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IoT-For-Beginners 定位跟踪实战：用 CounterFit 虚拟 GPS 传感器读取 UART 位置数据

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本文是 IoT-For-Beginners 课程 Transportation（运输）项目第 1 课「Location tracking（定位跟踪）」中虚拟设备分支的完整实战指南：基于 CounterFit 模拟一个通过 UART 串口输出的 GPS 传感器，用 Python 编写虚拟 IoT 设备程序读取原始 NMEA 数据，并掌握 Lat/Lon、NMEA、GPX 三种数据注入方式。读完并完成实操后，你将能在没有真实硬件的情况下搭建完整的 GPS 读取链路，为后续解码位置数据、构建车辆跟踪应用打下基础。

背景：虚拟 GPS 传感器如何模拟真实硬件

在本课中，你将给虚拟 IoT 设备（virtual IoT device）添加一个 GPS 传感器并读取它的值。虚拟设备使用的 GPS 传感器是一个模拟器件，通过 UART（通用异步收发传输器）以一个串口（serial port）对外提供数据。

真实 GPS 传感器内部有一根天线，用于接收 GPS 卫星的无线电波，并将 GPS 信号转换成 GPS 数据。虚拟版本通过以下三种方式模拟这一行为：

• 设置纬度和经度（Lat/Lon）：直接指定一个位置，可同时指定参与定位的卫星数量；
• 发送原始 NMEA 语句（NMEA sentences）：手动填入 NMEA 0183 标准报文，由虚拟传感器逐条发出；
• 上传 GPX 文件（GPX file）：GPX 文件包含一条轨迹上的多个 GPS 位置点，虚拟传感器会按每秒 1 个的节奏依次返回每个位置。

注：NMEA 语句的具体含义（语句结构、GGA 定位报文、度分格式等）会在本课后续内容中专门讲解，对应课程主文档见 Location tracking 课程 README，英文原版本课本文档为 virtual-device-gps-sensor.md。

任务一：在 CounterFit 中添加 GPS 传感器

要使用虚拟 GPS 传感器，需要先把它添加到 CounterFit 应用中。

前置条件：Python 项目与 CounterFit 包

如果尚未完成虚拟设备环境搭建，可先参考课程第 1 课的 虚拟单板计算机指南，其中包含创建 Python 虚拟环境、安装 CounterFit 相关 pip 包以及运行counterfit启动 Web 应用的完整步骤。此处仅列出与 GPS 传感器相关的要点：

1. 在电脑上创建一个名为gps-sensor的文件夹，里面只有一个名为app.py的文件和一个 Python 虚拟环境（.venv），并在虚拟环境中安装 CounterFit 的 pip 包（CounterFit、counterfit-connection等）。

2. 额外安装一个 CounterFit shim（垫片）包，它能让 Python 代码通过串口连接与基于 UART 的虚拟传感器通信。务必在已激活虚拟环境的终端中执行：

   pip install counterfit-shims-serial

3. 确保 CounterFit Web 应用正在运行（在安装了 CounterFit 的虚拟环境终端中执行counterfit启动，它会自动在浏览器中打开界面）。

提示：如果 5000 端口被其他应用占用，可以在代码中修改连接端口，并用CounterFit --port <port_number>以其他端口启动 CounterFit（详见第 1 课虚拟设备指南）。

创建 UART GPS 传感器

1. 在 CounterFit 界面的Sensors面板中找到Create sensor（创建传感器）区域；
2. 展开Sensor type（传感器类型）下拉框，选择UART GPS；
3. 将Port（端口）保持默认值/dev/ttyAMA0不变——这是虚拟 GPS 传感器使用的 UART 端口地址，/dev/ttyAMA0正是树莓派等单板计算机上 UART 硬件串口的典型设备文件名，CounterFit 借此保持虚拟硬件与真实硬件的命名一致；
4. 点击Add按钮，在端口/dev/ttyAMA0上创建 GPS 传感器。

传感器创建成功后会出现在传感器列表中。

任务二：编写读取 GPS 数据的 Python 应用

虚拟 IoT 设备现在可以编程来使用这个虚拟 GPS 传感器了。

1. 确保gps-sensor应用已在 VS Code 中打开；

2. 打开app.py文件；

3. 在文件顶部添加以下代码，让应用连接到 CounterFit：

   from counterfit_connection import CounterFitConnection CounterFitConnection.init('127.0.0.1', 5000)

   这段代码从counterfit-connectionpip 包导入CounterFitConnection类，并初始化到运行在本机127.0.0.1（localhost）、端口 5000 上的 CounterFit 应用的连接。

4. 在下方添加以下代码，导入所需库（包括 CounterFit 串口库）并打开虚拟串口：

   import time import counterfit_shims_serial serial = counterfit_shims_serial.Serial('/dev/ttyAMA0')

