基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的GPS圖形導(dǎo)航儀

引 言
隨著近年來(lái)科技的發(fā)展以及人們對(duì)通信及導(dǎo)航技術(shù)的要求進(jìn)一步提高，以全球定位系統(tǒng)(GPS)定位技術(shù)為主的定位導(dǎo)航及監(jiān)控技術(shù)得到了高速的發(fā)展。GPS導(dǎo)航定位技術(shù)在眾多的行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，如交通、航海、安全等眾多的領(lǐng)域。然而，大多數(shù)已經(jīng)投入使用的GPS導(dǎo)航監(jiān)控設(shè)備里，很少有通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把重要的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控者功能的設(shè)備。其余附帶了數(shù)據(jù)傳輸功能的設(shè)備大多數(shù)也僅僅是通過(guò)發(fā)送短消息的方式進(jìn)行重要數(shù)據(jù)的傳輸和接收，但是由于短消息本身具有延時(shí)不確定，速度慢以及容易丟失等缺點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。

本系統(tǒng)通過(guò)基于全新的GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)送重要數(shù)據(jù)，采用大屏幕的TFT彩色液晶屏作為地圖顯示設(shè)備，使定位的可視化效果及數(shù)據(jù)傳輸功能的穩(wěn)定性都得到了極大的加強(qiáng)。

1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)
在本導(dǎo)航設(shè)備中，涉及的核心技術(shù)是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS和全球定位系統(tǒng)GPS，下面簡(jiǎn)單介紹這兩個(gè)系統(tǒng)的核心模塊。

GPS(Global Positioning Systern，全球定位系統(tǒng))。是美國(guó)的國(guó)防導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，是一個(gè)全球性、全天候、全天時(shí)、高精度的導(dǎo)航定位和時(shí)間傳遞系統(tǒng)。24顆衛(wèi)星位于6個(gè)傾角為55的軌道平面內(nèi)，高度為20182km，周期近12小時(shí)。衛(wèi)星用兩個(gè)L波段頻率發(fā)射單向測(cè)距信號(hào)，區(qū)別不同衛(wèi)星采用碼分多址。它是一個(gè)軍民兩用系統(tǒng)，提供兩個(gè)等級(jí)的服務(wù)。GPS系統(tǒng)是為全球范圍內(nèi)的飛機(jī)、艦船、坦克、地面車(chē)輛、步兵、導(dǎo)彈以及航天飛機(jī)等挺供全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和精確時(shí)間，因此，具有極高的軍用價(jià)值和民用前景。

GPRS(General Packet Radio Service，通用無(wú)線分組業(yè)務(wù))，是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。通俗地講，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶手上。雖然GPRS是現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演變的過(guò)渡技術(shù)，但是它在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。GPRS是歐洲電信協(xié)會(huì)GSM系統(tǒng)中有關(guān)分組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。它采用信道捆綁(目前GPRS的設(shè)計(jì)可以在一個(gè)載頻或8個(gè)信道中實(shí)現(xiàn)捆綁)和增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率的方法實(shí)現(xiàn)高速接入，理論上可提供高達(dá)115kbps的空中接口傳輸速率，使若干移動(dòng)用戶能夠同時(shí)共享一個(gè)無(wú)線信道，一個(gè)移動(dòng)用戶也可以使用多個(gè)無(wú)線信道。實(shí)際發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的用戶僅占很少一部分網(wǎng)絡(luò)資源，并且網(wǎng)絡(luò)容量只有在實(shí)際傳輸時(shí)才被占用。GPRS與現(xiàn)有的GSM語(yǔ)音系統(tǒng)最根本的區(qū)別是；GSM是一種電路交換系統(tǒng)，而GPRS是一種分組交換系統(tǒng)。因此，GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。這一特點(diǎn)正適合大多數(shù)移動(dòng)互聯(lián)和設(shè)備對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的要求。
GPS-GPRS定位系統(tