NMEA. Ortung und Navigation in TelematikDiensten. von Felix Hahn, Nico Thiemann, Christopher Wannek

Transkript

1 NMEA Ortung und Navigation in TelematikDiensten von Felix Hahn, Nico Thiemann, Christopher Wannek

2 Agenda 1. Was ist die NMEA? 2. Geschichte 3. Was ist der NMEA-Standard? 4. Warum NMEA? 5. Entwicklung von NMEA 6. NMEA heute & morgen 7. Implementierung 8. Verwandte Bussysteme 9. Quellen 2

3 1 Was ist NMEA? National Marine Electronics Association (NMEA) - US-Amerikanische Vereinigung von Elektronikhändlern und -herstellern der Schifffahrtsindustrie Eine Non-Profit Organisation Ziel: Entwicklung und Förderung der Zusammenarbeit zwischen Händlern, Behörden und Herstellern von Schifffahrtselektronik für die Schaffung internationaler Standards ONTD TM13 NMEA

4 2 Geschichte Gründung 1957 auf der New York Boat Show durch Händler von maritimer Elektronik 1964 erster Product Award für Everett Scarlett für Entwicklung des DX Navigators Loran von der NMEA 1969 Aufnahme der NMEA als Gesellschaft Ebenfalls 1969 die erste Fachzeitschrift von der NMEA, die über Neuigkeiten in der maritimen Elektronikbranche informierte ONTD TM13 NMEA

5 2 Geschichte II 1979 Erste Verleihung des Fessenden Award von der NMEA an Jack Cain von Lorain Electronics für die Entwicklung eines integrierten VHF- Funknetzwerkes in den Great Lakes 1980 Erster NMEA-Standard 0180 wird veröffentlicht 1982 Weiterentwicklung des NMEA-0180-Standards unter dem Namen NMEA-0182 veröffentlicht 1983 Die NMEA veröffentlicht den neuen und nicht abwärtskompatiblen NMEA-0183-Standard (aktuell Version V 4.10 und NMEA 0183 HS (High Speed) V1.01) ONTD TM13 NMEA

6 2 Geschichte III 2001 Der Standard NMEA-2000 wird veröffentlicht (aktuell Edition 3.00) Heute Herausgeber von Marine Electronics, the Official Journal of the NMEA Regionale Treffen und jährliche Konferenz der Mitglieder Öffentlichkeitsarbeit zum Thema sicherer und nützlicher Umgang mit Geräten der maritimen Elektronik ONTD TM13 NMEA

7 3 Der NMEA-Standard Standard für die Kommunikation zwischen Navigations- geräten a Schiffen, der von der National Marine Electronics Association (NME definiert wurde und auch für die Kommunikation zwischen GP Empfänger und PCs sowie mobilen Endgeräten genutzt wird. ONTD TM13 NMEA

8 4 Warum NMEA? NMEA Standards beseitigen die Inkompatibilität zur Kommunikation de Marineelektronik! Die NMEA Standards sind bereits in vielen Geräten der Schifffahrt implementiert, da sie von vielen Organisationen und Behörden anerkan werden. Standards: NMEA 0180 und 0182 (nicht mehr im Einsatz) NMEA 0183 der am meisten eingesetzte Standard der NMEA Der auf dem CAN-Bus aufsetzende NMEA 2000-Standard findet imm mehr Verbreitung, ist aber im Vergleich noch relativ wenig im Einsat

9 5 Entwicklung von NMEA erste Einführung des Standards NMEA 0180 regelt einheitliche Übertragung von digitalen Daten bietet nur Kursinformationen (Abweichung) Autopilot nur für Loran-C-Navigationsempfänger Hyperbelnavigation Format-Aufbau: Abweichung: 1-31 Steuerbord 32 kursgerecht Backbord Prüfbit Form Kommunikation serielle Schnittstelle (RS-232) Einfaches Datenformat ONTD ein TM13 einziges Daten-Byte NMEA (8 Bits) Übertragung alle 0,8 bis 5 Sekunden bei 1200

10 5 Entwicklung von NMEA Einführung des Standards NMEA 0182 nahezu identisch dem NMEA 0180 abwärtskompatibel zu Listenern Bit Parameter Daten Komplexes Datenformat Nachricht 37 Bytes Übertragung alle 2 bis 8 Sekunden mit 4800 Baud ASCII-Zeichensatz 10

