劉 晉，楊一晨，郭 健，申 皓

（遼寧師范大學 計算機與信息技術(shù)學院，遼寧 大連116081）

GPS車載導(dǎo)航與防盜系統(tǒng)是集合全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息處理系統(tǒng)(GIS)、數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM)和計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過移動通信網(wǎng)絡(luò)的形式傳遞信息的高科技產(chǎn)品，可實現(xiàn)全球衛(wèi)星智能導(dǎo)航、防盜報警、娛樂等諸多功能。

1 總體設(shè)計

根據(jù)車載導(dǎo)航與防盜的實際需求，本系統(tǒng)具有以下功能：

(1)定位功能：GPS通過接收衛(wèi)星信號，準確地定位其所在的位置，位置誤差小于10 m，利用GPS在地圖上實時顯示車輛當前位置；

(2)地圖導(dǎo)航功能：輸入目標地點后，自動在地圖上顯示出行車路線。若用戶不小心錯過路口，沒有走車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)推薦的最佳線路，該系統(tǒng)將重新為用戶設(shè)計一條回到主航線的路線，或是為用戶設(shè)計一條從新位置到達終點的最佳線路；

(3)語音導(dǎo)航功能：輸入目標地點后，車輛若遇到前方路口或者轉(zhuǎn)彎時，車載GPS語音系統(tǒng)提示用戶轉(zhuǎn)向等語音提示；

(4)防盜功能：若車輛被盜，則通過 GPRS發(fā)送短信給用戶，返回車輛當前位置，便于追蹤；

(5)娛樂功能：播放 U盤、SD卡中的圖片、音頻、視頻文件以及游戲模式；

(6)智能導(dǎo)航功能：在短時間內(nèi)失去GPS信號時，可根據(jù)車內(nèi)的加速度傳感器，結(jié)合行車速度計算出行車的實際情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

鑒于以上功能，可將系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)分為主控模塊、GPS模塊、GPRS模塊、重力加速度傳感器模塊、LCD觸摸屏模塊和語音報讀模塊七大功能模塊，如圖1所示。

(1)主控模塊：選用FS2410開發(fā)板，主要用于控制并協(xié)調(diào)系統(tǒng)模塊間的正常通信。此控制模塊包含兩片大小為32 MB的NAND Flash、一片大小為2 MB的NOR Flash以及一片以太網(wǎng)控制芯片、兩個USB接口、一個HOST接口、一個SD卡接口、一個液晶接口、兩路串口通信模塊等硬件資源。其中雙串口能達到GPS模塊、GPRS模塊通信的要求。

(2)GPS模塊：GPS是20世紀 70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要功能是按照衛(wèi)星的截止角跟蹤衛(wèi)星的運行，捕獲相應(yīng)的衛(wèi)星信號，從而測量出接收器到衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，計算出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)，進而得出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。本系統(tǒng)采用的芯片是SIRF2e/LP，定位精度可達到2 m，加速度可達到0.1 m/s，最高海拔支持18 000 m。該模塊在本系統(tǒng)中與S3C2410的UART接口2相連接。

(3)GPRS模塊：本系統(tǒng)采用的是PTB206型號的通信模塊，它支持GSM900/DCS 1 800 MHz的頻段，支持GSM 07.07標準AT指令集，支持上傳和下載，速率能達到85.6 kb/s，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議。該模塊在本系統(tǒng)中與S3C2410的UART接口1相連接。

(4)重力加速度傳感器模塊：是一種重力傳感器(G-sensor)，根據(jù)電壓效應(yīng)原理，由彈性敏感器件構(gòu)成懸臂式位移器，結(jié)合儲能彈簧來驅(qū)動電觸點，完成從重力變化到電信號的轉(zhuǎn)換，從而計算出產(chǎn)生電壓與所施加的加速度傳感器之間的關(guān)系，以實現(xiàn)將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出、檢測目標是否有移動的行為、判斷設(shè)備是否被盜，并配合GPRS模塊實現(xiàn)防盜、追蹤的目的。系統(tǒng)中使用的芯片是ADXL345，它是一款小巧纖薄的低功耗三軸加速度計，分辨率為3.9 mg/LSB，測量傾斜角度變化精度能達到1.0°，可以對高達±16 g的加速度進行高分辨率(13位)測量，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式。該模塊可通過 SPI（3線或 4線）或者 I2C數(shù)字接口與主控模塊的GPIO口相連接。

(5)LCD觸摸屏模塊：主要用于電子地圖、多媒體應(yīng)用，可提供豐富的圖形界面以及人機交互操作。本系統(tǒng)中采用的是臺灣東華公司的一款型號為WXCAT-35TG3的 3.5寸 TFT LCD。 分辨率為 RGB 320×240，屏幕表面有一片四線電阻式觸摸屏。

