29 KiB
ردیابی موقعیت
اسکچ‌نوت توسط نیتیا ناراسیمهان. برای مشاهده نسخه بزرگ‌تر روی تصویر کلیک کنید.
آزمون پیش از درس
مقدمه
فرآیند اصلی رساندن مواد غذایی از کشاورز به مصرف‌کننده شامل بارگیری جعبه‌های محصولات کشاورزی در کامیون‌ها، کشتی‌ها، هواپیماها یا سایر وسایل حمل‌ونقل تجاری و تحویل غذا به مقصد است - یا مستقیماً به مشتری یا به یک مرکز یا انبار مرکزی برای پردازش. کل فرآیند از مزرعه تا مصرف‌کننده بخشی از فرآیندی به نام زنجیره تأمین است. ویدئوی زیر از دانشکده کسب‌وکار W. P. Carey دانشگاه ایالتی آریزونا به طور مفصل درباره مفهوم زنجیره تأمین و نحوه مدیریت آن صحبت می‌کند.
🎥 برای مشاهده ویدئو روی تصویر بالا کلیک کنید
افزودن دستگاه‌های IoT می‌تواند زنجیره تأمین شما را به طور چشمگیری بهبود بخشد، به شما امکان مدیریت مکان اقلام، برنامه‌ریزی بهتر حمل‌ونقل و جابجایی کالاها، و واکنش سریع‌تر به مشکلات را بدهد.
هنگام مدیریت ناوگانی از وسایل نقلیه مانند کامیون‌ها، دانستن مکان هر وسیله نقلیه در یک زمان مشخص مفید است. وسایل نقلیه می‌توانند به حسگرهای GPS مجهز شوند که مکان خود را به سیستم‌های IoT ارسال می‌کنند، به صاحبان اجازه می‌دهند مکان آنها را مشخص کنند، مسیر طی شده را ببینند و بدانند چه زمانی به مقصد می‌رسند. بیشتر وسایل نقلیه خارج از پوشش WiFi فعالیت می‌کنند، بنابراین از شبکه‌های سلولی برای ارسال این نوع داده‌ها استفاده می‌کنند. گاهی اوقات حسگر GPS در دستگاه‌های IoT پیچیده‌تر مانند دفترچه‌های الکترونیکی ثبت‌سفر تعبیه شده است. این دستگاه‌ها مدت زمان سفر کامیون را ردیابی می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که رانندگان با قوانین محلی در مورد ساعات کاری مطابقت دارند.
در این درس یاد خواهید گرفت که چگونه مکان وسایل نقلیه را با استفاده از حسگر سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS) ردیابی کنید.
در این درس موارد زیر را پوشش خواهیم داد:
- وسایل نقلیه متصل
- مختصات جغرافیایی
- سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی (GPS)
- خواندن داده‌های حسگر GPS
- داده‌های GPS NMEA
- رمزگشایی داده‌های حسگر GPS
وسایل نقلیه متصل
IoT در حال تغییر نحوه حمل‌ونقل کالاها با ایجاد ناوگان‌هایی از وسایل نقلیه متصل است. این وسایل نقلیه به سیستم‌های IT مرکزی متصل هستند و اطلاعاتی درباره مکان و سایر داده‌های حسگر گزارش می‌دهند. داشتن ناوگانی از وسایل نقلیه متصل مزایای گسترده‌ای دارد:
-
ردیابی موقعیت - شما می‌توانید مکان یک وسیله نقلیه را در هر زمان مشخص کنید، که به شما امکان می‌دهد:
- هشدارهایی دریافت کنید وقتی وسیله نقلیه در آستانه رسیدن به مقصد است تا تیمی برای تخلیه آماده شود
- وسایل نقلیه دزدیده شده را پیدا کنید
- داده‌های مکان و مسیر را با مشکلات ترافیکی ترکیب کنید تا بتوانید وسایل نقلیه را در میانه سفر تغییر مسیر دهید
- با مالیات مطابقت داشته باشید. برخی کشورها برای میزان مسافت طی شده وسایل نقلیه در جاده‌های عمومی مالیات دریافت می‌کنند (مانند RUC نیوزیلند)، بنابراین دانستن اینکه وسیله نقلیه در جاده‌های عمومی یا خصوصی است محاسبه مالیات را آسان‌تر می‌کند.
