嵌入式車載導航與防盜系統的設計與研究

劉 晉，楊一晨，郭 健，申 皓

（遼寧師范大學 計算機與信息技術學院，遼寧 大連116081）

GPS車載導航與防盜系統是集合全球定位系統(GPS)、地理信息處理系統(GIS)、數字移動通信系統(GSM)和計算機數據處理技術，通過移動通信網絡的形式傳遞信息的高科技產品，可實現全球衛星智能導航、防盜報警、娛樂等諸多功能。

1 總體設計

根據車載導航與防盜的實際需求，本系統具有以下功能：

(1)定位功能：GPS通過接收衛星信號，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導航系統推薦的最佳線路，該系統將重新為用戶設計一條回到主航線的路線，或是為用戶設計一條從新位置到達終點的最佳線路；

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

(4)防盜功能：若車輛被盜，則通過 GPRS發送短信給用戶，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)智能導航功能：在短時間內失去GPS信號時，可根據車內的加速度傳感器，結合行車速度計算出行車的實際情況。

2 系統硬件設計

鑒于以上功能，可將系統硬件整體架構分為主控模塊、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開發板，主要用于控制并協調系統模塊間的正常通信。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年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統。其主要功能是按照衛星的截止角跟蹤衛星的運行，捕獲相應的衛星信號，從而測量出接收器到衛星的偽距離和距離的變化率，計算出衛星軌道參數等數據，進而得出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。本系統采用的芯片是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。該模塊在本系統中與S3C2410的UART接口2相連接。

(3)GPRS模塊：本系統采用的是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，內嵌TCP/IP協議。該模塊在本系統中與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)，根據電壓效應原理，由彈性敏感器件構成懸臂式位移器，結合儲能彈簧來驅動電觸點，完成從重力變化到電信號的轉換，從而計算出產生電壓與所施加的加速度傳感器之間的關系，以實現將加速度轉化成電壓輸出、檢測目標是否有移動的行為、判斷設備是否被盜，并配合GPRS模塊實現防盜、追蹤的目的。系統中使用的芯片是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，數字輸出數據為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、多媒體應用，可提供豐富的圖形界面以及人機交互操作。本系統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：在導航、防盜報警時，本模塊將實現各種功能的提示。在本系統中采用的語音芯片是ISD1420P。利用該芯片可以實現語音分段錄、放音的功能，最小分段20 s/160段，并且高優先級錄音，低電平或負邊沿觸發放音。

3 系統軟件設計

在本系統中，軟件開發平臺采用的是ubuntu 8.10，UBOOT選用的版本是1.3.4，Linux內核選用的版本是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任務分解

圖2顯示的是總體IO任務分解。

(1)重力加速度傳感器的任務：實時地獲取當前的角度數據并送于主控；

(2)GPS任務：通過UART2接收任務，負責 GPS數據的接收、檢驗，并把獲取的數據進行處理并送于主控；

(3)GPRS任務：在系統開機時，負責建立GPRS數據鏈路，同時主控通過UART1發送任務，將數據發送給用戶，實現監控；

(4)主控任務：對重力加速度傳感器、GPS模塊獲取到的數據實時地進行讀寫與計算控制，并且針對GPRS模塊進行數據的發送，同時結合用戶實時的需要開啟相應的應用服務。

3.2 GPS的數據接收與處理

GPS模塊采用中斷方式對GPS數據進行接收以及對GPS數據中的時間、位置等進行處理[2]。在默認情況下，GPS模塊輸出數據的波特率為4 800 b/s，輸出信息的消息 類 型 有 ：GPRMC、GPRGA、GPGSA、GPGSV、PGRME 等 ，詳細的GPS數據處理流程如圖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軟件，是一種數據可視化、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：文件頭和數據區。其中文件頭用于將MapInfo這樣的地圖數據生成電子地圖，數據區則用來定義幾何對象。導航的界面顯示是Trolltech[3]公司的 Qt/Embedded2.3.6和Qtopia1.7來實現應用程序的人機界面交互的。地圖的存儲采用的是SQLite[4]數據庫，它是一款開源的輕型數據庫，占用的資源非常低，在嵌入式設備中，只需要幾百K的內存就可以運行。

3.4 GPRS模塊的設計

GPRS模塊用于實現防盜追蹤功能，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的標準協議族，指令的格式以AT開頭，以CR結束。詳細的GPRS工作流程如圖4所示。

3.5 加速度傳感器的設計

加速度傳感器需實現兩大功能：(1)防盜功能：當發生盜竊時，加速度信號會發生不同于靜止狀態的不規則變化，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生；(2)GPS盲區內的定位：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盲區點時，利用航位推算的DR算法來實現短時間內的定位。

4 系統的實現

本系統以北京海淀區北四環為例，展示了系統的運行情況，驗證了系統的穩定性和實用性。其中圖5顯示的是導航時導航線路的選取與設置。圖6是防盜通信設置主界面，通過此界面來設置防盜端的手機號碼、防盜消息的發送來實現防盜，同時通過系統密碼的設置來加強系統的安全性。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開發板作為硬件支持，以Linux為開發平臺，以 Qt/Embedded為 GUI設計界面，通過嵌入式軟硬件結合的設計方法，最終設計并實現了嵌入式車載導航與防盜系統。

[1]韋東山.嵌入式 Linux應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[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通信終端設計[J].工業控制計算機，2010，23(5)：49-52.