嵌入式系統(tǒng)在車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究 嵌入式系統(tǒng)課程設計 畢業(yè)設計

1、The University of South China嵌入式系統(tǒng)課程設計題 目 嵌入式系統(tǒng)在車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究學院名稱 指導教師 班 級 學 號 學生姓名 2010年11月摘要隨著全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，交通緊張問題日益嚴峻，為此提出了ITS(智能交通系統(tǒng))作為解決這一問題的全新方案，車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)是ITS的重要組成部分，本文研究的是嵌入式系統(tǒng)在車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，以 IlltelPXA255處理器為核心處理器，以嵌入式Linux系統(tǒng)為操作系統(tǒng)，結(jié)合USB攝像頭，GPS接收機，CDMA無線傳輸模塊等外設構(gòu)建了基于嵌入式系統(tǒng)的多功能車載導航監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)融合了全球定位系統(tǒng)(G

2、PS)、通用分組無線業(yè)務(GPRS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)，可以實現(xiàn)全天候衛(wèi)星定位、電子地圖顯示、車輛導航和車輛實時監(jiān)控等功能。論文首先介紹了課題研究背景以及國內(nèi)外的研究和發(fā)展情況，并對GPS及嵌入式地理信息系統(tǒng)相關技術(shù)做出概述。文章分析了GPS衛(wèi)星信號特征與定位原理，描述了嵌入式GIS體系結(jié)構(gòu)與設計原則。隨后給出了系統(tǒng)總體方案設計，詳細描述了車載終端的設計，包括GPS模塊、語音留言模塊、視頻取證與輔助倒車模塊、無線傳輸模塊以及程序界面編寫等內(nèi)容。文章著重討論了Linux下USB攝像頭圖像采集的原理以及攝像頭視頻捕獲程序的編寫并對圖像壓縮的實現(xiàn)做出簡要分析。最后，論文給出了車輛監(jiān)控系統(tǒng)

3、的擴展方案。總之，本文結(jié)合GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)、GIS地理信息處理技術(shù)、CDMA數(shù)據(jù)通信技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)等高新技術(shù)對嵌入式系統(tǒng)在車輛監(jiān)控系統(tǒng)的應用進行了研究，初步實現(xiàn)了具備全天候定位、視頻圖像采集與無線傳輸?shù)裙δ艿腉PS車輛監(jiān)控系統(tǒng)，具有一定的研究價值和實用價值。關鍵詞:GPS GPRS GIS通信協(xié)議 車載監(jiān)控 嵌入式系統(tǒng) 無線網(wǎng)絡傳送 圖像處理ABSTRACTWith the rapid development of the global economy, the increasingly serious problem of traffic tension, this propose

4、d ITS (intelligent transportation system) as a new solution to solve this problem, vehicle navigation control system is an important part of ITS, this study is embedded monitoring systems in the vehicle navigation system to IlltelPXA255 processor core processor, embedded Linux system for the operati

5、ng system, combined with USB cameras, GPS receivers, CDMA wireless transmission module built based on the embedded peripherals Multi-car navigation system, monitoring system.The system combines Global Positioning System (GPS), General Packet Radio Service (GPRS), geographic information system (GIS)

6、technology, can achieve all-weather satellite positioning, digital map display, vehicle navigation and vehicle real-time monitoring. Paper introduces the research background and research and development at home and abroad, and embedded GPS and geographic information system to make an overview of rel

7、ated technologies. This paper analyzes the characteristics and positioning GPS satellite signal theory, describes the architecture and design of embedded GIS principles. Then give the overall system design, detailed description of a vehicle-mounted terminal design, including the GPS module, voice mo

8、dule, the video evidence and auxiliary reversing module, wireless interface module and the preparation of procedures and so on. Article focused on the Linux USB camera under the principles of image acquisition and camera video capture procedures for the preparation and implementation of image compre

9、ssion to make a brief analysis. Finally, the paper gives the vehicle monitoring system expansion program. In short, this paper GPS global satellite positioning technology, GIS geographic information processing technology, CDMA data communication technology and other high-tech embedded systems embedd

10、ed systems applications in the vehicle monitoring system has been studied, the initial realization with all-weather location, the video image acquisition and wireless transmission capabilities of the GPS vehicle monitoring system, with some research value and practical value.Key words: GPS GPRS GIS

11、communication protocol embedded wireless vehicle monitoring network to transmit image processing朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音 字典 - 查看字典詳細內(nèi)容目錄1課程研究的背景及意義02 GPS系統(tǒng)相關技術(shù)概述12.1 GPS組成及工作原理12.2 GPS衛(wèi)星信號特征與定位原理32.3 GPS定位的基本方法52.4 GIS簡介53系統(tǒng)總體方案設計73.1嵌入式處理器選型73.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)93.3 GPS接收機選擇103.4無線通信方式選擇113.5系統(tǒng)構(gòu)成及原理124車載終端設計134.