- بدانید در صورت خرابی، تیم‌های تعمیر و نگهداری را به کجا ارسال کنید
-
تلومتری راننده - توانایی اطمینان از اینکه رانندگان به محدودیت‌های سرعت پایبند هستند، با سرعت مناسب پیچ‌ها را طی می‌کنند، به‌موقع ترمز می‌گیرند و به طور ایمن رانندگی می‌کنند. وسایل نقلیه متصل همچنین می‌توانند دوربین‌هایی برای ضبط حوادث داشته باشند. این می‌تواند به بیمه مرتبط شود و نرخ‌های کاهش‌یافته‌ای برای رانندگان خوب ارائه دهد.
-
مطابقت ساعات رانندگی - اطمینان از اینکه رانندگان فقط در ساعات قانونی مجاز خود رانندگی می‌کنند، بر اساس زمان‌هایی که موتور را روشن و خاموش می‌کنند.
این مزایا را می‌توان ترکیب کرد - برای مثال، ترکیب مطابقت ساعات رانندگی با ردیابی موقعیت برای تغییر مسیر رانندگان اگر نتوانند در ساعات رانندگی مجاز خود به مقصد برسند. این موارد همچنین می‌توانند با سایر تلومتری‌های خاص وسیله نقلیه ترکیب شوند، مانند داده‌های دما از کامیون‌های کنترل دما، که به وسایل نقلیه اجازه می‌دهد در صورت عدم امکان حفظ دما در مسیر فعلی، مسیر خود را تغییر دهند.
🎓 لجستیک فرآیند حمل‌ونقل کالا از یک مکان به مکان دیگر است، مانند انتقال از یک مزرعه به یک سوپرمارکت از طریق یک یا چند انبار. یک کشاورز جعبه‌های گوجه‌فرنگی را بسته‌بندی می‌کند که در کامیون بارگیری شده، به یک انبار مرکزی تحویل داده می‌شود و سپس در کامیون دوم قرار می‌گیرد که ممکن است شامل ترکیبی از انواع مختلف محصولات باشد که سپس به یک سوپرمارکت تحویل داده می‌شود.
جزء اصلی ردیابی وسایل نقلیه GPS است - حسگرهایی که می‌توانند مکان خود را در هر نقطه از زمین مشخص کنند. در این درس یاد خواهید گرفت که چگونه از یک حسگر GPS استفاده کنید، با یادگیری نحوه تعریف مکان روی زمین شروع می‌کنیم.
مختصات جغرافیایی
مختصات جغرافیایی برای تعریف نقاط روی سطح زمین استفاده می‌شوند، مشابه نحوه استفاده از مختصات برای رسم یک پیکسل روی صفحه کامپیوتر یا موقعیت دوخت‌ها در گلدوزی. برای یک نقطه واحد، شما یک جفت مختصات دارید. برای مثال، پردیس مایکروسافت در ردموند، واشنگتن، ایالات متحده در 47.6423109, -122.1390293 واقع شده است.
عرض جغرافیایی و طول جغرافیایی
زمین یک کره است - یک دایره سه‌بعدی. به همین دلیل، نقاط با تقسیم آن به 360 درجه تعریف می‌شوند، مشابه هندسه دایره‌ها. عرض جغرافیایی تعداد درجه‌های شمال به جنوب را اندازه‌گیری می‌کند، طول جغرافیایی تعداد درجه‌های شرق به غرب را اندازه‌گیری می‌کند.
💁 هیچ‌کس واقعاً دلیل اصلی تقسیم دایره‌ها به 360 درجه را نمی‌داند. صفحه درجه (زاویه) در ویکی‌پدیا برخی از دلایل احتمالی را پوشش می‌دهد.
