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

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(guò)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(lè)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(guò)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(guò)路口，沒(méi)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(yǔ)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(yǔ)音系統(tǒng)提示用戶轉(zhuǎn)向等語(yǔ)音提示；

(4)防盜功能：若車輛被盜，則通過(guò) 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(lè)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(yǔ)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(kāi)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(lái)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(guò) 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(yǔ)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(yǔ)音芯片是ISD1420P。利用該芯片可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)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(kāi)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(guò)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(kāi)機(jī)時(shí)，負(fù)責(zé)建立GPRS數(shù)據(jù)鏈路，同時(shí)主控通過(guò)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(kāi)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(lái)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(lái)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(lái)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(kāi)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(lái)進(jìn)行模塊操作[5]。AT指令是一套通過(guò)串口來(lái)控制MODEM的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議族，指令的格式以AT開(kāi)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(lái)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(guò)此界面來(lái)設(shè)置防盜端的手機(jī)號(hào)碼、防盜消息的發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)防盜，同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)密碼的設(shè)置來(lái)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(kāi)發(fā)板作為硬件支持，以Linux為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以 Qt/Embedded為 GUI設(shè)計(jì)界面，通過(guò)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(kāi)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.