12、1GPS定位模塊134.2無線傳輸模塊145設計總結(jié)176心得體會187參考文獻191 .課程研究的背景及意義自從二十世紀六、七十年代以來，隨著交通需求的日益增大，交通與環(huán)境、交通與能源之間的矛盾日益加劇。世界各國都存在不同程度的交通擁擠和堵塞的現(xiàn)象，交通事故與日俱增，環(huán)境污染越來越受到人們的關注，這些都嚴重影響著社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活，以前那種簡單的交通控制技術(shù)已經(jīng)不能滿足需求，交通事故和堵塞給人們帶來了巨大的效率、能源和生命上的損失。21世紀人類正進入以計算機、網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信為特征的信息社會，人員流動的日益頻繁使得每個人對空間信息有了更多的依賴，尤其是在戶外和移動過程中對地理信息的需求更加

13、迫切。人們更加關心“當前我在哪里?”、“目的地在哪里?”、“如何到達?”等問題。隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設日新月異，但與此同時城市交通問題變的日益嚴重，己成為嚴重影響許多大中城市發(fā)展的重點問題之一，許多大中城市政府部門每年都要投入大量的人力、物力，用以改善和解決城市交通擁擠的問題。人民生活水平的不斷提高，使得擁有私車的人的數(shù)量迅速增加，這不但加劇了城市道路交通擁堵狀況，同時也帶來了車輛被盜事件的頻發(fā)。在研究如何解決上述問題的過程中，ITS(智能交通系統(tǒng))應運而生。它作為一種解決問題的全新方式在國內(nèi)外迅速發(fā)展起來。ITS是一種綜合性的網(wǎng)絡，是一種實現(xiàn)地理信息獲取、管理、可視化分析、輸出

14、等的高效手段。它與尖端科技領域的全球衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及其它應用領域有機結(jié)合，不僅為地理信息系統(tǒng)提供了良好的發(fā)展前景，同時也為這些應用領域提供了一套科學的解決應用問題的方法，不但可以提供全新、透明、可視、實時、互動、形象化的車輛跟蹤、個人輔助導航等服務，而且提供車輛管理、行車路線調(diào)度、交通事故處理等輔助決策功能。車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)是工TS系統(tǒng)的重要組成部分。它將衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)，地理信息系統(tǒng)(G工S)以及現(xiàn)代通信技術(shù)融于一身。主要功能是將裝有GPS接收機的移動載體的動態(tài)位置(經(jīng)度、緯度、高度)、時間、狀態(tài)等信息實時的通過無線網(wǎng)絡鏈接到指揮控制中心，而后在具有強大

15、地理信息處理和查詢功能的電子地圖上進行載體運動軌跡的顯示，并能對載體的準確位置、速度、運動方向、車輛狀態(tài)等基本信息進行監(jiān)控和查詢。電子地圖數(shù)據(jù)庫為車輛的監(jiān)控管理提供了一個可視化的平臺，GPS技術(shù)使車輛的實時定位成為可能，通信技術(shù)則在GIS和GPS之間架起了橋梁，使得遠距離監(jiān)控得以實現(xiàn)。車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)可以在GPS和GIS系統(tǒng)的協(xié)助下借用先進的通信工具，對車輛進行實時路線監(jiān)控，從而引導車輛避開擁塞路段提高道路交通通信能力，緩解交通擁擠和堵塞，使人們節(jié)約出行時間，減少開銷。綜上所述，將GIS、GPS技術(shù)運用于我國的交通運輸行業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。它可以提高交通運輸?shù)陌踩?、可靠性，改善服務質(zhì)量，提

16、高運輸管理水平， 創(chuàng)造良好的社會效益和經(jīng)濟效益。2. GPS簡述2.1 GPS組成及工作原理目前全世界使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要有美國的GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)，前蘇聯(lián)的GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)，歐洲空間局NAVSAT衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以及中國的北斗雙星衛(wèi)星導航系統(tǒng)等。其中美國的GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)是最早投入使用也是應用最為廣泛的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。oPs是英文“Navigation Satellite Timing AndRanging/Global position System”的所寫。其意為“衛(wèi)星測時測距導航/全球定位系統(tǒng)”，簡稱GPS系統(tǒng)。它是由美國軍方從二十世紀70年代開始研制，歷時20余年，耗資20

17、0多億美元，于 1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。雖然GPS系統(tǒng)起先是為了軍事用途而研發(fā)的，但如今它己廣泛應用于交通導航，大地測量，石油勘探等民用領域。GPS系統(tǒng)主要由三大部分組成，即空間衛(wèi)星部分，地面監(jiān)控部分以及用戶接收部分。(l)空間部分空間衛(wèi)星部分由空間運行的多顆衛(wèi)星按一定規(guī)則組成GPS衛(wèi)星星座。GPS工作衛(wèi)星共24顆，其中21顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài)，3顆處于在軌備用狀態(tài)，組成 (21+3)GPS工作衛(wèi)星星座。GPS衛(wèi)星均勻分布在6個傾角為55。的軌道平面內(nèi)，各軌道之間相距600，因此相鄰兩軌道之間的升交點赤經(jīng)相差600。同一軌道

18、面內(nèi)相鄰兩衛(wèi)星間升交距相差900，相鄰兩軌道面上的衛(wèi)星升交角比較，東邊比西邊超過30。GPS衛(wèi)星的主要作用主要有以下三個方面:1、接收地面注入站發(fā)送的導航電文和其它信號。2、接收地面主控站的命令，修正其在軌道運行偏差及啟用備件等。3、連續(xù)的向廣大用戶發(fā)送GPS導航定位信號，并用電文的形式提供衛(wèi)星自身的位置以及其它衛(wèi)星的概略位置，以便用戶接收使用。GPS衛(wèi)星的定位精度與被觀測衛(wèi)星的分布位置有關。對于只能觀測到4顆衛(wèi)星的情況，因為在這一時間段內(nèi)別無選擇，其定位精度一般較差，這個短暫的時間段稱為“時間間隙段”。在時間間隙段內(nèi)須用新型的GPS/GLONASS集成式接收機同時接收GPS信號和GLONAS