عرض جغرافیایی با خطوطی اندازه‌گیری می‌شود که زمین را دور می‌زنند و موازی با استوا هستند، نیمکره‌های شمالی و جنوبی را به 90° تقسیم می‌کنند. استوا در 0° قرار دارد، قطب شمال در 90°، که به عنوان 90° شمال نیز شناخته می‌شود، و قطب جنوب در -90°، یا 90° جنوب قرار دارد.
طول جغرافیایی به عنوان تعداد درجه‌های اندازه‌گیری شده شرق و غرب اندازه‌گیری می‌شود. مبدأ 0° طول جغرافیایی نصف‌النهار مبدأ نامیده می‌شود و در سال 1884 به عنوان خطی از قطب شمال به قطب جنوب که از رصدخانه سلطنتی بریتانیا در گرینویچ، انگلستان عبور می‌کند، تعریف شد.
🎓 نصف‌النهار یک خط مستقیم خیالی است که از قطب شمال به قطب جنوب می‌رود و یک نیم‌دایره تشکیل می‌دهد.
برای اندازه‌گیری طول جغرافیایی یک نقطه، تعداد درجه‌ها را در امتداد استوا از نصف‌النهار مبدأ تا نصف‌النهاری که از آن نقطه عبور می‌کند اندازه‌گیری می‌کنید. طول جغرافیایی از -180°، یا 180° غرب، از طریق 0° در نصف‌النهار مبدأ، تا 180°، یا 180° شرق می‌رود. 180° و -180° به یک نقطه اشاره دارند، نصف‌النهار مخالف یا نصف‌النهار 180ام. این یک نصف‌النهار در طرف مقابل زمین از نصف‌النهار مبدأ است.
💁 نصف‌النهار مخالف نباید با خط تاریخ بین‌المللی اشتباه گرفته شود، که تقریباً در همان موقعیت قرار دارد، اما یک خط مستقیم نیست و برای تطبیق با مرزهای ژئوپلیتیکی متفاوت است.
✅ تحقیق کنید: سعی کنید عرض جغرافیایی و طول جغرافیایی مکان فعلی خود را پیدا کنید.
درجه‌ها، دقیقه‌ها و ثانیه‌ها در مقابل درجه‌های اعشاری
به طور سنتی، اندازه‌گیری درجه‌های عرض جغرافیایی و طول جغرافیایی با استفاده از شماره‌گذاری شصت‌گانی یا پایه-60 انجام می‌شد، یک سیستم شماره‌گذاری که توسط بابلی‌های باستان که اولین اندازه‌گیری‌ها و ثبت‌های زمان و فاصله را انجام دادند استفاده می‌شد. شما احتمالاً هر روز بدون اینکه متوجه شوید از شصت‌گانی استفاده می‌کنید - تقسیم ساعت‌ها به 60 دقیقه و دقیقه‌ها به 60 ثانیه.
طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی در درجه‌ها، دقیقه‌ها و ثانیه‌ها اندازه‌گیری می‌شوند، با یک دقیقه برابر با 1/60 درجه و 1 ثانیه برابر با 1/60 دقیقه.
برای مثال، در استوا:
- 1° عرض جغرافیایی برابر است با 111.3 کیلومتر
- 1 دقیقه عرض جغرافیایی برابر است با 111.3/60 = 1.855 کیلومتر
- 1 ثانیه عرض جغرافیایی برابر است با 1.855/60 = 0.031 کیلومتر
نماد دقیقه یک علامت تک‌خطی است، برای ثانیه یک علامت دوخطی. برای مثال، 2 درجه، 17 دقیقه و 43 ثانیه به صورت 2°17'43" نوشته می‌شود. بخش‌های ثانیه به صورت اعشاری داده می‌شوند، برای مثال نیم ثانیه به صورت 0°0'0.5" نوشته می‌شود.
کامپیوترها در پایه-60 کار نمی‌کنند، بنابراین این مختصات به صورت درجه‌های اعشاری هنگام استفاده از داده‌های GPS در بیشتر سیستم‌های کامپیوتری داده می‌شوند. برای مثال، 2°17'43" برابر است با 2.295277. معمولاً نماد درجه حذف می‌شود.
