隋美娥

（青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院，山東青島，266404）

0 引言

輪胎式龍門起重機(jī),簡稱輪胎吊，作為港口集裝箱堆場裝卸的主要設(shè)備之一，其工作效率直接關(guān)乎海側(cè)的橋吊和集卡的協(xié)同作業(yè)，影響船舶進(jìn)出港的效率。以青島前灣集裝箱碼頭有限公司二期堆場為例，如圖1所示。由于地理位置限制，部分堆場區(qū)域較小，而輪胎吊體積大、成本高，通常堆場配置的輪胎吊數(shù)量小于堆場分區(qū)數(shù)[1]。

圖1 青島前灣集裝箱碼頭有限公司二期堆場圖

多輪胎吊在箱區(qū)間調(diào)度，經(jīng)常會出現(xiàn)輪胎吊轉(zhuǎn)動輪胎90度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)場的需求。輪胎吊轉(zhuǎn)場緩慢，每次轉(zhuǎn)場都要花費(fèi)8~10min，為了節(jié)能減排，在實(shí)際調(diào)度中，為使輪胎吊移動距離和轉(zhuǎn)場次數(shù)較少，調(diào)度員通常會就近安排輪胎吊進(jìn)行作業(yè)。而目前，輪胎吊只有在工作時根據(jù)PLC傳回的信號才知道所在的場區(qū)，如果輪胎吊停機(jī)，調(diào)度室無法得知其位置，對現(xiàn)場實(shí)時調(diào)度造成很大困擾。為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，方便輪胎吊的實(shí)時調(diào)度管理，使管理者可以在電子地圖上遠(yuǎn)程監(jiān)視集裝箱堆場內(nèi)所有輪胎吊的工作狀態(tài)和位置，成為亟待解決的問題。

本文為解決上述問題，利用Arduino Mega2560單片機(jī)結(jié)合定位模塊，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輪胎吊實(shí)時位置監(jiān)測顯示，并進(jìn)行了實(shí)際硬件測試。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)單元安裝在每一個輪胎吊的駕駛室上，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行于原來的箱控室內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)以無線通訊的方式與每一個運(yùn)動的測控單元保持?jǐn)?shù)據(jù)雙向傳輸。堆場箱區(qū)與輪胎吊定位示意圖如圖2所示。在箱控室內(nèi)的操作人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程讀取目標(biāo)輪胎吊的位置信息，同時，可實(shí)時發(fā)送控制命令或作業(yè)任務(wù)至輪胎吊駕駛室。當(dāng)無新的作業(yè)任務(wù)下達(dá)時，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時讀取輪胎吊的位置和狀態(tài)信息，并將整個工作區(qū)的輪胎吊位置顯示在電子地圖上。當(dāng)有新的作業(yè)任務(wù)時，操作人員可以利用監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，向系統(tǒng)下達(dá)裝載任務(wù)。監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)目標(biāo)箱區(qū)的位置和各輪胎吊的實(shí)時位置和狀態(tài)，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)要求計(jì)算出最佳的調(diào)度方案[2]。

圖2 堆場箱區(qū)與輪胎吊定位示意圖

測控系統(tǒng)的主要任務(wù)為通過LCD顯示屏和上位機(jī)軟件進(jìn)行輪胎吊位置信號的實(shí)時顯示。這里，要完成控制系統(tǒng)任務(wù)，主要分定位檢測，控制處理，顯示監(jiān)視等功能，其系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。通過GPS天線收集衛(wèi)星信號，GPS模塊獲得衛(wèi)星數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，從而得到經(jīng)度、維度、時間等重要信息，通過上位機(jī)接口與高德地圖進(jìn)行連接，從而獲得可視化的地理信息[3]。

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

■ 2.1 硬件模塊選擇

(1)定位模塊：輪胎吊的位置和狀態(tài)關(guān)乎調(diào)度的有效性和科學(xué)性，因此，輪胎吊的定位研究是本項(xiàng)目的主要內(nèi)容之一。室外的運(yùn)動物體的定位方式大多是基于GPS或北斗系統(tǒng)，GPS差分的定位方式精準(zhǔn)，但需要建立專用的基站，價格貴成本高。另外，單GPS模塊的價格根據(jù)定位精度不同也有很大的差別，為最大程度的降低成本，本項(xiàng)目擬采用中科微電子ATGM336H的射頻基帶一體化導(dǎo)航芯片，體積小，功耗低，定位模塊標(biāo)稱定位精度為2 5mCEP，意思有50%的概率能定在半徑為2 5m的圓內(nèi)，可以滿足現(xiàn)場需求。且此模塊支持 BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）+GPS（美國全球定位系統(tǒng)）雙模聯(lián)合定位。多模聯(lián)合定位與單 GPS 定位相比，可有效改善惡劣環(huán)境，如小區(qū)、高架等的衛(wèi)星遮擋問題，使得定位更準(zhǔn)確，定位率更高[4]。

(2)控制模塊：控制處理采用Arduino系列的Mega2560單片機(jī)，其具有54路數(shù)字輸入輸出端口，可實(shí)現(xiàn)串口通信，增加了兩個管腳SDA和SCL支持I2C接口，方便與GPS進(jìn)行通信及后續(xù)的顯示電路連接。

(3)顯示模塊：顯示單元主要完成經(jīng)緯度的顯示，這里，為使控制系統(tǒng)接線簡單，這里，采用帶I2C總線的LCD1602液晶屏，不需要占用太多接口，后續(xù)隨著項(xiàng)目復(fù)雜度提高，顯示的信息增多，可以再將其替換為TFT144 128×128液晶顯示屏。