(6)語音報讀模塊：在導(dǎo)航、防盜報警時，本模塊將實現(xiàn)各種功能的提示。在本系統(tǒng)中采用的語音芯片是ISD1420P。利用該芯片可以實現(xiàn)語音分段錄、放音的功能，最小分段20 s/160段，并且高優(yōu)先級錄音，低電平或負邊沿觸發(fā)放音。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，軟件開發(fā)平臺采用的是ubuntu 8.10，UBOOT選用的版本是1.3.4，Linux內(nèi)核選用的版本是Linux-2.6.26，交叉編譯器選用的是 gcc-4.1.1，GUI的版本用的是QT-embedded-4.5.2[1]。

3.1 總體IO任務(wù)分解

圖2顯示的是總體IO任務(wù)分解。

(1)重力加速度傳感器的任務(wù)：實時地獲取當前的角度數(shù)據(jù)并送于主控；

(2)GPS任務(wù)：通過UART2接收任務(wù)，負責 GPS數(shù)據(jù)的接收、檢驗，并把獲取的數(shù)據(jù)進行處理并送于主控；

(3)GPRS任務(wù)：在系統(tǒng)開機時，負責建立GPRS數(shù)據(jù)鏈路，同時主控通過UART1發(fā)送任務(wù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，實現(xiàn)監(jiān)控；

(4)主控任務(wù)：對重力加速度傳感器、GPS模塊獲取到的數(shù)據(jù)實時地進行讀寫與計算控制，并且針對GPRS模塊進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，同時結(jié)合用戶實時的需要開啟相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)。

3.2 GPS的數(shù)據(jù)接收與處理

GPS模塊采用中斷方式對GPS數(shù)據(jù)進行接收以及對GPS數(shù)據(jù)中的時間、位置等進行處理[2]。在默認情況下，GPS模塊輸出數(shù)據(jù)的波特率為4 800 b/s，輸出信息的消息 類 型 有 ：GPRMC、GPRGA、GPGSA、GPGSV、PGRME 等 ，詳細的GPS數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3.3 地圖的處理與顯示

MapInfo是美國MapInfo公司的桌面地理信息系統(tǒng)軟件，是一種數(shù)據(jù)可視化、信息地圖化的桌面解決方案。它是以mif格式來存儲的，每個mif文件由兩個部分組成：文件頭和數(shù)據(jù)區(qū)。其中文件頭用于將MapInfo這樣的地圖數(shù)據(jù)生成電子地圖，數(shù)據(jù)區(qū)則用來定義幾何對象。導(dǎo)航的界面顯示是Trolltech[3]公司的 Qt/Embedded2.3.6和Qtopia1.7來實現(xiàn)應(yīng)用程序的人機界面交互的。地圖的存儲采用的是SQLite[4]數(shù)據(jù)庫，它是一款開源的輕型數(shù)據(jù)庫，占用的資源非常低，在嵌入式設(shè)備中，只需要幾百K的內(nèi)存就可以運行。

3.4 GPRS模塊的設(shè)計

GPRS模塊用于實現(xiàn)防盜追蹤功能，處理器利用AT指令(Attention Command)來進行模塊操作[5]。AT指令是一套通過串口來控制MODEM的標準協(xié)議族，指令的格式以AT開頭，以CR結(jié)束。詳細的GPRS工作流程如圖4所示。

3.5 加速度傳感器的設(shè)計

加速度傳感器需實現(xiàn)兩大功能：(1)防盜功能：當發(fā)生盜竊時，加速度信號會發(fā)生不同于靜止狀態(tài)的不規(guī)則變化，采用標準差分析法對加速度信號進行分析，可以判斷盜竊事件的發(fā)生；(2)GPS盲區(qū)內(nèi)的定位：利用加速度傳感器獲取車輛的加速度，當車輛進入“城市峽谷”等GPS盲區(qū)點時，利用航位推算的DR算法來實現(xiàn)短時間內(nèi)的定位。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)以北京海淀區(qū)北四環(huán)為例，展示了系統(tǒng)的運行情況，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。其中圖5顯示的是導(dǎo)航時導(dǎo)航線路的選取與設(shè)置。圖6是防盜通信設(shè)置主界面，通過此界面來設(shè)置防盜端的手機號碼、防盜消息的發(fā)送來實現(xiàn)防盜，同時通過系統(tǒng)密碼的設(shè)置來加強系統(tǒng)的安全性。圖7是多媒體播放部分，圖中顯示的是正在播放音頻文件主界面。

本文以FS2410開發(fā)板作為硬件支持，以Linux為開發(fā)平臺，以 Qt/Embedded為 GUI設(shè)計界面，通過嵌入式軟硬件結(jié)合的設(shè)計方法，最終設(shè)計并實現(xiàn)了嵌入式車載導(dǎo)航與防盜系統(tǒng)。

[1]韋東山.嵌入式 Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京：科學出版社，2008.

[3]Trolltech.Qt reference documentation Qt/Embedded[A].Norway：Trolltech，2004.

[4]胡菲菲.SQLite在嵌入式電子地圖中的應(yīng)用[J].湖南科技學院學報，2008，29(4)：82-84.

[5]孫勇，劉杰.基于ARM的GPRS通信終端設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2010，23(5)：49-52.