11 5 Entwicklung von NMEA Einführung des Standards NMEA 0183 veraltet, dennoch weit verbreitet z.t. nicht mehr Rückwärtskompatibel 1 Talker, x Listener Versionen: v1.5, v2.0 - v2.3 RS-232 und RS-422 Erfassungszeitpunkt Navigation receiver warning Breitengrad Längengrad $GPRMC,225446,A, ,N, ,W,000.5,054.7,191194,02 Ch Sentence Format Nachricht 37 Bytes Übertragung in Form von Sätzen 80 Zeichen zzgl. $ und CR/LF Felder variabler Länge Satztyp (Sentence ID) Gerätetyp (Talker ID) Satzbeginn Erfassun Richtung in Grad Geschwindigkeit in kn M A 11

12 5 Entwicklung von NMEA 0183 Talker ID AG Autopilot - General CS Communications Satellite ER Engine Room Monitoring Systems LC Loran C P Proprietary Code SN Electronic Positioning System ZA Timekeeper Atomic Clock Datensätze $GPASD - Autopilot System Data $GPMWV - Wind Speed and Angle $GPLCD - Loran-C Signal Data $GPMWD - Wind Direction $GPRMC - Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data $GPVBW - Dual Ground/Water Speed $GPZDA - Time & Date 12

13 5 Entwicklung von NMEA 0183 Beispiel Navman 3100 Datensatz: Wind Speed and Angle $--MWV,x.x,x,x.x,a,*hh Satztyp Checksumme Windgeschwindigke Windgeschwindigkeit Referenz Windwinkel,

14 6 NMEA heute & morgen Versionen NMEA 0183 Version 3.01 seit 2002 immer noch weit verbreitet günstig in der Umsetzung NMEA 0183 Version Aktualisierung für AIS 59 neue Sätze GNS Sätze für Galileo neuer Schaltplan NMEA 0183 Version 1.01 HS High Speed Baud Zusammenfassen mehrerer Daten durch M x Talker und x Listener neue Sentences Abwärtskompatibel bis v2.0 RS422 Bluetooth- und USB-Schnittstelle / Übertr 14

15 6 NMEA heute & morgen Versionen NMEA 0183 Version 3.01 seit 2002 immer noch weit verbreitet günstig in der Umsetzung NMEA 0183 Version Aktualisierung für AIS 59 neue Sätze GNS Sätze für Galileo neuer Schaltplan NMEA 0183 Version 1.01 HS High Speed Baud Zusammenfassen mehrerer Daten durch M x Talker und x Listener neue Sentences Abwärtskompatibel bis v2.0 RS422 Bluetooth- und USB-Schnittstelle / Übertr 15

16 6 NMEA heute & morgen Hardware Talker Senden Daten an andere Geräte z.b.: GPS, AIS, Kreiselkompass etc. Listener Empfangen Daten und werten diese aus z.b.: elektronische Seekarte / Radar Bridge Ma Autopilot etc. Minentauchereinsatzboot Bad Rappenau 16

17 6 NMEA heute & morgen 2000 NMEA 2000 seit 2000 Nachfolger von NMEA 0183 Erweiterung von SAE J1939 Netzwerk zur Datenübertragung Basiert auf den CAN-Bus Multi-Master x Talker und x Listener Geschwindigkeit 250 kbit Bis zu 50 Geräte Max. 200 Buslänge NMEA 2000 Format 3 Bit Priority Beispiel: 29 Bit CAN ID CAN Identifier 18 Bit PGN Wind Data Parameter Group Number Windrichtung und Windgeschwindigkeit Battery Status 0 8 Byte Data Field 8 Bit Source Address Vermittelt Ladezustand batteriebetriebene Geräte 17

18 6 NMEA heute & morgen NMEA 2000 Komponenten Distanz 200m Kabellänge 4-poliges geschirmtes Kabel 2 Adern zur Datenübertragung 2 Adern für die 12 V Spannungsversorgung

19 6 NMEA heute & morgen Netzwerk 19

20 6 NMEA heute & morgen Beispiel 20

21 6 NMEA heute & morgen OneNet OneNet Netzwerkinterface auf dem IEEE Ethernet Standard Transport von NMEA 2000 Nachrichten ergänzt NMEA 2000 und arbeitet mit ihm zusammen Fortführung und Weiterentwicklung auf Ethernet-basierte Applikationen Der OneNet Standard referenziert auf den International Netzwerkstandard RFC Unterstützt die meisten Netzwerk Neuerungen auch Glasfaser möglich Zukunftssicher 21