19、S信號才能消除“間隙段，的影響?！伴g隙段”僅出現(xiàn)在極少數(shù)地區(qū)，而廣大范圍內(nèi)不會出現(xiàn)這種情d況。(2)地面監(jiān)控部分GPS衛(wèi)星作為一種動態(tài)已知點，其“已知數(shù)據(jù)”為表述衛(wèi)星運動及其軌道參數(shù)的“衛(wèi)星星歷”，不可能也無需在衛(wèi)星上設置龐雜的機構(gòu)去測算和編制，而是由地面監(jiān)控站測算好后編成電文形式發(fā)送給衛(wèi)星，再由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面用戶。另外，衛(wèi)星上各種設備是否工作正常，是否啟用備件，衛(wèi)星運行情況，是否需要糾正運行軌道以及使各衛(wèi)星處于同一時間標準一一GPS時間系統(tǒng)等，都需要由地面站來完成。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)測部分由一個主控站，三個注入站和五個監(jiān)測站組成。主控站的作用是數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測協(xié)調(diào)、控制衛(wèi)星。監(jiān)控

20、站根據(jù)其接收到的衛(wèi)星擴頻信號求出相對于其原子鐘的偽距和偽距差，檢測出所測衛(wèi)星的導航定位數(shù)據(jù)。利用環(huán)境傳感器測出當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。然后將算得的偽距、導航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)注入主控站，為主控站編算導航電文提供可靠的數(shù)據(jù)。注入站與監(jiān)控站一樣，是無人值守的工作站，設有3.66m拋物面天線。一臺C波段發(fā)射機和一臺電子計算機。其主要作用是將主控站需傳輸給衛(wèi)星的資料以既定的方式注入到衛(wèi)星存儲器中，供衛(wèi)星向用戶發(fā)送。地面監(jiān)控系統(tǒng)工作程序如下圖所示： (3)用戶接收部分用戶接收部分的基本設備，就是GPS信號接收機，其作用是接收、跟蹤、變換和測量GPS所發(fā)射的GPS信號，以達到導航和定位的目的。GPS信號

21、接收機，能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解釋出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時的計算出觀測站三維位置，甚至三維速度和時間。按用途的不同，GPS信號接收機可分為導航型、測地型和授時型三種。按攜帶形式的不同可分為袖珍式、背負式、車載式、機載式、彈載式和星載式。按工作原理可分為碼接收機和無碼接收機，前者動態(tài)、靜態(tài)定位都能用，后者只能用于靜態(tài)定位。按使用載波頻率的多少可分為單頻接收機(用一個載波頻率L;)和用兩個載波頻率(L，、LZ)的雙頻接收機，以雙頻接收機為精度

22、定位的主要用機。對于車載型接收機，主要用于運動車輛的監(jiān)控定位，可實時給出車輛的位置和速度。這類接收機一般采用C/A碼偽距測量，單點實時定位精度較低，一般為士25m，但其價格便宜，因而應用廣泛。2.2 GPS衛(wèi)星信號特征與定位原理（一）GPS衛(wèi)星信號及美國的SA和AS政策GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號，包含載波信號、測距碼、數(shù)據(jù)碼等多種分量，它能滿足多用戶系統(tǒng)的導航、高精度定位的需要。GPS衛(wèi)星信號包含的載波、測距碼(包含P碼、C/A碼)、數(shù)據(jù)碼(導航電文、或稱D碼)都是在同一個基準頻率f0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生的。GPS使用的L段載波有兩種不同的頻率，它們的頻率和波長分別為:L、載波:fl=15

23、4xfo=1575.42MHz，入;=19.03cmL:載波:f2=120xf0=1227.60MHz，從=24.42em在載波L;上調(diào)制有C/A碼、P碼和數(shù)據(jù)碼;在載波L:上只調(diào)制有P碼和數(shù)據(jù)碼。GPS衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼是采用調(diào)相技術(shù)調(diào)制到載波上的，由于偽隨機碼只有1和0，兩種狀態(tài)。當碼值取O時，對應的碼狀態(tài)為+1;而碼值取1時，對應的碼狀態(tài)為-1 。載波和相應的碼狀態(tài)相乘后便實現(xiàn)了載波的調(diào)制，此時碼信號被加載到載波上，經(jīng)過播發(fā)可供用戶接收，GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。嵌入式系統(tǒng)在車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)中的應用 圖 2.3GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GPS衛(wèi)星采用兩種測距碼，即C/A碼和P碼，均屬

24、于偽隨機碼 (PRN)，這種二進制的數(shù)碼序列不僅具有良好的自相關特性，而且又是一種結(jié)構(gòu)確定，可以復制的周期性序列。P碼常用于精密導航和定位。雖然P碼的精度很高，但其結(jié)構(gòu)不公開，專供美國軍方特許用戶使用，而C/A碼的精度雖然較低，但碼的結(jié)構(gòu)是公開的，可供GPS接收機的廣大用戶使用。GPS信號的產(chǎn)生如圖2.4所示。 圖 2.4GPS信號產(chǎn)生原理圖SA技術(shù)，即有選擇可用性技術(shù)，它是人為地將誤差引入衛(wèi)星時鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低GPS定位精度。使C/A碼定位的精度由原來的20m降低到loom。As(Anti-Spoofing)技術(shù)即反電子欺詐技術(shù)，其目的是為防止敵方使用P碼進行精密導航定位。SA和AS

