基于Mega2560的轮胎吊区域定位的设计与实现

隋美娥

（青岛港湾职业技术学院 信息与电气工程学院，山东青岛，266404）

0 引言

轮胎式龙门起重机,简称轮胎吊，作为港口集装箱堆场装卸的主要设备之一，其工作效率直接关乎海侧的桥吊和集卡的协同作业，影响船舶进出港的效率。以青岛前湾集装箱码头有限公司二期堆场为例，如图1所示。由于地理位置限制，部分堆场区域较小，而轮胎吊体积大、成本高，通常堆场配置的轮胎吊数量小于堆场分区数[1]。

图1 青岛前湾集装箱码头有限公司二期堆场图

多轮胎吊在箱区间调度，经常会出现轮胎吊转动轮胎90度实现转场的需求。轮胎吊转场缓慢，每次转场都要花费8~10min，为了节能减排，在实际调度中，为使轮胎吊移动距离和转场次数较少，调度员通常会就近安排轮胎吊进行作业。而目前，轮胎吊只有在工作时根据PLC传回的信号才知道所在的场区，如果轮胎吊停机，调度室无法得知其位置，对现场实时调度造成很大困扰。为进一步提高生产效率，降低生产成本，方便轮胎吊的实时调度管理，使管理者可以在电子地图上远程监视集装箱堆场内所有轮胎吊的工作状态和位置，成为亟待解决的问题。

本文为解决上述问题，利用Arduino Mega2560单片机结合定位模块，设计实现了轮胎吊实时位置监测显示，并进行了实际硬件测试。

1 系统整体设计

测控系统单元安装在每一个轮胎吊的驾驶室上，监控系统运行于原来的箱控室内，监控系统以无线通讯的方式与每一个运动的测控单元保持数据双向传输。堆场箱区与轮胎吊定位示意图如图2所示。在箱控室内的操作人员可以通过监控系统远程读取目标轮胎吊的位置信息，同时，可实时发送控制命令或作业任务至轮胎吊驾驶室。当无新的作业任务下达时，监控系统实时读取轮胎吊的位置和状态信息，并将整个工作区的轮胎吊位置显示在电子地图上。当有新的作业任务时，操作人员可以利用监控系统的人机交互功能，向系统下达装载任务。监控系统可以根据作业目标箱区的位置和各轮胎吊的实时位置和状态，根据设定的目标要求计算出最佳的调度方案[2]。

图2 堆场箱区与轮胎吊定位示意图

测控系统的主要任务为通过LCD显示屏和上位机软件进行轮胎吊位置信号的实时显示。这里，要完成控制系统任务，主要分定位检测，控制处理，显示监视等功能，其系统整体框图如图3所示。通过GPS天线收集卫星信号，GPS模块获得卫星数据并进行解析，从而得到经度、维度、时间等重要信息，通过上位机接口与高德地图进行连接，从而获得可视化的地理信息[3]。

图3 系统整体设计框图

2 系统功能实现

■ 2.1 硬件模块选择

(1)定位模块：轮胎吊的位置和状态关乎调度的有效性和科学性，因此，轮胎吊的定位研究是本项目的主要内容之一。室外的运动物体的定位方式大多是基于GPS或北斗系统，GPS差分的定位方式精准，但需要建立专用的基站，价格贵成本高。另外，单GPS模块的价格根据定位精度不同也有很大的差别，为最大程度的降低成本，本项目拟采用中科微电子ATGM336H的射频基带一体化导航芯片，体积小，功耗低，定位模块标称定位精度为2 5mCEP，意思有50%的概率能定在半径为2 5m的圆内，可以满足现场需求。且此模块支持 BDS（北斗卫星导航系统）+GPS（美国全球定位系统）双模联合定位。多模联合定位与单 GPS 定位相比，可有效改善恶劣环境，如小区、高架等的卫星遮挡问题，使得定位更准确，定位率更高[4]。

(2)控制模块：控制处理采用Arduino系列的Mega2560单片机，其具有54路数字输入输出端口，可实现串口通信，增加了两个管脚SDA和SCL支持I2C接口，方便与GPS进行通信及后续的显示电路连接。

(3)显示模块：显示单元主要完成经纬度的显示，这里，为使控制系统接线简单，这里，采用带I2C总线的LCD1602液晶屏，不需要占用太多接口，后续随着项目复杂度提高，显示的信息增多，可以再将其替换为TFT144 128×128液晶显示屏。

