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        嵌入式車載導(dǎo)航與防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

        2012-11-24 02:17:46楊一晨
        關(guān)鍵詞:防盜嵌入式加速度

        劉 晉,楊一晨,郭 健,申 皓

        (遼寧師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)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(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù),通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的形式傳遞信息的高科技產(chǎn)品,可實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星智能導(dǎo)航、防盜報(bào)警、娛樂等諸多功能。

        1 總體設(shè)計(jì)

        根據(jù)車載導(dǎo)航與防盜的實(shí)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(hào),準(zhǔn)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(shí)時(shí)顯示車輛當(dāng)前位置;

        (2)地圖導(dǎo)航功能:輸入目標(biāo)地點(diǎn)后,自動(dòng)在地圖上顯示出行車路線。若用戶不小心錯(cuò)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(jì)一條回到主航線的路線,或是為用戶設(shè)計(jì)一條從新位置到達(dá)終點(diǎn)的最佳線路;

        (3)語音導(dǎo)航功能:輸入目標(biāo)地點(diǎn)后,車輛若遇到前方路口或者轉(zhuǎn)彎時(shí),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(dāng)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(shí)間內(nèi)失去GPS信號(hào)時(shí),可根據(jù)車內(nèi)的加速度傳感器,結(jié)合行車速度計(jì)算出行車的實(shí)際情況。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        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(bào)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(gè)USB接口、一個(gè)HOST接口、一個(gè)SD卡接口、一個(gè)液晶接口、兩路串口通信模塊等硬件資源。其中雙串口能達(dá)到GPS模塊、GPRS模塊通信的要求。

        (2)GPS模塊:GPS是20世紀(jì) 70年代由美國(guó)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(yùn)行,捕獲相應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào),從而測(cè)量出接收器到衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,計(jì)算出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù),進(jìn)而得出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。本系統(tǒng)采用的芯片是SIRF2e/LP,定位精度可達(dá)到2 m,加速度可達(dá)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(hào)的通信模塊,它支持GSM900/DCS 1 800 MHz的頻段,支持GSM 07.07標(biāo)準(zhǔn)AT指令集,支持上傳和下載,速率能達(dá)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(chǔ)能彈簧來驅(qū)動(dòng)電觸點(diǎn),完成從重力變化到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,從而計(jì)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(shí)現(xiàn)將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出、檢測(cè)目標(biāo)是否有移動(dòng)的行為、判斷設(shè)備是否被盜,并配合GPRS模塊實(shí)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(jì),分辨率為3.9 mg/LSB,測(cè)量?jī)A斜角度變化精度能達(dá)到1.0°,可以對(duì)高達(dá)±16 g的加速度進(jìn)行高分辨率(13位)測(cè)量,數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)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(jī)交互操作。本系統(tǒng)中采用的是臺(tái)灣東華公司的一款型號(hào)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(bào)讀模塊:在導(dǎo)航、防盜報(bào)警時(shí),本模塊將實(shí)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(shí)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(jí)錄音,低電平或負(fù)邊沿觸發(fā)放音。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        在本系統(tǒng)中,軟件開發(fā)平臺(tái)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(shí)時(shí)地獲取當(dāng)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(fù)責(zé) GPS數(shù)據(jù)的接收、檢驗(yàn),并把獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并送于主控;

        (3)GPRS任務(wù):在系統(tǒng)開機(jī)時(shí),負(fù)責(zé)建立GPRS數(shù)據(jù)鏈路,同時(shí)主控通過UART1發(fā)送任務(wù),將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控;

        (4)主控任務(wù):對(duì)重力加速度傳感器、GPS模塊獲取到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行讀寫與計(jì)算控制,并且針對(duì)GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送,同時(shí)結(jié)合用戶實(shí)時(shí)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(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行接收以及對(duì)GPS數(shù)據(jù)中的時(shí)間、位置等進(jìn)行處理[2]。在默認(rèn)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(xì)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(guó)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(chǔ)的,每個(gè)mif文件由兩個(gè)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(duì)象。導(dǎo)航的界面顯示是Trolltech[3]公司的 Qt/Embedded2.3.6和Qtopia1.7來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的人機(jī)界面交互的。地圖的存儲(chǔ)采用的是SQLite[4]數(shù)據(jù)庫(kù),它是一款開源的輕型數(shù)據(jù)庫(kù),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(yùn)行。

        3.4 GPRS模塊的設(shè)計(jì)

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

        3.5 加速度傳感器的設(shè)計(jì)

        加速度傳感器需實(shí)現(xiàn)兩大功能:(1)防盜功能:當(dāng)發(fā)生盜竊時(shí),加速度信號(hào)會(huì)發(fā)生不同于靜止?fàn)顟B(tài)的不規(guī)則變化,采用標(biāo)準(zhǔn)差分析法對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)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(dāng)車輛進(jìn)入“城市峽谷”等GPS盲區(qū)點(diǎn)時(shí),利用航位推算的DR算法來實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的定位。

        4 系統(tǒng)的實(shí)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(yùn)行情況,驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。其中圖5顯示的是導(dǎo)航時(shí)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(jī)號(hào)碼、防盜消息的發(fā)送來實(shí)現(xiàn)防盜,同時(shí)通過系統(tǒng)密碼的設(shè)置來加強(qiáng)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(tái),以 Qt/Embedded為 GUI設(shè)計(jì)界面,通過嵌入式軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,最終設(shè)計(jì)并實(shí)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(cè)[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(xué)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(xué)院學(xué)報(bào),2008,29(4):82-84.

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

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