25、技術(shù)的使用將對定位產(chǎn)生很大影響:1、降低單點定位精度;2、降低長距離相對定位地精度;3、AS技術(shù)會對高精度相對定位數(shù)據(jù)處理、整周 未知數(shù)的確定帶來不便。但鑒于GPS技術(shù)巨大的實用價值，美國將GPS向民用領域免費開放，同時于2000年5月1日起停止SA政策，即不再對民用定位碼加入人為干擾，使民用定位精度大大提高。(二)GPS衛(wèi)星定位的基本原理GPS衛(wèi)星的定位原理是利用測繪學中的測距交會的原理確定點位。在繞地球運行的人造地球衛(wèi)星上裝有無線電信號發(fā)射機，在接收機時鐘的控制下，可以測定信號到達接收機的時間t，進而求出衛(wèi)星和接收機之間的距離;從為各項改正數(shù)。但是，衛(wèi)星上的原子鐘和地面接收機的鐘不會嚴格同

26、步，假如衛(wèi)星的鐘差為ut，接收機的鐘差為御，則由于衛(wèi)星上的原子鐘和地面上接收機的鐘不同步對距離的影響為s。(式2.2)現(xiàn)在欲確定待定點P的位置，可以在該處安置一臺GPS接收機。如果在某一時刻ti同時測得了4顆GPS衛(wèi)星A、B、C、D的距離S。、SBP、sep、sop，則可列出4個觀測方程為: 圖2.5為GPS衛(wèi)星定位的原理示意圖。 圖 2.5GPS衛(wèi)星定位的原理示意圖由此可見GPS定位的實質(zhì)就是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知數(shù)據(jù)的起算數(shù)據(jù)，采取空間距離后方交會的方法，確定待定點的空間位置。利用GPS進行定位有多種方式，如果就用戶接收機天線所處的狀態(tài)而言，定位方式分為靜態(tài)定位與動態(tài)定位，如果

27、按參考點位置的不同，又分為單點定位和相對定位。(l)靜態(tài)定位與動態(tài)定位靜態(tài)定位是指GPS接收機在進行定位時，待定點的位置相對其周圍的點位置沒有發(fā)生變化，其天線位置處于固定不動的靜止狀態(tài)。此時，接收機可以連續(xù)地在不同歷元同步觀測不同的衛(wèi)星，獲得充分的多余觀測量，根據(jù)GPS衛(wèi)星的已知瞬間位置，解算出接收機天線相位中心的三維坐標。動態(tài)定位是指在定位過程中，接收機位于運動著的載體，天線也處于運動狀態(tài)的定位。動態(tài)定位是用GPS信號實時地測得運動載體的位置。其特點是測定一個動態(tài)點的實時位置，多余觀測量少，定位精度低。(2)單點定位與相對定位單點定位的實質(zhì)就是空間距離后方交會，理論上取3個獨立的距離測量便可

28、，但是由于GPS采用了單程測距的原理，此時衛(wèi)星時鐘與用戶接收機時鐘不同步，將這種誤差稱為偽距。其中衛(wèi)星鐘差可以用衛(wèi)星電文中提供的鐘差參數(shù)加以修正，而接收機參數(shù)只能作為一個未知參數(shù)，與測站的坐標在數(shù)據(jù)處理中一并求解。因此，在一個測站上為求出4個未知參數(shù)，至少需要4個觀測值。相對定位又稱差分定位，是采用兩臺以上的接收機同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定接收機天線間的相互位置關系的一種方法。其最基本的情況是用兩臺接收機分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，確定基線端點在世界大地坐標系中的相對位置或坐標差，在一個端點坐標己知的情況下，用基線向量推求另一待定點的坐標。2.3 GPS定位的基本方法

29、 (l)偽距法定位偽距法定位的原理是在某一瞬間利用GPS接收機同時測定至少4顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的衛(wèi)星位置和偽距觀測值，采用距離交會法求出接收機的三維坐標和時鐘改正數(shù)。偽距法定位一次的精度并不高，但定位速度快，經(jīng)幾小時的定位也能達到米級。(2)載波相位測量GPS接收機接收到的衛(wèi)星信號中，已用相位調(diào)制技術(shù)在載波上調(diào)制了測距碼和衛(wèi)星導航電文，所以載波己不在連續(xù)。為此，在載波相位測量之前先進行解調(diào)以恢復載波相位。 (3)多普勒定位法根據(jù)多普勒原理，當波源與觀測者做相對運動時，觀測者接收到的信號頻率與波源發(fā)射的信號頻率不同。利用GPS衛(wèi)星的較高的射電頻率，由積分多普勒計數(shù)得出偽距差。當采用積分多普勒

30、計數(shù)法進行測量時，所需觀測時間一般較長，同時，在觀測過程中接收機振蕩器要求保持較高的穩(wěn)定。24 GIS簡介地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)是綜合性技術(shù)，它已經(jīng)與其他技術(shù)互相融合。GIS應用需要利用和集成其他技術(shù)，同時，其它信息技術(shù)的應用也需要GIS。GIS與其他技術(shù)的融合如下(1)GIS-CAD"CAD是一種計算機輔助制圖和設計技術(shù)，主要面向工程設計，在圖形數(shù)據(jù)的采集與編輯方面具有很強的功能，而GIS是一門空間綜合管理技術(shù)，既可以管理空間位置，又可以管理空間對應的屬性信息，并具有很好的對應關系。(2)GIS遙感：遙感技術(shù)的發(fā)展為G