مختصات یک نقطه همیشه به صورت عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی داده می‌شوند، بنابراین مثال قبلی پردیس مایکروسافت در 47.6423109,-122.117198 دارای:
- عرض جغرافیایی 47.6423109 (47.6423109 درجه شمال استوا)
- طول جغرافیایی -122.1390293 (122.1390293 درجه غرب نصف‌النهار مبدأ).
سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی (GPS)
سیستم‌های GPS از چندین ماهواره که در مدار زمین قرار دارند برای یافتن موقعیت شما استفاده می‌کنند. احتمالاً بدون اینکه بدانید از سیستم‌های GPS استفاده کرده‌اید - برای یافتن موقعیت خود در یک اپلیکیشن نقشه روی گوشی خود مانند Apple Maps یا Google Maps، یا برای دیدن مکان سواری خود در یک اپلیکیشن درخواست سواری مانند Uber یا Lyft، یا هنگام استفاده از ناوبری ماهواره‌ای (sat-nav) در ماشین خود.
🎓 ماهواره‌های موجود در 'ناوبری ماهواره‌ای' همان ماهواره‌های GPS هستند!
سیستم‌های GPS با داشتن تعدادی ماهواره که سیگنالی با موقعیت فعلی هر ماهواره و یک زمان دقیق ارسال می‌کنند کار می‌کنند. این سیگنال‌ها از طریق امواج رادیویی ارسال می‌شوند و توسط یک آنتن در حسگر GPS شناسایی می‌شوند. یک حسگر GPS این سیگنال‌ها را شناسایی می‌کند و با استفاده از زمان فعلی اندازه‌گیری می‌کند که چقدر طول کشید تا سیگنال از ماهواره به حسگر برسد. از آنجا که سرعت امواج رادیویی ثابت است، حسگر GPS می‌تواند از زمان ارسال شده برای محاسبه فاصله حسگر از ماهواره استفاده کند. با ترکیب داده‌های حداقل 3 ماهواره با موقعیت‌های ارسال شده، حسگر GPS قادر است موقعیت خود را روی زمین مشخص کند.
💁 حسگرهای GPS به آنتن‌هایی برای شناسایی امواج رادیویی نیاز دارند. آنتن‌های تعبیه شده در کامیون‌ها و ماشین‌ها با GPS داخلی به گونه‌ای قرار داده شده‌اند که سیگنال خوبی دریافت کنند، معمولاً روی شیشه جلو یا سقف. اگر از یک سیستم GPS جداگانه، مانند گوشی هوشمند یا دستگاه IoT استفاده می‌کنید، باید اطمینان حاصل کنید که آنتن تعبیه شده در سیستم GPS یا گوشی دید واضحی از آسمان دارد، مانند نصب شدن روی شیشه جلو.
ماهواره‌های GPS در حال چرخش به دور زمین هستند، نه در یک نقطه ثابت بالای حسگر، بنابراین داده‌های موقعیت شامل ارتفاع از سطح دریا علاوه بر عرض جغرافیایی و طول جغرافیایی است.
GPS قبلاً محدودیت‌هایی در دقت داشت که توسط ارتش ایالات متحده اعمال می‌شد، دقت را به حدود 5 متر محدود می‌کرد. این محدودیت در سال 2000 برداشته شد و دقت 30 سانتی‌متر امکان‌پذیر شد. دستیابی به این دقت همیشه ممکن نیست به دلیل تداخل با سیگنال‌ها.
