工時和收費的主要依據。傳統(tǒng)的農田面積大多使用皮尺測量，簡單實用，但只適合于小面積的矩形狀田塊，對于大面積的田塊，則費時費力，易出差錯，并且難以測量不規(guī)則田塊的面積GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠提供實時的經度、緯度、高程等導航和定位信息，是支撐精細農業(yè)實踐的核心技術之一。利用GPS的定位功能，能夠測量農田各個點的坐標，從而為通過數學方法計算農田的距離、面積等數據提供了可能。本文采用低成本的GPS模塊研制了便攜式農田面積測量儀，實現(xiàn)對任意形狀田塊的面積進行快速的GPS定位測量。1GPS定位信息的獲取

通過GPS接收機就可以獲得GPS的定位信息。常用的GPS接收機可分為測量、導航、掌上機、OEM板等多種類型，其性能和價格差別很大，如美國Trimble公司生產的AgGPS332是差分型GPS接收機，具有亞米級的定位精度，在精細農業(yè)中應用相當廣泛，但價格較高，體積大、功耗高，不適合用于便攜式儀器。為了便于攜帶大多采用GPS模塊進行二次開發(fā)接收機。

GPS模塊支持NMEA-0183標準，可通過RS-232C串行口輸出定位信息，NMEA-0183語句是一組由ASCII字符組成的字符串，以“$”字符開頭，以回車換行符結束，中間為數據段及校驗和，數據段之間以逗號分隔。GPS塊能夠輸出多種格式的NMEA語句如$GPGGA,$GPGLL,$GPZDA,$GPRMC等，不同的語句包含不同的GPS信息。

在農田面積定位測量中采用了推薦的$GPRMC語句格式。$GPRMC語句中包含了常用的GPS定位信息，如經度、緯度、速度、日期、時間、接收機狀態(tài)等。該語句共由75字符組成，各個數據段在語句中的位置是固定的，如緯度數據位于字符串的第19至27字節(jié)，經度數據位于第31至40字節(jié)。讀取相應區(qū)域的數據即可得到所需的定位信息，然后將經緯度字符串轉換成數字，再進一步計算距離或面積。2面積就算方法

手持GPS接收機沿農田的邊界繞行一周，可測量到一組由多個點組成的定位數據，按時間次序依次記為,,…,(Xn,Yn)，其中X表示經度，Y表示維度。將這些點依次連接線，則構成有n個頂點的多邊形。

由于地球是一個橢球，為了精確計算距離或面積，一般采用投影的方式轉換成平面坐標。然而投影法計算十分復雜，難以在單片機中實現(xiàn)。為了簡化計算，我們將地球視為正球體。農田測量中的距離較短，面積較小，通常小于1km，因此由于簡化帶來的誤差可忽略不計。取地球半徑為6371116m，則可轉換成平面坐標,R為地球半徑，x為經度/m,y為緯度/m則在地球表面Y經度處，經度差、緯度差各為一度的方格面積為A，，

由于x、y的數值較大，如果直接來計算面積，會導致極大的計算誤差。因此將第一點作為坐標原點，以相對偏移量構成新的坐標系如圖所示。對于多邊形圖形，可采用梯形法計算面積如由2,3兩個點組成的梯形(圖中的陰影部分)，其面積為:

則有n點構成的農田面積為：

其中：，。圖2測量儀結構框圖3測量儀設計

測量儀主要由GPS模塊、通訊接口、STC89s52單片機、鍵盤及顯示等電路組成。本研究采用美國合眾思達公司的新月-HC12AGPS模塊，進行開發(fā)，GPS模塊用于接收GPS衛(wèi)星信號，并以NMEA格式輸出定位信息。該模塊是一款單頻12通道接收機、內置天線、上電復位電路、信號接口等電路，采用供電，DGPS差分精度小于米，獨有的Coast技術在差分信號丟失的情況下仍可保持精度，專利的E-Dif自差分技術可在無差分信號狀態(tài)獲得高精度小于1米，體積只有**12mm。極低的功耗，非常適合便攜式電池供電測量系統(tǒng)。

系統(tǒng)的工作原理以STC89s52為系統(tǒng)核心處理器，實現(xiàn)GPS數據接收、處理、面積計算、顯示、存儲等功能。GPS模塊接收GPS衛(wèi)星信號，并將定位信息通過RS-232串行口輸出;通訊接口將RS-232電平的串行信號轉換為TTL電平并輸人單片機的串行口;單片機在軟件的控制下對定位信息進行處理，接收鍵盤命令，并將相應的運算結果在LCD顯示器上顯示或存儲到串行E2PROM存儲器中。

單片機軟件使用C51語言編寫，在Keil環(huán)境下編譯和調試.軟件主要包括GPS數據接收、面積計算、鍵盤掃描、顯示輸出等模塊.單片機通過串行口以中斷方式接收GPS模塊的定位信息，串口參數設置為9600波特率，8數據位，1停止位的核心部分，無校驗位.串口中斷程序是軟件的核心部分其流程如圖3所示。4試驗與討論

開闊農田中進行試驗，為了便于計算，選擇了一個矩形田塊，用皮尺測得田塊長32m，寬28m，面積為896m2測量時，手持測量儀繞田塊進行測量，測量儀顯示測量結果。每個測量點的經度和緯度數據存儲在測量儀的E2PROM中，測量完后通過串行口上傳到計算機中。采用地理信息系統(tǒng)軟件ARCVIEW對測量數據進行圖形化處理，圖4為3次GPS定位測量所獲得的軌跡是在不同位置上的3個矩形。雖然這3個矩形位置存在較大偏移，但都保持了很好的矩形狀，面積基本相似。這說明單機GPS定位時存在與時間有關的漂移誤差，精度較差，但是在短時間內的漂移不大，因而用GPS定位測量所獲得的軌跡形狀基本相似，測量結果基本相同。平均值885m2，平均相對誤差%，小于2%，表明GPS測量儀具有很好的測量精度。同時我們發(fā)現(xiàn)隨著測量面積的增加測量精度越高。5結論

在精細農業(yè)生產管理中，農田面積的快速實時測量十分必需