31、IS數(shù)據(jù)快速更新提供了一個有效的辦法，當前In-SAR的發(fā)展更是GIS數(shù)據(jù)采集的革命。同時，GIS應用的發(fā)展也提高了遙感的數(shù)據(jù)提取和分析能力。隨著高精度遙感的發(fā)展和遙感動態(tài)網(wǎng)絡的出現(xiàn)，GIS與遙感的結(jié)合會更加密切。(3)GIS-GPS：GPS被認為是二十世紀影響人類社會12大技術(shù)之一，然而GPS如與GIS結(jié)合，才能普及它的應用，而不只是停留在大地測量領域，如智能化交通(ITS)中基于電子地圖的車輛導航系統(tǒng)等，同時與GPS結(jié)合也提高TGIS動態(tài)分析的能力。(4)GIS-Internet技術(shù)：基于Internet技術(shù)的GIS，已成為GIS發(fā)展的重要方向，可以利用Internet在Web上發(fā)布和出版

32、空間數(shù)據(jù)，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析的功能，從而使GIS的應用更加靈活。(5)GIS-多媒體技術(shù)：GIS也是一種重要的多媒體。GIS與多媒體結(jié)合已經(jīng)成為現(xiàn)實，在多媒體系統(tǒng)中嵌入GIS功能，或在GIS系統(tǒng)增加多媒體功能極大地增強GIS交互能力并加大GIS提供的信息量。(6)GIS-虛擬現(xiàn)實技術(shù)：GIS與虛擬現(xiàn)實技：GIS與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合，提高TGIS圖形顯示真實感和對圖形的可操作性。使用戶能身臨其地理環(huán)境中實現(xiàn)觀察、觸摸、操作和檢測等。3系統(tǒng)總體方案設計本系統(tǒng)主要為解決機動車輛的導航調(diào)度、圖像監(jiān)控、關鍵信息存儲等智能化管理問題而進行設計開發(fā)。系統(tǒng)主要用于城市機動車輛的導航調(diào)度智能化管理

33、，也可用于私人轎車的導航娛樂，同時也可作為高科技車輛防盜系統(tǒng):車主一旦發(fā)現(xiàn)車輛被盜，可以報失公安部門或相關管理部門，通過短信設定，啟動程序，不斷報告該車的地理位置，從而使公安機關可以迅速定位失竊車方位，將竊賊繩之以法。系統(tǒng)采用Intel公司Xscale架構(gòu)的PXA255處理器為核心處理器，操作系統(tǒng)選用嵌入式Linux系統(tǒng)。本系統(tǒng)所包含的功能如下:視頻取證功能;衛(wèi)星防盜功能;無線追蹤功能;輔助倒車功能;語音留言功能等。本章將對整個系統(tǒng)的軟硬件方案作一個總體描述。3.1嵌入式處理器選擇嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，

34、流行體系結(jié)構(gòu)有30多個系列。但與全球PC市場不同的是，沒有一種微處理器和微處理器公司可以主導嵌入式系統(tǒng)市場。設計者在選擇處理器時要考慮的主要因素有:處理性能、技術(shù)指標、功耗、軟件支持工具、是否內(nèi)置調(diào)試工具、供應商是否提供評估板等，綜合以上幾點，決定采用Intel公司Xscale架構(gòu)的PXA255處理器作為系統(tǒng)核心處理器。IntelXsealePXA255處理器是新一代的32位嵌入式處理器，采用0.18um工藝制造。內(nèi)核采用ARMVersionSTE型指令結(jié)構(gòu)，具有7級超流水線，其中T指Thumb指令集，E(DSP一Enhance)指加強的DSP指令集，能進行整數(shù)和浮點數(shù)處理。具有犯K數(shù)據(jù)緩存/

35、32K指令緩存等。PXA255處理器除了采用Xscale體系的內(nèi)核外，還具有以下特點:(l)內(nèi)核工作頻率高:200-400MHz(2)系統(tǒng)存儲器接口:100MHzSDRAM(3)支持大容量存儲器:可支持16/64/128和256MBoRAM技術(shù)，4個soRAM區(qū)，每個區(qū)支持64MB存儲器，時鐘允許支持多至6個靜態(tài)存儲器。(4)時鐘和電源控制器采用3.6864MHz振蕩器，具有PLL和外圍PLL，可產(chǎn)生各種工作頻率。32.768KHz振蕩器可驅(qū)動實時時鐘，電源管理器和中斷控制器電源控制器可控制快速，運行，空閑和睡眠工作方式。(5)接口資源豐富:具有DMA控制器，LCD控制器，USB從機模塊，支持

36、USBI.嵌入式系統(tǒng)在車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)中的應用口標準，3個uART以及BluetoothuART，1個IZc總線接口單元，支持2個CMCI/CF卡插槽，多媒體卡控制器以及JTAG調(diào)試等模塊。由此可見，PXA255處理器是一款高性能、低價格、低功耗的RISC處理器，合于數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理、網(wǎng)絡路由器等嵌入式應用場合。嵌入式Linux操作系統(tǒng)為了使嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)更加方便和快捷，需要有專門負責管理存儲器分配、中斷處理、任務調(diào)度等功能的軟件模塊，這就是嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是用來支持嵌入式應用的系統(tǒng)軟件，是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅(qū)動程序、系統(tǒng)內(nèi)核、設備