✅ اگر گوشی هوشمند دارید، اپلیکیشن نقشه را باز کنید و ببینید موقعیت شما چقدر دقیق است. ممکن است کمی زمان ببرد تا گوشی شما چندین ماهواره را شناسایی کند و موقعیت دقیق‌تری پیدا کند. 💁 ماهواره‌ها دارای ساعت‌های اتمی بسیار دقیقی هستند، اما به دلیل کند شدن زمان با افزایش سرعت، همان‌طور که نظریه‌های نسبیت خاص و عام انیشتین پیش‌بینی کرده‌اند، این ساعت‌ها در مقایسه با ساعت‌های اتمی روی زمین روزانه ۳۸ میکروثانیه (۰.۰۰۰۰۰۳۸ ثانیه) اختلاف پیدا می‌کنند - زیرا ماهواره‌ها سریع‌تر از چرخش زمین حرکت می‌کنند. این اختلاف برای اثبات پیش‌بینی‌های نسبیت خاص و عام استفاده شده و باید در طراحی سیستم‌های GPS تنظیم شود. به‌طور واقعی، زمان در یک ماهواره GPS کندتر می‌گذرد. سیستم‌های GPS توسط کشورهای مختلف و اتحادیه‌های سیاسی از جمله ایالات متحده، روسیه، ژاپن، هند، اتحادیه اروپا و چین توسعه داده شده و به کار گرفته شده‌اند. حسگرهای GPS مدرن می‌توانند به اکثر این سیستم‌ها متصل شوند تا موقعیت‌یابی سریع‌تر و دقیق‌تری داشته باشند.
🎓 گروه‌های ماهواره‌ای در هر سیستم به عنوان صورت‌های فلکی شناخته می‌شوند.
خواندن داده‌های حسگر GPS
بیشتر حسگرهای GPS داده‌های GPS را از طریق UART ارسال می‌کنند.
⚠️ UART در پروژه ۲، درس ۲ پوشش داده شده است. در صورت نیاز به آن درس مراجعه کنید.
شما می‌توانید از یک حسگر GPS در دستگاه IoT خود برای دریافت داده‌های GPS استفاده کنید.
وظیفه - اتصال حسگر GPS و خواندن داده‌های GPS
راهنمای مربوطه را دنبال کنید تا داده‌های GPS را با استفاده از دستگاه IoT خود بخوانید:
داده‌های GPS NMEA
هنگامی که کد خود را اجرا کردید، ممکن است چیزی شبیه به کدهای نامفهوم در خروجی دیده باشید. این در واقع داده‌های استاندارد GPS است و هر کدام معنای خاصی دارند.
حسگرهای GPS داده‌ها را با استفاده از پیام‌های NMEA و استاندارد NMEA 0183 ارسال می‌کنند. NMEA مخفف انجمن ملی الکترونیک دریایی است، یک سازمان تجاری مستقر در ایالات متحده که استانداردهایی برای ارتباط بین تجهیزات الکترونیکی دریایی تعیین می‌کند.
💁 این استاندارد اختصاصی است و حداقل ۲,۰۰۰ دلار آمریکا قیمت دارد، اما اطلاعات کافی در مورد آن در حوزه عمومی وجود دارد که بیشتر استاندارد مهندسی معکوس شده و می‌توان از آن در کدهای متن‌باز و غیرتجاری استفاده کرد.
این پیام‌ها مبتنی بر متن هستند. هر پیام شامل یک جمله است که با کاراکتر $ شروع می‌شود، سپس ۲ کاراکتر برای نشان دادن منبع پیام (مانند GP برای سیستم GPS ایالات متحده، GN برای GLONASS، سیستم GPS روسیه) و ۳ کاراکتر برای نشان دادن نوع پیام. بقیه پیام شامل فیلدهایی است که با کاما جدا شده‌اند و در نهایت با کاراکتر خط جدید پایان می‌یابد.
برخی از انواع پیام‌هایی که می‌توان دریافت کرد عبارتند از:
| نوع | توضیحات |
|---|---|
| GGA | داده‌های موقعیت GPS، شامل عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی و ارتفاع حسگر GPS، همراه با تعداد ماهواره‌های قابل مشاهده برای محاسبه این موقعیت. |
| ZDA | تاریخ و زمان فعلی، شامل منطقه زمانی محلی |
| GSV | جزئیات ماهواره‌های قابل مشاهده - تعریف شده به عنوان ماهواره‌هایی که حسگر GPS می‌تواند سیگنال‌های آنها را تشخیص دهد |
💁 داده‌های GPS شامل زمان‌بندی هستند، بنابراین دستگاه IoT شما می‌تواند زمان را در صورت نیاز از حسگر GPS دریافت کند، به جای اینکه به سرور NTP یا ساعت داخلی وابسته باشد.
