基于RaspberryPi和Node.js的北斗RTK物聯網設備開發

全雪貞，張 潔，文仙姣

（1.青海省基礎測繪院，青海 西寧 810001；2.青海省自然資源綜合調查監測院，青海 西寧 810001）

物聯網時代是人類信息化發展的一次重要變革。聯網是通過各種信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相鏈接，進行信息交換和通信，從而實現對物品的智能化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網絡。解決定位和追蹤問題，本質上就是解決人與物、物與物的位置鏈接問題[1-2]。2020年6月23日北斗三號最后一顆衛星成功發射，實現了北斗系統全球組網[3-4]，這意味著我國全自主研發的北斗系統已具備全球定位服務能力，將極大促進基于位置的場景智能化應用。位置智能化是物聯網的重要表現形式，將重塑眾多行業思考地理位置的重要性。北斗系統應用范圍由單一的工程測量逐漸拓展到安全監測、氣象、地震、水利、電力、農業、無人機、手機、汽車等領域。北斗模塊/終端已在悄悄向物聯網靠近，“高精度”、“低成本”、“小型化”已成為勢不可擋的趨勢。

本文基于Raspberry Pi 4B和Node.js技術，實現了低成本高精度位置服務的物聯網裝備研發，通過MQTT技術對北斗RTK定位結果進行遠程傳輸，實時上傳至物聯網云平臺并進行存儲。該設備還可結合GIS和遙感技術定制開發業務系統，為更多的行業應用提供廣闊的思路。

1 北斗RTK物聯網設備

本文采用Raspberry Pi 4B（1.2版4核4G內存的ARM主板）作為運行載體，北斗定位模塊選擇Mosaic Mini-EVK，其接口如表1所示。若以USB方式鏈接Raspberry Pi會自動安裝USB驅動程序，虛擬出一個網絡（固定 IP 地址192.168.3.1）和兩個串口（/dev/ttyACM0和/dev/ttyACM1），3個接口均為獨立接口；同時USB鏈接可以供電，無需外接電源。

表1 北斗定位模塊Mosaic Mini-EVK接口列表

北斗RTK物聯網設備如圖1所示，通過北斗/GNSS天線接收衛星信號，通過MMCX線纜連接北斗定位模塊；通過一根USB線連接北斗定位模塊和Raspberry Pi，既能給北斗定位終端供電，又能進行雙向串口通信。Raspberry Pi作為運載平臺，可運行RTKLIB-str2str和Node.js，將遠程采集的高精度北斗RTK定位結果上傳至物聯網云平臺，供后續GIS開發應用[4-5]。

圖1 北斗RTK物聯網設備模型

2 Raspberry Pi建立Ntrip服務

在Raspberry Pi中安裝和編譯RTKLIB-str2str[6-7]，生成str2str二進制可執行的程序。終端輸入的命令為；

$ git clone https://github.com/tomojitakasu/RTKLIB.git

$ cd /RTKLIB/app/str2str/gcc

$ make

利用RTKLIB-str2str建立流動站與基準站之間的鏈接，確保Raspberry Pi通過WiFi/GPRS等方式正常接入互聯網。差分數據流指向如圖2所示，str2str輸入流為Ntrip Client，輸出流為串口（/dev/ttyACM0），將Ntrip協議中的RTCM差分改正數通過串口傳輸給北斗/GNSS模塊進行RTK定位；同時所有鏈路均為雙向通信，str2str將串口輸出的GGA語句通過Ntrip Client傳入Ntrip Caster，在北斗/GNSS模塊終端附近計算得到一個虛擬參考站（VRS），再將這個VRS的差分改正數RTCM數據傳回，從而實現高精度實時位置RTK定位[8]。

圖2 北斗RTK差分數據流

str2str命令的執行語句為；

$ str2str -in ntrip://15kyvhc:qafys5@60.205.8.49:8002/RTCM32_GNSS_RTK -out serial://ttyACM0:115200:8:n:1 -n 100 -b 1

3 Node.js上傳北斗RTK定位結果

北斗定位模塊Mosaic Mini-EVK的RTK解算結果將通過串口/dev/ttyACM1按照1 Hz頻率播發NMEAGGA。Node.js[9-10]串口數據讀寫包Node-serialport通過串口方式上報（默認0.2Hz頻率）阿里云物聯網服務平臺[10-11]，實現遠程穿透，RTK定位坐標自動回傳。北斗RTK定位結果上云的數據流向如圖3所示。