37、驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形用戶界面(GUI)等。嵌入式操作系統(tǒng)根據(jù)應用場合可以分為兩大類:一類是面向消費電子產(chǎn)品的非實時系統(tǒng)，這類設備包括個人數(shù)字助理(PDA)、移動電話、機頂盒(STB)等;另一類則是面向控制、通信、醫(yī)療等領域的實時操作系統(tǒng)，如Wind形ve:公司的VxW6rks、QNX系統(tǒng)軟件公司的QNx等。實時系統(tǒng)(RealTimeSystem)是一種能夠在指定或者確定時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能，并且對外部和內(nèi)部事件在同步或者異步時間內(nèi)能做出及時響應的系統(tǒng)。在實時系統(tǒng)中，操作的正確性不僅依賴于邏輯設計的正確程度，而且與這些操作進行的時間有關，也就是說，實時系統(tǒng)對邏輯和時序的要求非常嚴格，如果邏輯和

38、時序控制出現(xiàn)偏差將會產(chǎn)生嚴重后果。Linux從1991年問世到現(xiàn)在，短短的十幾年時間己經(jīng)發(fā)展成為功能強大、設計完善的操作系統(tǒng)之一，不僅可以與各種傳統(tǒng)的商業(yè)操作系統(tǒng)分庭抗爭，在新興的嵌入式操作系統(tǒng)領域內(nèi)也獲得了飛速發(fā)展。嵌入式Linux(EmbeddedLimix)是指對標準Linux經(jīng)過小型化裁剪處理之后，能夠固化在容量只有幾K或者幾M字節(jié)的存儲器芯片或者單片機中，適合于特定嵌入式應用場合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開發(fā)和研究是操作系統(tǒng)領域中的一個熱點，目前已經(jīng)開發(fā)成功的嵌入式系統(tǒng)中，大約有一半使用的是Linux。Linux之所以能在嵌入式系統(tǒng)市場上取得如此輝煌的成果，與其自身

39、的優(yōu)良特性是分不開的。(l)廣泛的硬件支持Linux能夠支持x86、ARM、MIPS、ALPHA、PowerPC等多種體系結(jié)構(gòu)，目前己經(jīng)成功移植到數(shù)十種硬件平臺，幾乎能夠運行在所有流行的CPU上。甚至可以在沒有存儲管理單元(MMU)的處理器上運行，這些都進一步促進了Linux以在嵌入式系統(tǒng)中的應用。(2)內(nèi)核高效穩(wěn)定Linux內(nèi)核的高效和穩(wěn)定已經(jīng)在各個領域內(nèi)得到了大量事實的驗證，Linux的內(nèi)核設計非常精巧，分為進程調(diào)度、內(nèi)存管理、進程間通信、虛擬文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡接口五大部分，其獨特的模塊機制可以根據(jù)用戶的需要，實時地將某些模塊插入到內(nèi)核或從內(nèi)核中移走。這些特性使得Linux系統(tǒng)內(nèi)核可以裁剪得非

40、常小巧，很適合于嵌入式系統(tǒng)的需要。(3)開放源碼，軟件豐富Linux是開放源代碼的自由操作系統(tǒng)，它為用戶提供了最大限度的自由度，由于嵌入式系統(tǒng)千差萬別，往往需要針對具體的應用進行修改和優(yōu)化，因而獲得源代碼就變得至關重要了。Linux的軟件資源十分豐富，每一種通用程序在Linux上幾乎都可以找到，并且數(shù)量還在不斷增加。在Linux上開發(fā)嵌入式應用軟件一般不用從頭做起，而是可以選擇一個類似的自由軟件做為原型，在其上進行二次開發(fā)。(4)優(yōu)秀的開發(fā)工具開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的關鍵是需要有一套完善的開發(fā)和調(diào)試工具。傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)調(diào)試工具是在線仿真器(In一CireultEmulator，ICE)，它通過取代目

41、標板的微處理器，給目標程序提供一個完整的仿真環(huán)境，從而使開發(fā)者能夠非常清楚地了解到程序在目標板上的工作狀態(tài)，便于監(jiān)視和調(diào)試程序。在線仿真器的價格非常昂貴，而且只適合做非常底層的調(diào)試，如果使用的是嵌入式Linux，一旦軟硬件能夠支持正常的串口功能時，即使不用在線仿真器也可以很好地進行開發(fā)和調(diào)試工作，從而節(jié)省了一筆不小的開發(fā)費用。嵌入式Linux為開發(fā)者提供了一套完整的工具鏈(腸01ehain)，它利用GNU的gee做編譯器，用gdb、kgdb、xgdb做調(diào)試工具，能夠很方便地實現(xiàn)從操作系統(tǒng)到應用軟件各個級別的調(diào)試。(5)完善的網(wǎng)絡通信和文件管理機制Linux從誕生之日起就與internet密不可

42、分，支持所有標準的Internet網(wǎng)絡協(xié)議，并且很容易移植到嵌入式系統(tǒng)當中。這些都為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)應用打下了很好的基礎。應此，本系統(tǒng)設計采用嵌入式Linux系統(tǒng)為操作系統(tǒng)。3.2嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式系統(tǒng)是一種根據(jù)特定用途所開發(fā)的專用系統(tǒng)，它只完成預期要完成的功能，因此其開發(fā)過程和開發(fā)環(huán)境同傳統(tǒng)的軟件開發(fā)相比有著顯著的不同。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的整個過程如圖3.1所示。嵌入式系統(tǒng)通常是一個資源受限的系統(tǒng)，因此直接在嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺上編寫軟件比較困難，有時候甚至是不可能的。目前一般采用的解決辦法是首先通用計算機上編寫程序選擇嵌入式處理器選擇嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)嵌入式應用軟件開發(fā)結(jié)束 系統(tǒng)測試測試通過