پیام GGA شامل موقعیت فعلی با استفاده از فرمت (dd)dmm.mmmm است، همراه با یک کاراکتر برای نشان دادن جهت. d در فرمت نشان‌دهنده درجه، m نشان‌دهنده دقیقه، و ثانیه‌ها به صورت اعشار دقیقه هستند. برای مثال، ۲°۱۷'۴۳" به صورت ۲۱۷.۷۱۶۶۶۶۶۶۷ - ۲ درجه، ۱۷.۷۱۶۶۶۶۶۶۷ دقیقه خواهد بود.
کاراکتر جهت می‌تواند N یا S برای عرض جغرافیایی باشد تا شمال یا جنوب را نشان دهد، و E یا W برای طول جغرافیایی باشد تا شرق یا غرب را نشان دهد. برای مثال، عرض جغرافیایی ۲°۱۷'۴۳" کاراکتر جهت N خواهد داشت، -۲°۱۷'۴۳" کاراکتر جهت S خواهد داشت.
برای مثال - جمله NMEA $GNGGA,020604.001,4738.538654,N,12208.341758,W,1,3,,164.7,M,-17.1,M,,*67
-
بخش عرض جغرافیایی
4738.538654,Nاست، که به ۴۷.۶۴۲۳۱۰۹ در درجه‌های اعشاری تبدیل می‌شود.4738.538654برابر با ۴۷.۶۴۲۳۱۰۹ است و جهتN(شمال) است، بنابراین عرض جغرافیایی مثبت است. -
بخش طول جغرافیایی
12208.341758,Wاست، که به -۱۲۲.۱۳۹۰۲۹۳ در درجه‌های اعشاری تبدیل می‌شود.12208.341758برابر با ۱۲۲.۱۳۹۰۲۹۳° است و جهتW(غرب) است، بنابراین طول جغرافیایی منفی است.
رمزگشایی داده‌های حسگر GPS
به جای استفاده از داده‌های خام NMEA، بهتر است آنها را به یک فرمت مفیدتر رمزگشایی کنید. کتابخانه‌های متن‌باز متعددی وجود دارند که می‌توانند به استخراج داده‌های مفید از پیام‌های خام NMEA کمک کنند.
وظیفه - رمزگشایی داده‌های حسگر GPS
راهنمای مربوطه را دنبال کنید تا داده‌های حسگر GPS را با استفاده از دستگاه IoT خود رمزگشایی کنید:
🚀 چالش
رمزگشای NMEA خود را بنویسید! به جای تکیه بر کتابخانه‌های شخص ثالث برای رمزگشایی جملات NMEA، آیا می‌توانید رمزگشای خود را بنویسید تا عرض و طول جغرافیایی را از جملات NMEA استخراج کنید؟
آزمون پس از درس
مرور و مطالعه شخصی
- درباره مختصات جغرافیایی بیشتر بخوانید در صفحه سیستم مختصات جغرافیایی در ویکی‌پدیا.
- درباره نصف‌النهارهای اصلی در سایر اجرام آسمانی به جز زمین مطالعه کنید در صفحه نصف‌النهار اصلی در ویکی‌پدیا
- تحقیق کنید درباره سیستم‌های مختلف GPS از دولت‌های مختلف جهان و اتحادیه‌های سیاسی مانند اتحادیه اروپا، ژاپن، روسیه، هند و ایالات متحده.
تکلیف
سلب مسئولیت:
این سند با استفاده از سرویس ترجمه هوش مصنوعی Co-op Translator ترجمه شده است. در حالی که ما تلاش می‌کنیم دقت را حفظ کنیم، لطفاً توجه داشته باشید که ترجمه‌های خودکار ممکن است شامل خطاها یا نادرستی‌ها باشند. سند اصلی به زبان اصلی آن باید به عنوان منبع معتبر در نظر گرفته شود. برای اطلاعات حساس، توصیه می‌شود از ترجمه حرفه‌ای انسانی استفاده کنید. ما مسئولیتی در قبال سوء تفاهم‌ها یا تفسیرهای نادرست ناشی از استفاده از این ترجمه نداریم.