圖3 Node.js串口上傳北斗RTK定位結果

NMEA-GGA 語句包括語句ID標識頭、世界時間、緯度、緯度方向、經度、經度方向、定位狀態指示、使用衛星數量、HDOP—水平精度因子、橢球高、高度單位、大地水準面高度異常差值、高度單位、差分數據期限、差分參考基站標號、校驗和結束標記（用回車符＜CR＞和換行符＜LF＞）17個字段，分別用14 個逗號進行分隔，即 $GPGGA,＜1＞,＜2＞,＜3＞,＜4＞,＜5＞,＜6＞,＜7＞,＜8＞,＜9＞,M,＜10＞,M,＜11＞,＜12＞*xx＜CR＞ ＜LF＞，格式示例為；

$GPGGA,084400.000,3028.8931184,N,11424.7794113,E,5,06,3.7,44.7958,M,-13.5787,M,1.0,0381*5D

其中，$ GPGGA為ID標示頭；＜1＞為UTC時間，格式為hhmmss.sss；＜2＞、＜4＞分別為緯度、經度，格式為ddmm.mmmm；＜3＞、＜5＞分別為緯度方向N或S、經度方向E或W；＜6＞為解算狀態指示，0初始化、1單點定位、 2碼差分、 3無效PPS、 4固定解、 5浮點解、 6正在估算、7人工輸入固定值、8模擬模式、9WAAS差分；＜7＞為使用衛星數量，00～12；＜8＞為HDOP—水平精度因子，0.5～99.9，一般認為HDOP越小，質量越好；＜9＞、＜10＞分別為海拔高度、大地水準面高度異常差值，-9999.9～9999.9 m，M指單位m；＜11＞為差分數據期限，最后設立RTCM傳送的秒數量，若不是差分定位則為空；＜12＞為差分參考基站標號，0000～1023；*為語句結束標志符；xx為從$開始到*之間的所有ASCII碼的異或校驗；＜CR＞、＜LF＞分別為回車符、換行符，均為結束標記。

阿里云物聯網平臺操作包括注冊北斗RTK設備、選擇Node.js開發包、下載“aliyun-iot-device-sdk”、配置文件并上傳數據4個步驟。確保Raspberry Pi接入互聯網并安裝最新版Node.js后，再安裝Node-serialport并運行“aliyun-iot-device-sdk”。數據上云需要完成4個步驟；

1）安裝最新版Node.js.，執行語句為；

$ npm config set registry http://registry.npm.taobao.org

2）安裝Node-serialport包，執行語句為；

$ sudo npm install serialport --unsafe-perm --build-form-source

3）修改阿里云物聯網平臺SDK的Index.js，實現串口讀取數據，執行語句為；

const SerialPort = require('serialport') ‘ 導入包

const port = new SerialPort('/dev/ttyACM0', {

baudRate:115200, ‘波特率

dataBits:8, ‘數據位

parity:'none', ‘奇偶檢校

stopBits:1, ‘停止位

flowControl:false, ‘流控開關

autoOpen: false ‘是否自動連接

});

var gga;

port.open(function (error) {

if ( error ) {

console.log('failed to open: '+error);

} else {

console.log('open');

port.on('data', function(data) {

gga = data.toString();

});

}

});

setInterval(() =＞ {

const params = {

GGA: gga

};

4）運行程序，實現數據上云，執行語句為；

$ sudo bash start.sh

終端高精度位置數據上云后，即可采用GeoServer服務構建WebGIS系統，如圖4所示。利用低成本北斗RTK物聯網設備成果，充分發揮其定位精度高等技術優勢，以現有北斗基站為支撐，同時利用物聯網通信技術、大數據分析技術和GIS服務技術，在安全管理方面開展基于安全稽查現場作業的智能安全帽、智能接地線等智能工器具工程應用。通過對智能工器具定位芯片的改造，現場數據實時感知和綜合應用，實現對作業現場風險的感知和預警，以及對人員和施工過程安全的定位與管控。

圖4 基于低成本北斗RTK物聯網設備搭建的電力北斗時空基準平臺

4 結 語

隨著我國北斗相關設備研制水平的大幅提高和應用范圍的不斷拓展，在物聯網浪潮的沖擊下，作為萬物互聯時代提供位置信息最有效的手段，北斗系統與物聯網相結合將帶來越來越多的應用。物聯網平臺接收并存儲北斗RTK終端設備的定位結果，并通過NMEA-GGA解析獲得終端設備的定位坐標、定位模式、定位精度等信息，再結合GIS和遙感技術強大的可視化和地理空間分析能力，配合運用大數據、人工智能等高新技術，實現北斗智能化應用。基于此，本文采用Raspberry Pi和Node.js成功研發了低成本北斗RTK物聯網設備，可在諸多場景進行應用，如人員、設備位置上報，農機自主導航，自然或人工構建監測，基于厘米級定位精度配合高精度地圖實現車道級導航等。