43、目標平臺上可以運行的二進制碼格式，最后再下載到目標平臺上的特定位置上運行。需要交叉開發(fā)環(huán)境(CrossDevelopmentEnvironment)的支持是嵌入式應用軟開發(fā)時的一個顯著特點。交叉開發(fā)環(huán)境是指編譯、鏈接和調(diào)試嵌入式應用軟件環(huán)境，它與運行嵌入式應用軟件的環(huán)境有所不同，通常采用宿主機/目標模式。建立交又開發(fā)環(huán)境是進行嵌入式軟件開發(fā)的第一步，目前常用的交叉開發(fā)環(huán)主要有開放和商業(yè)兩種類型。開放的交叉開發(fā)環(huán)境的典型代表是GNU工具鏈、目前已經(jīng)能夠支持x86、ARM、MIPS、PowerPC等多種處理器。3.3 GPS接收機選擇GPS接收機模塊用于接收經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并通過GPS更新系統(tǒng)時間。目前

44、市面上的GPS模塊價格從幾百元到幾千元不等，其接口形式多種多樣，如標準串口、藍牙無線接口、USB接口等。但考慮到USB或藍牙接口模塊一般不提供Linux驅(qū)動程序，如選用要自行編寫驅(qū)動程序難度較大。而串口編程較為簡單，速率也滿足要求，故選串口的GPS接收機使用較為方便。綜合各種因素，本系統(tǒng)選取的GPS接收機型號為uBloxRCB-LC，各項技術(shù)指標如下:3.4無線通信方式選擇本系統(tǒng)作為一個車載GPS導航監(jiān)控系統(tǒng)，如何將定位信息傳回控制中心對系統(tǒng)的實現(xiàn)至關重要，國內(nèi)外目前采用的通信方式主要有以下幾種:(l)無線電臺采用電臺方式傳送數(shù)據(jù)，需要配備車載電臺。GPS車載電臺的定位數(shù)據(jù)經(jīng)車載電臺調(diào)制，并由

45、車載天線發(fā)射給基站，基站把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。電臺方式的缺點是速度比較慢，容量小，系統(tǒng)覆蓋范圍小，且建設和維護電臺基站系統(tǒng)的成本很高，不是一般用戶所能承受。一般用于醫(yī)療急救、警察、軍隊等特殊用戶。(2)衛(wèi)星通信GPS的定位信息直接通過衛(wèi)星電話網(wǎng)傳送給控制中心，這種方式的好處是覆蓋面廣，基本沒有盲區(qū)，但是設備復雜成本高昂，適合軍事、科學考察等用途，但對于本系統(tǒng)來說，過高的成本不適合實際運營。(3)數(shù)字集群通信在一個區(qū)域設立一系列專用無線收發(fā)臺站，能與在此區(qū)間內(nèi)行駛的車輛之間進行通信，收取車輛定位信息，發(fā)送控制指令。這種方式的實時性好，但是投資大，如果建立一個能夠覆蓋全省道路網(wǎng)范圍的集群網(wǎng)絡需要的

46、投資巨大。(4)利用現(xiàn)有的無線公網(wǎng)進行通信目前已有的公共無線網(wǎng)絡傳輸方式主要有:WLAN網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡、CDMA網(wǎng)絡三種。其中Wi-Fi采用802.llb協(xié)議傳輸速率高可達nMbP/s，但傳輸距離有限一般只有50-150米。GPRS通過手機網(wǎng)絡信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，具有覆蓋面廣、隨時隨地接入網(wǎng)絡的優(yōu)勢。但其傳輸速率較低，傳輸圖像、視頻等大數(shù)據(jù)有困難。無線CDMA網(wǎng)絡，是基于數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)CDMA實現(xiàn)分組數(shù)據(jù)交換傳輸。CDMA網(wǎng)是覆蓋范圍廣泛的全數(shù)字網(wǎng)，具備提供語音和數(shù)據(jù)服務的諸多優(yōu)點，包括較低的誤碼率及極低的成本。中國聯(lián)通在全國范圍都建有網(wǎng)絡，并可實現(xiàn)全國漫游。最重要的是CDMAIX具有上網(wǎng)成

47、本低、傳輸速率快的特點而且可向3G平臺平滑過渡，但一般CDMAIX模塊價格偏高。綜合以上分析，系統(tǒng)采用CDMAIX網(wǎng)絡作為無線接入網(wǎng)絡，通過短信收發(fā)，無線上網(wǎng)等功能將監(jiān)控信息傳送給控制中心。3.5系統(tǒng)構(gòu)成及原理本系統(tǒng)由車載GPS終端、通信系統(tǒng)、監(jiān)控中心三大部分組成，見圖3.3。其中多功能車載GPS終端分布在各移動的車輛上，負責接收GPS衛(wèi)星定位信息、，通過GPS接收機中的處理器解算出車輛所處的位置坐標。坐標數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以顯示在本機上，同時通過CDMA模塊，以短信的形式將車輛的位置、狀態(tài)等信息發(fā)送至公網(wǎng)，公網(wǎng)將接收到的車輛定位信息傳送至監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心經(jīng)過計算機系統(tǒng)的處理后與計算機系統(tǒng)上的

