32 KiB

Raw Permalink Blame History Unescape Escape

Проследяване на местоположението

Скица от Nitya Narasimhan. Кликнете върху изображението за по-голяма версия.

Тест преди лекцията

Въведение

Основният процес за доставяне на храна от фермер до потребител включва товарене на кутии с продукти в камиони, кораби, самолети или други търговски транспортни средства и доставяне на храната някъде – или директно до клиент, или до централен хъб или склад за обработка. Целият процес от фермата до потребителя е част от процес, наречен верига на доставки. Видеото по-долу от Училището по бизнес W. P. Carey на Университета на Аризона обяснява идеята за веригата на доставки и как тя се управлява в повече детайли.

🎥 Кликнете върху изображението по-горе, за да гледате видеото

Добавянето на IoT устройства може драстично да подобри вашата верига на доставки, позволявайки ви да управлявате къде се намират стоките, да планирате транспорта и обработката на стоките по-добре и да реагирате по-бързо на проблеми.

Когато управлявате автопарк от превозни средства като камиони, е полезно да знаете къде се намира всяко превозно средство в даден момент. Превозните средства могат да бъдат оборудвани с GPS сензори, които изпращат местоположението си до IoT системи, позволявайки на собствениците да определят точното им местоположение, да видят маршрута, който са изминали, и да знаят кога ще пристигнат на дестинацията си. Повечето превозни средства работят извън обхвата на WiFi, така че използват клетъчни мрежи за изпращане на този вид данни. Понякога GPS сензорът е вграден в по-сложни IoT устройства като електронни дневници. Тези устройства проследяват колко дълго камионът е бил в движение, за да се гарантира, че шофьорите спазват местните закони за работното време.

В този урок ще научите как да проследявате местоположението на превозни средства, използвайки сензор за глобална позиционираща система (GPS).

В този урок ще разгледаме:

Свързани превозни средства

IoT трансформира начина, по който се транспортират стоки, чрез създаване на автопаркове от свързани превозни средства. Тези превозни средства са свързани с централни IT системи, които докладват информация за местоположението им и други данни от сензори. Наличието на автопарк от свързани превозни средства има широк спектър от предимства:

Проследяване на местоположението - можете да определите точно къде се намира дадено превозно средство по всяко време, което ви позволява:
- Да получавате известия, когато превозно средство е на път да пристигне на дестинация, за да подготвите екип за разтоварване
- Да локализирате откраднати превозни средства
- Да комбинирате данни за местоположение и маршрут с проблеми в трафика, за да пренасочите превозни средства по време на пътуване
- Да спазвате данъчните изисквания. Някои държави таксуват превозните средства за изминатите километри по обществени пътища (като RUC в Нова Зеландия), така че знанието кога превозното средство е на обществени пътища спрямо частни пътища улеснява изчисляването на дължимия данък.
- Да знаете къде да изпратите екипи за поддръжка в случай на повреда
Телеметрия на шофьора - възможност за гарантиране, че шофьорите спазват ограниченията на скоростта, завиват с подходяща скорост, спират рано и ефективно и шофират безопасно. Свързаните превозни средства могат също да имат камери за записване на инциденти. Това може да бъде свързано със застраховки, предоставяйки намалени ставки за добри шофьори.
Спазване на работното време на шофьорите - гарантиране, че шофьорите шофират само в рамките на законово позволените часове въз основа на времето, когато двигателят е включен и изключен.

Тези предимства могат да бъдат комбинирани - например, комбиниране на спазването на работното време на шофьорите с проследяване на местоположението, за да се пренасочат шофьори, ако не могат да достигнат дестинацията си в рамките на позволените часове за шофиране. Те също могат да бъдат комбинирани с други специфични за превозното средство телеметрични данни, като данни за температура от камиони с контролирана температура, което позволява превозните средства да бъдат пренасочени, ако текущият им маршрут би означавал, че стоките не могат да бъдат поддържани при необходимата температура.

