吳春祥

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)工程系，廣東東莞 523808)

隨著電子計算器技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)、航天科學(xué)技術(shù)的先后出現(xiàn)，把人類帶到了電子信息時代和航天探索時代，同時空間定位技術(shù)手段從光學(xué)機(jī)械儀器過渡到光電子精密機(jī)械儀器的時代，比如在航海、航空、交通、通信工程等重大工程領(lǐng)域都需要精確定位。常見的幾種定位方式包括GPS定位、蜂窩基站定位、無線室內(nèi)定位、A－GPS定位及AP定位等。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，一種新型的物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)逐步發(fā)展起來。筆者提及的“物聯(lián)網(wǎng)智能終端”是指具有CPU、存儲器、具有數(shù)據(jù)通道及嵌入式軟件的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)［1］。通過物聯(lián)網(wǎng)智能終端加上GPS技術(shù)，可用來實(shí)現(xiàn)對終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時位置定位采集，還可以給物聯(lián)網(wǎng)中的終端提供統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中任何兩個智能終端節(jié)點(diǎn)之間任何時間、任何地點(diǎn)的連接。也是解決物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)自主組網(wǎng)的一項關(guān)鍵技術(shù)［2－3］。物聯(lián)網(wǎng)智能終端的位置信息是物聯(lián)網(wǎng)信息采集、傳輸?shù)囊豁椫匾畔?。目前物?lián)網(wǎng)智能終端定位技術(shù)研發(fā)尚處于初級階段，預(yù)計在未來的幾年該技術(shù)將會有更大的突破和更廣的應(yīng)用。

1 GPS在物聯(lián)網(wǎng)智能終端定位中的應(yīng)用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)智能終端

物聯(lián)網(wǎng)是一種通過射頻識別 (RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、激光掃描器等自動標(biāo)識和信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，按約定的協(xié)議，利用局域網(wǎng)、接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)將物與物、人與物、人與人相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層［4］。筆者將各種物聯(lián)網(wǎng)中分布的感應(yīng)識別設(shè)備和信息傳感設(shè)備統(tǒng)稱為物聯(lián)網(wǎng)終端。物聯(lián)網(wǎng)中要實(shí)現(xiàn)任何時間、任何地點(diǎn)的“物物相連”，對物聯(lián)網(wǎng)智能終端精確定位的信息必不可少，是實(shí)現(xiàn)“物物相連”的一個重要基礎(chǔ)。

1.2 GPS物聯(lián)網(wǎng)終智能端定位技術(shù)

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分構(gòu)成:空間部分、地面支撐系統(tǒng)、用戶設(shè)備。GPS向全球范圍內(nèi)提供定時和定位的功能，全球任何地點(diǎn)的GPS用戶通過低成本的GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號，獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時間。GPS要實(shí)時完成定位和定時功能，需要4個參數(shù):經(jīng)度、緯度、高度和用戶時鐘與GPS主鐘標(biāo)準(zhǔn)時間的TDEV(時刻偏差)，所以需要接受4顆衛(wèi)星的位置［5］。

物聯(lián)網(wǎng)從物聯(lián)網(wǎng)的三個目標(biāo)來看，要實(shí)現(xiàn)任何時間、任何事物、任何地點(diǎn)之間的連接即必須包含物體之間的位置信息，所以需要有空間定位技術(shù)的支持，需利用GPS系統(tǒng)。目前，智能手機(jī)均已經(jīng)安裝GPS定位系統(tǒng) (GPS系統(tǒng)是目前最成功的大規(guī)模商業(yè)導(dǎo)航定位系統(tǒng))。因此，基于GPS的物聯(lián)網(wǎng)智能終端定位技術(shù)將具有良好的應(yīng)用前景。

2 GPS物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)架構(gòu)

從物聯(lián)網(wǎng)智能終端定位技術(shù)和GPS定位原理來看，GPS全球定位系統(tǒng)通過測量出已知位置的衛(wèi)星到物聯(lián)網(wǎng)智能定位終端之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道智能終端的具體位置。衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而智能定位終端到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到［6］。據(jù)此，提出一種基于GPS的物聯(lián)網(wǎng)智能終端定位系統(tǒng)應(yīng)用方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GPS物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 GPS物聯(lián)網(wǎng)智能定位終端平臺研發(fā)

3.1 硬件平臺開發(fā)

硬件平臺主要包括系統(tǒng)控制模塊、GPS信號接收模塊，DSP數(shù)據(jù)解析模塊、定位數(shù)據(jù)輸出模塊，如圖2所示。

系統(tǒng)控制模塊采用嵌入式微處理器通過SPI總線與GPS接收模塊以及DSP數(shù)據(jù)處理模塊之間進(jìn)行命令交互、數(shù)據(jù)收發(fā)、格式轉(zhuǎn)換，并監(jiān)測終端電源和GPS接收模塊工作狀態(tài)等信息。GPS信號接收模塊，從GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (至少能從空間搜索到3顆)中接收，接收衛(wèi)星的二進(jìn)制電文形式的坐標(biāo)位置信息。傳輸?shù)紻SP電文處理模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換后，交給核心控制模塊。DSP數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)字信號處理器，將GPS模塊的電文偽碼進(jìn)行解析運(yùn)算，并與GPS接收模塊的時間基準(zhǔn)信號校準(zhǔn)，得出精準(zhǔn)的位置信息輸出模塊。定位數(shù)據(jù)輸出模塊是智能終端最后位置坐標(biāo)信息的輸出單元，以輸入模塊經(jīng)過數(shù)字信號處理器和微處理器處理后得出的數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗(yàn)后再輸出。

3.2 軟件平臺開發(fā)