■2.2 硬件电路主要模块接线

本项目硬件电路主要用到的模块为，单片机Mega2560,定位模块ATGM336H，带I2C总线的LCD1602液晶屏，项目所需要用到的管脚和他们之间的连接，如表1所示，这里，Mega2560的RXD(IO0)与定位模块的TXD连接，而定位模块的RXD在实物连接时可以不接，但在Proteus时需连接到Mega2560的TXD(IO1)端口。带I2C总线的LCD1602液晶显示屏,利用芯片PF8574和LCD1602组成，集成之后，只需4根线（VCC，GND，SDA，SCL）就可以完成显示，其中，SCL为时钟控制线，SDA为数据线，分别接到Mega2560的SCL(IO21)，SDA(IO20)，其硬件接线图如图4所示。

表1 模块管脚线路连接

图4 基于Mega2560的GPS定位系统硬件接线图

■ 2.3 软件功能实现

软件的设计内容包括串口通讯模块，GPS数据的提取算法，GPS数据的保存，GPS位置的显示。其中，GPS信号的定位检测以及如何在LCD上显示相应的经纬度信息，其软件的控制程序流程图，如图5所示。

图5 GPS信号读取显示程序流程图

2.3.1 GPS 信号读取及解析

本设计选用GPRMC格式的数据作为定位数据，主要包括定位状态判断，经纬度数据的提取，数据的记录及实时显示。为方便说明将GPRMC格式简介如下：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>

(1)标准定位时间（UTC time）格式：时时分分秒秒 秒秒秒（hhmmss sss）。

(2)定位状态，A = 数据可用，V = 数据不可用。

(3)纬度，格式：度度分分 分分分分（ddmm mmmm）。

(4)纬度区分，北半球（N）或南半球（S）。

(5)经度，格式：度度分分 分分分分。

(6)经度区分，东（E）半球或西（W）半球

对于本设计，用到第2~6组数据，当第2组数据为字符A时，说明当前定位是有效的，此时第3~6组数据分别是纬度信息和经度信息。在程序实现时，定义Save Data 的struct结构体将需要保存的数据进行定义，如下所示：

struct {

char GPS_Buffer[80];

bool isGetData; //是否获取到GPS数据

bool isParseData; //是否解析完成

char UTCTime[11]; //UTC时间

char latitude[11]; //维度

char N_S[2]; //N/S

char longitude[12]; //经度

char E_W[2]; //E/W

bool isUsefull; //定位信息是否有效

}Save_Data;

第3组数据为维度（latitude），第4组数据为维度分区（N_S），第5组数据为经度（longitude），第6组数据为经度分区（E_W）。如果第2组数据是字符V时，说明当前是无效定位。

2.3.2 LCD 显示经纬度信息

完成经纬度的提取后，这一组数据被保存到电脑中的一个文件中，同时，这组数据经相应的转换后，被映射到地图的相应的位置上，这样就实现了实时在线的可视显示。LCD1602实现经纬度显示的部分代码如下所示：

lcd setCursor(0,0); // LCD的第一行

lcd print("LAT:"); // LCD 显示“LAT:”

lcd print(Save_Data latitude);//GPS 的纬度值

lcd print(Save_Data N_S); //GPS 的维度分区

lcd setCursor(0,1); // LCD的第二行

lcd print("LGT:"); // LCD 显示“LGT:”

lcd print(Save_Data longitude);// //GPS 的经度值

lcd print(Save_Data E_W); //GPS 的经度分区

delay(10); //延时

3 系统实验调试

为了验证设计方案的有效性，搭建了实物硬件电路并进行了测试，实验场所为学校实验室，图6为实际硬件电路与实验效果图。通过实际硬件测试，LCD屏幕上可以准确显示当前位置的经纬度信息，将当时实际的经纬度与高德地图的API接口连接，可以实时显示其地理位置，很好的解决了定位问题。

图6 实际硬件电路与实验效果图

4 结语

本项目利用BDS+GPS双模定位模块和Mega2560单片机，解决了当前轮胎吊实时调度时，无法准确获知其具体位置的难题，采用虚拟仿真和硬件实物两种不同载体，分别验证了文中所述方法的有效性，为一步调度员进行优化调度奠定基础。