🎓 Логистиката е процесът на транспортиране на стоки от едно място на друго, например от ферма до супермаркет чрез един или повече складове. Фермерът опакова кутии с домати, които се товарят на камион, доставят се до централен склад и се прехвърлят на втори камион, който може да съдържа смес от различни видове продукти, които след това се доставят до супермаркет.

Основният компонент на проследяването на превозни средства е GPS - сензори, които могат да определят местоположението си навсякъде на Земята. В този урок ще научите как да използвате GPS сензор, започвайки с това как да дефинирате местоположение на Земята.

Геопространствени координати

Геопространствените координати се използват за дефиниране на точки на повърхността на Земята, подобно на това как координатите могат да се използват за рисуване на пиксел на компютърен екран или позициониране на бодове в кръстат бод. За една точка имате двойка координати. Например, кампусът на Microsoft в Редмънд, Вашингтон, САЩ се намира на 47.6423109, -122.1390293.

Ширина и дължина

Земята е сфера - триизмерен кръг. Поради това точките се дефинират чрез разделяне на сферата на 360 градуса, същото като геометрията на кръговете. Ширината измерва броя на градусите от север на юг, а дължината измерва броя на градусите от изток на запад.

💁 Никой не знае със сигурност оригиналната причина защо кръговете са разделени на 360 градуса. Страницата за градус (ъгъл) в Уикипедия обяснява някои от възможните причини.

Ширината се измерва с линии, които обикалят Земята и са успоредни на екватора, разделяйки Северното и Южното полукълбо на по 90°. Екваторът е на 0°, Северният полюс е на 90°, известен също като 90° северна ширина, а Южният полюс е на -90°, или 90° южна ширина.

Дължината се измерва като броя на градусите, измерени на изток и запад. Началната точка на дължината е първият меридиан, който е дефиниран през 1884 г. като линия от Северния до Южния полюс, преминаваща през Кралската обсерватория в Гринуич, Англия.

🎓 Меридиан е въображаема права линия, която преминава от Северния полюс до Южния полюс, образувайки полукръг.

За да измерите дължината на дадена точка, измервате броя на градусите около екватора от първия меридиан до меридиан, който преминава през тази точка. Дължината варира от -180°, или 180° западна дължина, през 0° на първия меридиан, до 180°, или 180° източна дължина. 180° и -180° се отнасят до една и съща точка, антимеридиана или 180-ия меридиан. Това е меридиан на противоположната страна на Земята спрямо първия меридиан.

💁 Антимеридианът не трябва да се бърка с Международната линия за смяна на датата, която е приблизително на същото място, но не е права линия и варира, за да се съобрази с геополитическите граници.

✅ Направете проучване: Опитайте се да намерите ширината и дължината на текущото си местоположение.

Градуси, минути и секунди срещу десетични градуси

Традиционно измерванията на градусите на ширината и дължината са правени с помощта на шейсетична система, или база-60, система за номериране, използвана от древните вавилонци, които първи са измервали и записвали времето и разстоянието. Вероятно използвате шейсетична система всеки ден, без дори да осъзнавате - разделяйки часовете на 60 минути и минутите на 60 секунди.

Ширината и дължината се измерват в градуси, минути и секунди, като една минута е 1/60 от градус, а 1 секунда е 1/60 от минута.

Например, на екватора:

1° ширина е 111.3 километра
1 минута ширина е 111.3/60 = 1.855 километра
1 секунда ширина е 1.855/60 = 0.031 километра

Символът за минута е единична кавичка, а за секунда - двойна кавичка. Например, 2 градуса, 17 минути и 43 секунди се записват като 2°17'43". Частите от секундите се дават като десетични числа, например половин секунда е 0°0'0.5".

Компютрите не работят в база-60, така че тези координати се дават като десетични градуси, когато се използват GPS данни в повечето компютърни системи. Например, 2°17'43" е 2.295277. Символът за градус обикновено се пропуска.

