基于Mega2560的轮胎吊区域定位的设计与实现_隋美娥.pdf

wwwele169com|83自动化技术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。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 810min，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。图 1 青岛前湾集装箱码头有限公司二期堆场图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。集装箱堆放区4集装箱堆放区2集装箱堆放区x道路 道路 道路集装箱堆放区1集装箱堆放区间距L间距L集装箱堆放区3卫星3卫星4移动体卫星1卫星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）基金项目：本文系2019年青岛港湾职业技术学院资助项目“基于GPS的港口集装箱轮胎吊运行调度与优化研究”的阶段性研究成果。（项目批准号：QDGW2019Z03）。摘要：本文以港口堆场中，轮胎式龙门起重机因停机时无法得知其实时场区位置，对现场实时调度造成困扰为出发点，利用Arduino Mega2560单片机和中科微电子ATGM336H定位模块，设计实现了轮胎吊实时位置监视系统，使调度员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，方便轮胎吊的实时调度管理，为进一步提高生产效率，降低生产成本，提供有力支持。关键词：轮胎吊；定位检测；Mega2560；ATGM336H单片机LCD显示上位机显示软件定位模块天线图 3 系统整体设计框图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.02084|电子制作 2023 年 1 月自动化技术务，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。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 128128 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MEGA2560定位模块带I2C总线LCD1602+5VVCC+5VVCCGNDGNDGNDGNDRXD（IO0）TXDSCL(IO21)SCLSDA(IO20)SDARXDTXDIO0IO1Arduino Mega 2560PG5/OC0B1PE0/RXD0/PCINT8/PDI2PE1/TXD0/PDO3PE2/XCK0/AIN04PE3/OC3A/AIN15PE4/OC3B/INT46PE5/OC3C/INT57PE6/T3/INT68PE7/ICP3/CLKO/INT79PH0/RXD212PH1/TXD213PH2/XCK214PH3/OC4A15PH4/OC4B16PH5/OC4C17PH6/OC2B18PB0/SS/PCINT019PB1/SCK/PCINT120PB2/MOSI/PCINT221PB3/MISO/PCINT322PB4/OC2A/PCINT423PB5/OC1A/PCINT524PB6/OC1B/PCINT625PB7/OC0A/OC1C/PCINT726PH7/T427PG3/TOSC228PG4/TOSC129RESET30XTAL233XTAL134PL0/ICP435PL1/ICP536PL2/T537PL3/OC5A38PL4/OC5B39PL5/OC5C40PL641PL742PD0/SCL/INT043PD1/SDA/INT144PD2/RXD1/INT245PD3/TXD1/INT346PD4/ICP147PD5/XCK148PD6/T149PD7/T050PG0/WR51PG1/RD52PC0/A853PC1/A954PC2/A1055PC3/A1156PC4/A1257PC5/A1358PC6/A1459PC7/A1560PJ0/RXD3/PCINT963PJ1/TXD3/PCINT1064PJ2/XCK3/PCINT1165PJ3/PCINT1266PJ4/PCINT1367PJ5/PCINT1468PJ6/PCINT1569PG2/ALE70PA7/AD771PA6/AD672PA5/AD573PA4/AD474PA3/AD375PA2/AD276PA1/AD177PA0/AD078PJ779PK7/ADC15/PCINT2382PK6/ADC14/PCINT2283PK5/ADC13/PCINT2184PK4/ADC12/PCINT2085PK3/ADC11/PCINT1986PK2/ADC10/PCINT1887PK1/ADC9/PCINT1788PK0/ADC8/PCINT1689PF7/ADC7/TDI90PF6/ADC6/TDO91PF5/ADC5/TMS92PF4/ADC4/TCK93PF3/ADC394PF2/ADC295PF1/ADC196PF0/ADC097AREF98AVCC100RESETIO22IO23IO24IO25IO26IO27IO29IO28IO53IO52IO51IO50IO10IO11IO12IO13IO37IO36IO35IO34IO33IO32IO31IO30IO21IO20IO19IO18IO38IO0IO1IO5IO2IO3AREFAD0AD1AD2AD3AD4AD6AD5AD7IO41IO40IO39IO4IO17IO16IO6IO7IO8IO9IO15IO14AD8AD9AD10AD11AD12AD13AD14AD15IO49IO48IO47IO46IO45IO44IO43IO42+5V+5VLED&ResetIO13RESETAD0AD1AD2AD3AD4AD5IO54IO55IO56IO57IO58IO59AD6AD7AD8AD9AD10AD11IO60IO61IO62IO63IO64IO65AD12AD13AD14AD15IO14IO15IO66IO67IO68IO69TXD3RXD3IO16IO17IO18IO19IO20IO21TXD2RXD2TXD1RXD1SDASCLSSMOSIMISOSCKIO53IO51IO50IO52120.129270,N36.009138,E10TXRXGPSVGPSXmodem,Ymodem,ZmodemVT52,VT100,ANSIRXDRTSTXDCTSSERIAL0Xmodem,Ymodem,ZmodemVT52,VT100,ANSIRXDRTSTXDCTSSERIAL1IO0IO1IO0IO1IO18IO19D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3LCD1LM016LSCL14SDA15INT13A01A12A23P04P15P26P37P49P510P611P712U2PCF8574IO21IO20+5VGPS模块带IIC总线的LCD1602图 4 基于 Mega2560 的 GPS 定位系统硬件接线图wwwele169com|85自动化技术 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。输入输出口，LCD初始化GPS初始化完成？网络连接成功？是否获取GPS数据？解析GPS数据是否是是否否是开始输出解析后的数据LCD显示等待接收到信息 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)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26组数据，当第组数据为字符 A 时，说明当前定位是有效的，此时第 36 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_Buffer80;bool isGetData;/是否获取到 GPS 数据 bool isParseData;/是否解析完成 char UTCTime11;/UTC 时间 char latitude11;/维度 char N_S2;/N/S char longitude12;/经度 char E_W2;/E/W bool isUsefull;/定位信息是否有效Save_Data;第组数据为维度（latitude），第 4 组数据为维度分区（N_S），第组数据为经度（longitude），第 6 组数据为经度分区（E_W）。如果第组数据是字符 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（a）未测试前电路（b）测试中电路（c）与高德 API 连接调试图 6 实际硬件电路与实验效果图（下转第 29 页）wwwele169com|29智能应用信小程序后端调用 wx.requset()获取小车位置的信息。图10、图 11 是与之对应的微信小程序用户端界面。图 8 配送单号输出框图 9 小车位置输出框 图 10 订单查询界面 图 11 小车实时位置5 结语本文设计了一套基于 STM32 的物联网智能小车配送系统，通过 STM32 作为主控制单元，协调各模块工作，将货物准确无误地配送到目的地并安全返回。其中包括将小车位置和订单配送状态在微信小程序中显示等。重点在于用户用微信小程序通过 HTTPS 协议发布需求到 OneNET 云平台，OneNET 云平台再通过 HTTP 协议与终端进行连接，从而达到数据传输的目的。从系统的整体上来看，制作成本较低，软件程序的可调性较高，能够应对较为复杂的环境变化和挑战。该智能小车配送系统在目前的校园配送中前景较好，尤其疫情当下，采用智能车配送服务既符合疫情封闭管理的措施，又能为人们提供便捷、安全可靠的服务。参考文献 1 唐慧娜.基于 STM32 单片机的无接触式外卖配送车设计 J.电子技术与软件工程,2022(11):156-159.2 洪海慧,牛建辉.基于 STM32 的医院智能配药系统设计 J.无线互联科技,2022,19(06):70-71.3 杨小龙,唐傲,孙少聪,柳超凡,余鹏,张澳,罗晶凡,余祥.智能识别送货机器人 J.电子世界,2021(12):21-22.4 杨钥,李树雪,刘玉利.“最后一公里”校园物流配送平台系统设计 J.电脑知识与技术,2019,15(21):278-279.5郑文超,舒健,宋煜,朱兴海.基于STM32的智能快递系统J.中国新技术新产品,2017(13):10-11.6 陈涛,张煊赫,余春.基于 STM32 单片机的寝室自动配送服务机器人 J.科学技术创新,2021(14):71-72.7 代成,程永杰,蒋涛,许林.校园智能车定位导航系统设计与实现 J.成都信息工程大学学报,2021,36(06):634-640.8 梁晓妮,楚朋志,肖雄子彦.基于 OpenCV 图像处理的智能车巡线系统设计 J.传动技术,2022,36(01):15-18.通信作者：刘舒祺。（上接第 85 页）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。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。参考文献 1Junqing,Yang.A New Automatic Identification System of RTG crane in Container TerminalJ.ICAL,2014:1051-054.2 李建忠，韩晓龙.集装箱港口堆场轮胎式龙门起重机的动态优化配置 J.上海海事大学学报.2005.(3)：44-48.3 卫凯龙,王泉,刘海亮,等.基于 Arduino 的定位系统设计 J.电视技术,2021，45(4):108-113.4李家俊.简易Arduino GPS记录器J.无线电.2013.(10):43-45.