48、GIS電子地圖進行匹配，并在地圖上動態(tài)顯示坐標的正確位置。同時，系統(tǒng)可以通過連接在終端上的視頻采集設備(USB攝像頭)對當前的圖像以一定的速率采集并保存成視頻信息以供日后事故鑒定之用，也可選擇視頻實時顯示模式，作為輔助倒車之用。此外，截取的關鍵視頻圖片還可以通過無線網(wǎng)絡傳送到監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程無線圖像監(jiān)控。用戶還可以通過連接在終端上的麥克風實現(xiàn)語音留言的功能。系統(tǒng)在車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)中的應用監(jiān)控中心部分的主要功能有:(1)數(shù)據(jù)跟蹤:將車輛的各種實時行駛信息以列表的方式顯示出來，以供查詢。(2)圖上跟蹤:將移動車輛的定位信息在相應的電子地圖背景上顯示出來。電子地圖可任意放大、縮小、還原、移動，還可

49、提供車輛的運行軌跡。(3)信息查詢功能:為用戶提供主要物標，如旅游景點、賓館、醫(yī)院等信息、，用戶能夠在電子地圖上根據(jù)需要進行查詢。(4)遠程無線圖像監(jiān)控:通過接收由CDMA無線網(wǎng)絡傳送來的車載終端發(fā)送的圖像信息、，實現(xiàn)遠程無線圖像監(jiān)控功能。整個車載終端的硬件設計是在X-Hyper Xscale PXA255B開發(fā)板上完成的，擴展了一塊USB子板用于連接USB攝像頭，并用串口連接GPS接收板，用于接收GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。 4.車載終端設計本系統(tǒng)車載終端硬件部分主要包括X- HyperXscalePXA255B開發(fā)板，液晶屏，GPS接收板。軟件模塊主要包括GPS接收模塊、語音留言模塊、視頻取證與輔

50、助倒車模塊、無線監(jiān)控模塊，并設計有統(tǒng)一的圖形用戶界面。4.1GPS定位模塊GPS接收機采用u-BloxRCB-LC，接收數(shù)據(jù)采用NMEA0183格式，波特率設為9.6KbPs。接收機實物如圖4.1所示 4.2無線傳輸模塊無線傳輸模塊系統(tǒng)構(gòu)成如圖4.10所示，通過具有無線上網(wǎng)功能的CDMAIX無線通信模塊實現(xiàn)無線上網(wǎng)，數(shù)據(jù)收發(fā)。短信收發(fā)流程圖如圖4.11所示，程序使用AT命令進行相關操作 (l)手機向終端發(fā)送帶有“Position”字串的短信，終端收到短信后，結(jié)合GPS模塊然后以短信的方式返回給手機。(2)手機向終端發(fā)送帶有“st”字串的短信，終端收到短信后，主動的給手機回電話。 (3)手機向終

51、端發(fā)送帶有“st”字串的短信，終端收到短信后，自動掛斷當前的電話。(4)手機向終端發(fā)送帶有“”字串的短信，終端收到短信后，提取 xx.xxx.xxx.xxx，并主動撥號上網(wǎng)，上網(wǎng)后，和服務器進行綁定嘗試。如果綁定成功，則結(jié)合GPS和攝像頭進行GPS和攝像頭數(shù)據(jù)的傳送;服務器收到終端的數(shù)據(jù)后，分別將圖片數(shù)據(jù)存為文件并顯示，將GPS數(shù)據(jù)發(fā)送給電子地圖，這樣就可實現(xiàn)遠程監(jiān)控。如果綁定失敗，則終端會自動下線。(5)在數(shù)據(jù)傳送過程中，無論服務器關閉或服務器向終端發(fā)送停止命令終端都會自動下線。 (6)CDMA的短信電話功能和上網(wǎng)傳數(shù)據(jù)功能不能同時占用信道，所以在進行短信或電話功能時不能進行上網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務，反

52、之亦然。 當接收到的短信中含有上網(wǎng)的有效信息時，終端便開始上網(wǎng)，使用PPP撥號協(xié)議。終端成功上網(wǎng)后，便可進行數(shù)據(jù)傳送。為了保證數(shù)據(jù)傳送的穩(wěn)定性(相對UDP協(xié)議不亂序，不丟包等)，程序采用了TCP協(xié)議傳送。數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖如圖4.12所示。ppp撥號上網(wǎng)用到重要組件:/usr/sbi可 pppd ppp撥號上網(wǎng)最重要的部分，負責打開串口并設置，引導客戶端與服務器進行會話，引導進行身份密碼驗證，引導把ttySx(串口)和PPPO(ppp撥號上網(wǎng)用來處理網(wǎng)絡業(yè)務中的一系列操作)綁定，進行正常的數(shù)據(jù)傳送業(yè)務等。 /usr/sbin/chat用來和服務器進行會話，對超時、無應答等進行設置，和服務器進行身份密碼驗證。為保證無線modem的正常工作，使用的方法有:(l)收到一條短信處理完就刪除掉，如收到的短信中沒有相關內(nèi)容，則會自動刪除。這樣模塊收到的短信總數(shù)永遠不會超過20條的上限，可以保證短信的正常收發(fā)(如果短信己滿，則收不到新的短信)。(2)由于無線上網(wǎng)和手機業(yè)務(短信和打電話)各自對無線信道的獨占性，即打電話時不能上網(wǎng)，但可以收發(fā)短信，上網(wǎng)時收不到短信和接不了電話。程序采取的措施是電話結(jié)束后發(fā)送stop短信保證不再占有信道，上網(wǎng)過程中遇到一些情況，比如:服務器關閉，未打開，綁定失敗，服務器