面向渔业物联网的GPS相对定位策略
发布时间：2021-07-03 09:07
现代渔业养殖朝着精细化的方向发展,渔业物联网的应用越来越广泛。对于部署的终端节点,除了需要获取环境感知信息,还必需获取节点的位置信息,这样采集数据才有应用价值。该研究提出了一种面向渔业物联网应用的基于LoRa（LongRange）网络的低成本GPS（GlobalPositioningSystem）相对定位方法。首先通过误差分析建立相对定位策略数据模型,然后设计了基于LoRa网络的相对定位方法和改进的时分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）传输策略,实现了高精度定位和高能效数据传输,最后设计了LoRa物联网硬件节点并在近海渔场进行了部署测试,试验数据表明了该文提出方法的有效性与可靠性。在采用低成本GPS商用模块的情况下,距离网关1 000和499 m的终端节点的平均定位精度由10 m分别提高到4.8和2.4 m,数据投递率由80%提高到95%以上。
【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
GPS接收机的时间信号与UTC时间的同步
网关广播的命令请求包格式如图5a所示，广播地址为00。图5a中的下一包类型ID(Identity），表示下一周期终端节点要执行的命令类型，定位请求设置为1，传感器采集请求设置为2。分组号为终端节点按照布设位置、传感器类型等因素预先进行分组的编号，每组一个分组号。采样/定位时刻tS和分组号表示网关与终端节点预约的下一周期同步获取GPS定位信息或进行传感器采样的时刻和对应的终端节点组。该时刻要保证在该时刻之前所有需要参与定位或采样的节点已进入定位或采样就绪状态。如果上一周期接收到的类型ID为1，则本周期在采样时段TS内，在预约的定位时刻tS，网关获取参与定位的卫星的颗数和卫星编号，入选卫星的信噪比（Signal Noise Ratio,SNR）需大于设定的阈值，卫星颗数N和卫星编号S添加到命令请求包的数据域；如果上一周期接收到的类型ID为2，则当前终端节点进行传感器采样，网关不进行GPS采样，命令请求包的数据域不包含卫星颗数和卫星编号信息。图5b为终端节点返回的数据包格式，其中数据包类型ID为上一周期接收到的命令请求中的类型ID，值为1则数据域为终端节点的经纬度信息，值为2则数据域为终端节点的传感器采样信息。2.3 相对定位
举例说明，图6分别为网关和一个终端节点的GPS接收机观测到的卫星序列及信号强度，2台接收机都可以观测到12颗卫星，设定观测卫星信号强度阈值为30 dB，图6a节点的卫星序列由信号强度大于30 dB的7颗卫星组成，并由这7颗卫星组成定位卫星序列进行定位。网关将这7颗卫星的编号加入命令包的数据域，并广播给终端节点，终端节点将接收到的卫星序列编号与自己观测到的卫星序列编号进行比较，如图6b所示。如卫星重复编号大于预设值6，则相对定位有效，终端节点在自己分配的时隙将自己的经纬度信息和定位卫星重复数发给网关，网关计算出终端节点的相对坐标。通常卫星重复编号数预设阈值越高，相对定位精度越高，但该值设置过高，会导致相对定位成功率降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于LoRa的小龙虾生态养殖监控系统设计与实现[J]. 宋晓霞,陈明,池涛. 渔业现代化. 2019(05)
[2]K-Means聚类算法研究综述[J]. 杨俊闯,赵超. 计算机工程与应用. 2019(23)
[3]基于嵌入式Linux的水产养殖物联网监测系统设计[J]. 李卓然. 农机化研究. 2019(11)
[4]GNSS卫星导航定位的主要误差──GNSS导航定位误差之二[J]. 刘基余. 数字通信世界. 2019(02)
[5]面向大面积渔业环境监测的长距离低功耗LoRa传感器网络[J]. 张铮,曹守启,朱建平,陈佳品. 农业工程学报. 2019(01)
[6]水产养殖水质检测与控制技术研究进展分析[J]. 尹宝全,曹闪闪,傅泽田,白雪冰. 农业机械学报. 2019(02)
[7]北斗站间单差载波相位差分定位方法[J]. 李亮,陈晶,冯帅,贾春. 中国惯性技术学报. 2018(05)
[8]基于ZigBee的水产养殖水质控制管理系统设计[J]. 高伟,高磊,周勇,王利鹤,牛文学,赵永来,刘文枝. 中国农业科技导报. 2018(07)