根據(jù)前文所述整體設(shè)計思路和硬件設(shè)計，系統(tǒng)的軟件平臺采用嵌入操作系統(tǒng)的分層次、多任務(wù)程序設(shè)計方法。

3.2.1 嵌入式操作系統(tǒng)選型

在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，嵌入式操作系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，不同的應(yīng)用對嵌入式軟件系統(tǒng)有不同的要求。目前，已經(jīng)使用比較廣的嵌入式操作系統(tǒng)種類繁多，有免費(fèi)開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)、微軟的Wnidows CE、3COM公司的PalmOS、美國WindRiver公司的VxWorks及嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)uC/OS等。其中，嵌入式Liunx以高效性和靈活性著稱，具有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)支持功能和廣泛硬件支持等特性［7］。基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，可以先在標(biāo)準(zhǔn)平臺上開發(fā)原型然后移植到具體硬件上，加快軟件與硬件的開發(fā)過程。使受開銷、時間限制的研究與開發(fā)項目具有較好的成本和效率優(yōu)勢。所以，操作系統(tǒng)選用嵌入式Linux［8］。

圖2 終端硬件平臺

3.2.2 嵌入式Linux引導(dǎo)程序移植

嵌入式操作系統(tǒng)在微處理器上運(yùn)行前，還需要一個引導(dǎo)程序加載來嵌入式Linux內(nèi)核。U－Boot支持對嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)，并支持多種體系結(jié)構(gòu)的微處理器如ARM、PowerPC、MIPS等。要使嵌入式Linux在微處理器上被引導(dǎo)加載，需要修改U－Boot部分代碼，如重寫Flash的設(shè)備控制程序;初始化時鐘、SMC控制器和SDRAM控制器，根據(jù)硬件平臺資源配置修改CPU、系統(tǒng)時鐘頻率、RAM、Flash配置信息、內(nèi)存映射相關(guān)參數(shù)以及U－Boot的環(huán)境變量和內(nèi)核啟動參數(shù)。

3.2.3 嵌入式Linux系統(tǒng)功能及驅(qū)動移植

從開源社區(qū)下載嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核源碼安裝到開發(fā)環(huán)境的宿主機(jī)上，建立交叉編譯環(huán)境、配置和編譯內(nèi)核，將嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植到智能定位終端的微處理器。內(nèi)核編譯成功后生成操作系統(tǒng)內(nèi)核的鏡像文件，將這個鏡像文件下載到Flash存儲器指定地址。在U－Boot中設(shè)置啟動參數(shù)，即可Boot從指定地址引導(dǎo)加載該操作系統(tǒng)內(nèi)核。

智能定位終端硬件內(nèi)部的各模塊間采用SPI了通信，終端與終端之間采用無線網(wǎng)絡(luò)通信。因此在內(nèi)核配置和編譯過程中必須選中對SPI和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，否則必須自定義這些驅(qū)動和協(xié)議。

4 應(yīng)用程序開發(fā)及軟硬件聯(lián)合調(diào)試

4.1 應(yīng)用程序開發(fā)

圖3 應(yīng)用程序流程

在系統(tǒng)的應(yīng)用層面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、GPS信號接收，DSP數(shù)據(jù)解析、定位數(shù)據(jù)輸出等功能?；谇度胧讲僮飨到y(tǒng)的軟件設(shè)計方法，可以將每個功能模塊以一個任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。嵌入式Linux遵循POSIX線程接口，每個任務(wù)具體通過一個獨(dú)立線程來處理，通過多線程來改善程序的結(jié)構(gòu)，提高任務(wù)響應(yīng)速度，從而提高系統(tǒng)實(shí)時性。應(yīng)用程序的工作流程，如圖3所示。

4.2 軟硬件聯(lián)合調(diào)試

根據(jù)硬件設(shè)計圖制作PCB主板，將核心模塊、DSP模塊、GPS衛(wèi)星接收模塊插入相應(yīng)接口插槽，外接LCD液晶屏、GPS天線及電子元件庫電子元器件構(gòu)建硬件平臺。然后通過ISP(系統(tǒng)在線編程)和IAP(應(yīng)用在線編程)將系統(tǒng)內(nèi)核以及應(yīng)用程序燒寫到Flash、ROM等非揮發(fā)性存儲器。在此基礎(chǔ)上借助數(shù)字萬用表、示波器以及JTAG(在線仿真調(diào)試)等工具對系統(tǒng)功能進(jìn)行聯(lián)調(diào)，基本的功能測試任務(wù)包括:

1)測試GPS接收模塊與物聯(lián)網(wǎng)智能終端硬件接口的穩(wěn)定性;

2)核心模塊上軟硬件與GPS模塊命令交互和數(shù)據(jù)交換的正確性與精準(zhǔn)性;

3)測試分析GPS數(shù)據(jù)包格式，GPS數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和合理性。

5 結(jié)語

目前，GPS物聯(lián)網(wǎng)智能終端定位技術(shù)尚處于發(fā)展階段，提出了一種具有可行性和創(chuàng)新性的整體設(shè)計方案，改善了物聯(lián)網(wǎng)智能終端定位精準(zhǔn)度，且維護(hù)成本較低。GPS系統(tǒng)作為是目前成熟的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，其物聯(lián)網(wǎng)智能終端定位技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。隨著全球定位系統(tǒng)的民用商業(yè)化，基于GPS以及與它類似的定位系統(tǒng)，如:BD(中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))、GLONASS(俄羅斯格洛納斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))及GALILEO(歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng))等，混合組成的定位系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)終端定位技術(shù)也將得到發(fā)展。而GPS/GLONASS(俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))、GPS/BD(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))等混合接收技術(shù)將會被廣泛推廣和應(yīng)用，較大可能地保證物聯(lián)網(wǎng)終端定位能力和精度。

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