Координатите за дадена точка винаги се дават като ширина, дължина, така че примерът по-рано за кампуса на Microsoft на 47.6423109,-122.117198 има:

Ширина от 47.6423109 (47.6423109 градуса северно от екватора)
Дължина от -122.1390293 (122.1390293 градуса западно от първия меридиан).

Глобални позициониращи системи (GPS)

GPS системите използват множество сателити, които обикалят Земята, за да определят вашето местоположение. Вероятно сте използвали GPS системи, без дори да го осъзнавате - за да намерите местоположението си в приложение за карти на телефона си, като Apple Maps или Google Maps, за да видите къде е вашето превозно средство в приложение за споделено пътуване като Uber или Lyft, или когато използвате сателитна навигация (sat-nav) в колата си.

🎓 Сателитите в "сателитната навигация" са GPS сателити!

GPS системите работят, като имат редица сателити, които изпращат сигнал с текущото местоположение на всеки сателит и точен времеви отпечатък. Тези сигнали се изпращат чрез радиовълни и се засичат от антена в GPS сензора. GPS сензорът засича тези сигнали и, използвайки текущото време, измерва колко време е отнело сигналът да достигне сензора от сателита. Тъй като скоростта на радиовълните е постоянна, GPS сензорът може да използва изпратения времеви отпечатък, за да изчисли колко далеч е сензорът от сателита. Чрез комбиниране на данните от поне 3 сателита с изпратените позиции, GPS сензорът може да определи точното си местоположение на Земята.

💁 GPS сензорите се нуждаят от антени, за да засичат радиовълни. Антените, вградени в камиони и автомобили с вграден GPS, са позиционирани така, че да получават добър сигнал, обикновено на предното стъкло или покрива. Ако използвате отделна GPS система, като смартфон или IoT устройство, трябва да се уверите, че антената, вградена в GPS системата или телефона, има ясен изглед към небето, например като е монтирана на предното стъкло.

GPS сателитите обикалят Земята, а не са на фиксирана точка над сензора, така че данните за местоположението включват височина над морското равнище, както и ширина и дължина.

GPS преди имаше ограничения за точността, наложени от американската армия, ограничаващи точността до около 5 метра. Това ограничение беше премахнато през 2000 г., позволявайки точност до 30 сантиметра. Постигането на тази точност не винаги е възможно поради смущения в сигналите.

✅ Ако имате смартфон, стартирайте приложението за карти и вижте колко точно е вашето местоположение. Може да отнеме кратко време, докато телефонът ви засече множество сателити, за да получи по-точно местоположение. 💁 Сателитите съдържат атомни часовници, които са изключително точни, но те се отклоняват с 38 микросекунди (0.0000038 секунди) на ден в сравнение с атомните часовници на Земята, поради забавянето на времето при увеличаване на скоростта, както е предсказано от теориите на Айнщайн за специалната и общата теория на относителността - сателитите се движат по-бързо от въртенето на Земята. Това отклонение е използвано за доказване на предсказанията на специалната и общата теория на относителността и трябва да бъде коригирано при проектирането на GPS системи. Буквално времето тече по-бавно на GPS сателит. GPS системите са разработени и внедрени от редица държави и политически съюзи, включително САЩ, Русия, Япония, Индия, ЕС и Китай. Съвременните GPS сензори могат да се свързват с повечето от тези системи, за да осигурят по-бързи и точни координати.

🎓 Групите от сателити във всяка система се наричат съзвездия.

Четене на данни от GPS сензор

Повечето GPS сензори изпращат данни през UART.

⚠️ UART беше разгледан в проект 2, урок 2. Върнете се към този урок, ако е необходимо.

Можете да използвате GPS сензор на вашето IoT устройство, за да получавате GPS данни.

Задача - свържете GPS сензор и четете GPS данни

Следвайте съответното ръководство, за да четете GPS данни с вашето IoT устройство:

NMEA GPS данни

Когато стартирате кода си, може да видите нещо, което изглежда като безсмислен текст в изхода. Това всъщност са стандартни GPS данни, които имат определено значение.