   这段代码从counterfit_shims_serialpip 包导入串口模块，然后连接到/dev/ttyAMA0串口——这正是虚拟 GPS 传感器为其 UART 端口使用的串口地址。shim 的意义在于：你在电脑上写这段代码时，代码形态与在树莓派上用物理串口驱动访问 UART 外设完全一致，从而保证虚拟设备代码可以直接移植到真实硬件。

5. 再往下添加读取串口数据并打印到控制台的代码：

   def print_gps_data(line): print(line.rstrip()) while True: line = serial.readline().decode('utf-8') while len(line) > 0: print_gps_data(line) line = serial.readline().decode('utf-8') time.sleep(1)

   代码逻辑说明：

   • 定义了函数print_gps_data，把传入的一行数据去掉行尾字符（rstrip()）后打印到控制台；
   • 外层while True循环不断从串口读取数据。内层循环在每一轮中尽可能多地读取文本行，每读一行就调用一次print_gps_data；
   • 当某次readline()返回空行（没有新数据）时，本轮读取结束，程序休眠 1 秒后再次尝试，从而避免忙等待，同时保持 1 秒级的轮询节奏——与虚拟 GPS 传感器每秒发一个位置点的节奏相匹配。

   完整的可直接运行代码参见仓库中的 app.py 示例文件。

6. 运行该代码。注意要使用与运行 CounterFit 应用的终端不同的终端，这样才能让 CounterFit 应用保持运行状态；

7. 从 CounterFit 应用中改变 GPS 传感器的值（见下一节），控制台就会开始打印传感器数据。

三种数据注入方式：Lat/Lon、NMEA、GPX

在 CounterFit 应用中选择已创建的 GPS 传感器后，可以通过以下三种方式之一设置其数据源（Source），配置完成后点击Set按钮把这些值提交给传感器。

方式一：Lat/Lon（经纬度直接设定）

• 将Source设为Lat/Lon；
• 设置明确的纬度、经度，以及用于获得 GPS 定位（fix）的卫星数量；
• 该值只会发送一次，因此需勾选Repeat复选框，让数据每秒重复发送。

方式二：NMEA（原始语句）

• 将Source设为NMEA，在文本框中填入若干条 NMEA 语句；
• 所有语句都会被发送，且在每条新的 GGA（定位）语句可以被读取之前，会有 1 秒的延迟；
• 你可以使用 NMEA 语句生成类工具（如 NMEA 生成器网站），通过在地图上绘制轨迹来生成这些语句；
• 这些值同样只发送一次，因此勾选Repeat复选框，让全部语句发送完毕后隔 1 秒重复。

方式三：GPX 轨迹文件

• 将Source设为 GPX 文件，上传一个包含轨迹位置点的 GPX 文件；
• GPX 文件可从众多流行的地图与徒步网站（如 AllTrails 等户外轨迹站点）下载。文件以轨迹形式包含多个 GPS 位置点，GPS 传感器会以 1 秒为间隔依次返回每个新位置；
• 值只发送一次，因此同样建议勾选Repeat复选框，让全部位置发送完毕后隔 1 秒重复。

观察原始输出并理解 GGA 报文

程序运行后，你会看到 GPS 传感器的原始输出，形如：

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

这些看似乱码的输出其实是标准的 NMEA 0183 报文。以这条$GNGGA（GPS Fix Data，GPS 定位数据）语句为例，它包含纬度、经度、海拔、参与定位的卫星数量等信息：

• 纬度部分是4738.538654,N，采用 NMEA 的(dd)dmm.mmmm度分格式：47 度 38.538654 分，方向字符N表示北纬，因此是正纬度，换算为十进制度约47.6423109；
• 经度部分是12208.341758,W：122 度 08.341758 分，方向字符W表示西经，因此是负经度，换算为十进制度约-122.1390293。

这正是 GPS 传感器输出的原始数据形态。在本课的下一步「Decode GPS sensor data（解码 GPS 数据）」中，你会使用开源 NMEA 解析库把这类原始报文解码为可用的经纬度——虚拟设备与树莓派共用的解码指南见 single-board-computer-gps-decode.md，仓库中也提供了对应的解码版示例代码（在pynmea2解析基础上增加了S/W方向的负值处理），可参考 code-gps-decode 示例。课程 README 末尾还给出了进阶挑战：不依赖第三方库，自己编写一个从 NMEA 语句中提取经纬度的解码器。

小结与验证清单

完成本节后，你的虚拟 GPS 链路应满足以下验证点：

至此，你已经成功用虚拟硬件完成了 GPS 传感器编程——无需任何实体设备，代码即可直接复用到树莓派或 Wio Terminal 等真实硬件上，这也是 IoT-For-Beginners 课程「同一套代码，虚拟/真实设备通用」的核心设计思路。

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