22 6 NMEA heute & morgen OneNet Unterschiede: OneNet NMEA Geräte 50 Geräte Hohe Bandbreite mit 100 Mega- bis 10 Gigabits über Ethernet Standard Video (Ethernet Video Protokolle) Standard IEEE Power over Ethernet (stellt min 15,4 W / Geräte zur Verfügung) mal langsamer Keine derartige Protokollunterstützung Geringe Stromversorgung nur für Anzeigeinstrumente 22

23 7 Implementierung I NMEA 0183 Daten an Endgeräte übertragen: 23

24 7 Implementierung II NMEA 2000 Daten an Endgeräte übertragen: 24

25 7 Implementierung III Grundlegende Vorgehensweise serielle Verbindung Anbinden des NMEA Netzwerks an ein Endgerät über: RS232, RS422, USB, Bluetooth Im Quelltext die serielle Schnittstelle initialisieren und öffnen Den eingehenden Datenstrom filtern, aufbereiten oder konvertieren Datenstrom speichern oder bereitstellen für eine weitere Verwendung Speicherbar in: TXT, XML, CSV, JSON 25

26 7 Implementierung IV Beispiel C++ Implementierung 26

27 7 Implementierung V Vorgefertigte APIs und Windows Software Java: Java Marine API (NMEA 0183 Parser) Java API for NMEA Programming C++: C++ NMEA Sentence Parser C: C NMEA Library Python: pynma Windows Software: NMEA Monitor for Windows VisualGPS NavMonPc 27

28 7 Implementierung VI Grundlegende Vorgehensweise Netzwerk Verbindung: Anbinden des NMEA Netzwerks an ein Endgerät über: W-LAN oder Ethernet an einen W-LAN/Ethernet Multiplexer TCP oder UDP Netzwerk Client entwickeln Im Client die IP-Adresse des Multiplexers festlegen Datenstrom speichern oder bereitstellen für eine weitere Verwendung Speicherbar in: TXT, XML, CSV, JSON 28

29 7 Implementierung VII Integration von Smartphones in NMEA-Netze Hauptsächlich zum Monitoring und zur Navigation Datenübertragung über W-LAN oder Bluetooth zum Smartphone Android Apps: Maretron N2KView GPS NMEA Monitor ios: Skippers Eye iregatta Windows Mobile: Vito Smartmap 1.0 GpsDash2 29

30 7 Implementierung VIII NMEA-Datensätze mit Smartphones erzeugen Android API für NMEA 0183 GPS-Datensätze: GpsStatus.NmeaListener Vorhandene Apps die NMEA-Datensätze über das integrierte GPS erzeugen: Android: NMEA Recorder Turbo GPS2 GPS NMEA Bluetooth Transmitter ios (kein Bluetooth Übertragung möglich): GPS 2 IP NMEAremote 30

31 7 Implementierung IX Portable NMEA-Lösung Android Smartphone: TurboGPS 2 ipad ohne GPS: SEQiq 31

32 8 Verwandte Bussysteme I Seatalk von Raymarine Proprietäres System für die Kommunikation zwischen verschieden Geräten in der Schifffahrt Nicht kompatibel mit NMEA-Standards Alle Geräte parallel geschaltet Datenübertragung: 8 Datenbits, je 1 Start- und Stopbit 1 Paritätsbit (dient jedoch nicht zur Prüfung von Übertragungsfehlern, sondern zur Kennzeichnung des Datensatzanfangs) Sehr verbreitet 32

33 8 Verwandte Bussysteme II SiRF von SiRF Technology Inc. (seit 2009 CSR) Geräte mit SiRF-Chipsätzen unterstützen NMEA Standard oder kommunizieren mit SiRF Binary-Protocol Kein offenes Protokoll Übertragung über einen seriellen Port Übertragungsgeschwindigkeit 1200 bis Baud 33

34 8 Verwandte Bussysteme III Garmin Marine Network eigenständiges, Ethernet-ähnliches Netzwerk Nahtlose Kommunikation aller Garmin Marine Geräte Multifunktionsdisplays erkennen die angeschlossenen Geräte automati und ermöglichen Direktanschluss von Echolot, GPS und Radar 34

35 9 Quellen OneNet Summary for NMEA Board of Directors Steve Spitzer, Technical Director, July