GPS сензорите изпращат данни чрез NMEA съобщения, използвайки стандарта NMEA 0183. NMEA е акроним за National Marine Electronics Association, американска търговска организация, която определя стандарти за комуникация между морска електроника.

💁 Този стандарт е патентован и струва поне 2000 щатски долара, но достатъчно информация за него е публично достъпна, така че по-голямата част от стандарта е била обратен инженеринг и може да се използва в отворен код и други некомерсиални приложения.

Тези съобщения са текстови. Всяко съобщение се състои от изречение, което започва със символа $, последвано от 2 символа, указващи източника на съобщението (например GP за GPS системата на САЩ, GN за GLONASS, руската GPS система), и 3 символа, указващи типа на съобщението. Останалата част от съобщението са полета, разделени със запетаи, завършващи с нов ред.

Някои от типовете съобщения, които могат да бъдат получени, са:

Тип	Описание
GGA	Данни за GPS фиксация, включително ширина, дължина и височина на GPS сензора, както и броя на сателитите, използвани за изчисляване на тази фиксация.
ZDA	Текуща дата и час, включително местната часова зона
GSV	Подробности за сателитите в обсега - определени като сателитите, от които GPS сензорът може да засече сигнали

💁 GPS данните включват времеви отметки, така че вашето IoT устройство може да получава времето от GPS сензор, вместо да разчита на NTP сървър или вътрешен часовник в реално време.

Съобщението GGA включва текущото местоположение във формат (dd)dmm.mmmm, заедно с един символ, указващ посоката. d във формата означава градуси, m означава минути, а секундите са представени като десетични части от минути. Например, 2°17'43" ще бъде 217.716666667 - 2 градуса, 17.716666667 минути.

Символът за посока може да бъде N или S за ширина, за да указва север или юг, и E или W за дължина, за да указва изток или запад. Например, ширина от 2°17'43" ще има символ за посока N, а -2°17'43" ще има символ за посока S.

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

Частта за ширината е 4738.538654,N, което се преобразува в 47.6423109 в десетични градуси. 4738.538654 е 47.6423109, а посоката е N (север), така че това е положителна ширина.
Частта за дължината е 12208.341758,W, което се преобразува в -122.1390293 в десетични градуси. 12208.341758 е 122.1390293°, а посоката е W (запад), така че това е отрицателна дължина.

Декодиране на данни от GPS сензор

Вместо да използвате суровите NMEA данни, по-добре е да ги декодирате в по-полезен формат. Съществуват множество библиотеки с отворен код, които могат да ви помогнат да извлечете полезна информация от суровите NMEA съобщения.

Задача - декодирайте данни от GPS сензор

Следвайте съответното ръководство, за да декодирате данни от GPS сензор с вашето IoT устройство:

🚀 Предизвикателство

Напишете свой собствен NMEA декодер! Вместо да разчитате на библиотеки на трети страни за декодиране на NMEA изречения, можете ли да напишете свой собствен декодер, който да извлича ширина и дължина от NMEA изречения?

Тест след лекцията

Преглед и самостоятелно обучение

Прочетете повече за геопространствените координати на страницата за географска координатна система в Уикипедия.
Научете за началните меридиани на други небесни тела освен Земята на страницата за началния меридиан в Уикипедия.
Проучете различните GPS системи от различни правителства и политически съюзи като ЕС, Япония, Русия, Индия и САЩ.

Задание

Изследвайте други GPS данни

Отказ от отговорност:
Този документ е преведен с помощта на AI услуга за превод Co-op Translator. Въпреки че се стремим към точност, моля, имайте предвид, че автоматичните преводи може да съдържат грешки или неточности. Оригиналният документ на неговия изходен език трябва да се счита за авторитетен източник. За критична информация се препоръчва професионален превод от човек. Ние не носим отговорност за каквито и да е недоразумения или погрешни интерпретации, произтичащи от използването на този превод.

32 KiB Raw Permalink Blame History Unescape Escape