■2.2 硬件電路主要模塊接線

本項(xiàng)目硬件電路主要用到的模塊為，單片機(jī)Mega2560,定位模塊ATGM336H，帶I2C總線的LCD1602液晶屏，項(xiàng)目所需要用到的管腳和他們之間的連接，如表1所示，這里，Mega2560的RXD(IO0)與定位模塊的TXD連接，而定位模塊的RXD在實(shí)物連接時可以不接，但在Proteus時需連接到Mega2560的TXD(IO1)端口。帶I2C總線的LCD1602液晶顯示屏,利用芯片PF8574和LCD1602組成，集成之后，只需4根線（VCC，GND，SDA，SCL）就可以完成顯示，其中，SCL為時鐘控制線，SDA為數(shù)據(jù)線，分別接到Mega2560的SCL(IO21)，SDA(IO20)，其硬件接線圖如圖4所示。

表1 模塊管腳線路連接

圖4 基于Mega2560的GPS定位系統(tǒng)硬件接線圖

■ 2.3 軟件功能實(shí)現(xiàn)

軟件的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括串口通訊模塊，GPS數(shù)據(jù)的提取算法，GPS數(shù)據(jù)的保存，GPS位置的顯示。其中，GPS信號的定位檢測以及如何在LCD上顯示相應(yīng)的經(jīng)緯度信息，其軟件的控制程序流程圖，如圖5所示。

圖5 GPS信號讀取顯示程序流程圖

2.3.1 GPS 信號讀取及解析

本設(shè)計(jì)選用GPRMC格式的數(shù)據(jù)作為定位數(shù)據(jù)，主要包括定位狀態(tài)判斷，經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的提取，數(shù)據(jù)的記錄及實(shí)時顯示。為方便說明將GPRMC格式簡介如下：

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

(1)標(biāo)準(zhǔn)定位時間（UTC time）格式：時時分分秒秒 秒秒秒（hhmmss sss）。

(2)定位狀態(tài)，A = 數(shù)據(jù)可用，V = 數(shù)據(jù)不可用。

(3)緯度，格式：度度分分 分分分分（ddmm mmmm）。

(4)緯度區(qū)分，北半球（N）或南半球（S）。

(5)經(jīng)度，格式：度度分分 分分分分。

(6)經(jīng)度區(qū)分，東（E）半球或西（W）半球

對于本設(shè)計(jì)，用到第2~6組數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)?組數(shù)據(jù)為字符A時，說明當(dāng)前定位是有效的，此時第3~6組數(shù)據(jù)分別是緯度信息和經(jīng)度信息。在程序?qū)崿F(xiàn)時，定義Save Data 的struct結(jié)構(gòu)體將需要保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，如下所示：

struct {

char GPS_Buffer[80];

bool isGetData; //是否獲取到GPS數(shù)據(jù)

bool isParseData; //是否解析完成

char UTCTime[11]; //UTC時間

char latitude[11]; //維度

char N_S[2]; //N/S

char longitude[12]; //經(jīng)度

char E_W[2]; //E/W

bool isUsefull; //定位信息是否有效

}Save_Data;

第3組數(shù)據(jù)為維度（latitude），第4組數(shù)據(jù)為維度分區(qū)（N_S），第5組數(shù)據(jù)為經(jīng)度（longitude），第6組數(shù)據(jù)為經(jīng)度分區(qū)（E_W）。如果第2組數(shù)據(jù)是字符V時，說明當(dāng)前是無效定位。

2.3.2 LCD 顯示經(jīng)緯度信息

完成經(jīng)緯度的提取后，這一組數(shù)據(jù)被保存到電腦中的一個文件中，同時，這組數(shù)據(jù)經(jīng)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，被映射到地圖的相應(yīng)的位置上，這樣就實(shí)現(xiàn)了實(shí)時在線的可視顯示。LCD1602實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度顯示的部分代碼如下所示：

lcd setCursor(0,0); // LCD的第一行

lcd print("LAT:"); // LCD 顯示“LAT:”

lcd print(Save_Data latitude);//GPS 的緯度值

lcd print(Save_Data N_S); //GPS 的維度分區(qū)

lcd setCursor(0,1); // LCD的第二行

lcd print("LGT:"); // LCD 顯示“LGT:”

lcd print(Save_Data longitude);// //GPS 的經(jīng)度值

lcd print(Save_Data E_W); //GPS 的經(jīng)度分區(qū)

delay(10); //延時

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性，搭建了實(shí)物硬件電路并進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)場所為學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，圖6為實(shí)際硬件電路與實(shí)驗(yàn)效果圖。通過實(shí)際硬件測試，LCD屏幕上可以準(zhǔn)確顯示當(dāng)前位置的經(jīng)緯度信息，將當(dāng)時實(shí)際的經(jīng)緯度與高德地圖的API接口連接，可以實(shí)時顯示其地理位置，很好的解決了定位問題。

圖6 實(shí)際硬件電路與實(shí)驗(yàn)效果圖

4 結(jié)語

本項(xiàng)目利用BDS+GPS雙模定位模塊和Mega2560單片機(jī)，解決了當(dāng)前輪胎吊實(shí)時調(diào)度時，無法準(zhǔn)確獲知其具體位置的難題，采用虛擬仿真和硬件實(shí)物兩種不同載體，分別驗(yàn)證了文中所述方法的有效性，為一步調(diào)度員進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度奠定基礎(chǔ)。