[9]基于手机APP的温室大棚温湿度自动控制系统设计[J]. 吴宝忠,任振辉,王娟. 中国农机化学报. 2018(04)
[10]农业物联网技术研究进展与发展趋势分析[J]. 李道亮,杨昊. 农业机械学报. 2018(01)
硕士论文
[1]基于STM32的水质监控系统的设计与实现[D]. 姚新和.华南理工大学 2019
[2]LoRa通信技术在差分GPS中的应用研究[D]. 刘朋.电子科技大学 2018
本文编号：3262283
【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
GPS接收机的时间信号与UTC时间的同步
网关广播的命令请求包格式如图5a所示，广播地址为00。图5a中的下一包类型ID(Identity），表示下一周期终端节点要执行的命令类型，定位请求设置为1，传感器采集请求设置为2。分组号为终端节点按照布设位置、传感器类型等因素预先进行分组的编号，每组一个分组号。采样/定位时刻tS和分组号表示网关与终端节点预约的下一周期同步获取GPS定位信息或进行传感器采样的时刻和对应的终端节点组。该时刻要保证在该时刻之前所有需要参与定位或采样的节点已进入定位或采样就绪状态。如果上一周期接收到的类型ID为1，则本周期在采样时段TS内，在预约的定位时刻tS，网关获取参与定位的卫星的颗数和卫星编号，入选卫星的信噪比（Signal Noise Ratio,SNR）需大于设定的阈值，卫星颗数N和卫星编号S添加到命令请求包的数据域；如果上一周期接收到的类型ID为2，则当前终端节点进行传感器采样，网关不进行GPS采样，命令请求包的数据域不包含卫星颗数和卫星编号信息。图5b为终端节点返回的数据包格式，其中数据包类型ID为上一周期接收到的命令请求中的类型ID，值为1则数据域为终端节点的经纬度信息，值为2则数据域为终端节点的传感器采样信息。2.3 相对定位
举例说明，图6分别为网关和一个终端节点的GPS接收机观测到的卫星序列及信号强度，2台接收机都可以观测到12颗卫星，设定观测卫星信号强度阈值为30 dB，图6a节点的卫星序列由信号强度大于30 dB的7颗卫星组成，并由这7颗卫星组成定位卫星序列进行定位。网关将这7颗卫星的编号加入命令包的数据域，并广播给终端节点，终端节点将接收到的卫星序列编号与自己观测到的卫星序列编号进行比较，如图6b所示。如卫星重复编号大于预设值6，则相对定位有效，终端节点在自己分配的时隙将自己的经纬度信息和定位卫星重复数发给网关，网关计算出终端节点的相对坐标。通常卫星重复编号数预设阈值越高，相对定位精度越高，但该值设置过高，会导致相对定位成功率降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于LoRa的小龙虾生态养殖监控系统设计与实现[J]. 宋晓霞,陈明,池涛. 渔业现代化. 2019(05)
[2]K-Means聚类算法研究综述[J]. 杨俊闯,赵超. 计算机工程与应用. 2019(23)
[3]基于嵌入式Linux的水产养殖物联网监测系统设计[J]. 李卓然. 农机化研究. 2019(11)
[4]GNSS卫星导航定位的主要误差──GNSS导航定位误差之二[J]. 刘基余. 数字通信世界. 2019(02)
[5]面向大面积渔业环境监测的长距离低功耗LoRa传感器网络[J]. 张铮,曹守启,朱建平,陈佳品. 农业工程学报. 2019(01)
[6]水产养殖水质检测与控制技术研究进展分析[J]. 尹宝全,曹闪闪,傅泽田,白雪冰. 农业机械学报. 2019(02)
[7]北斗站间单差载波相位差分定位方法[J]. 李亮,陈晶,冯帅,贾春. 中国惯性技术学报. 2018(05)
[8]基于ZigBee的水产养殖水质控制管理系统设计[J]. 高伟,高磊,周勇,王利鹤,牛文学,赵永来,刘文枝. 中国农业科技导报. 2018(07)
[9]基于手机APP的温室大棚温湿度自动控制系统设计[J]. 吴宝忠,任振辉,王娟. 中国农机化学报. 2018(04)
[10]农业物联网技术研究进展与发展趋势分析[J]. 李道亮,杨昊. 农业机械学报. 2018(01)
硕士论文
[1]基于STM32的水质监控系统的设计与实现[D]. 姚新和.华南理工大学 2019
[2]LoRa通信技术在差分GPS中的应用研究[D]. 刘朋.电子科技大学 2018
本文编号：3262283
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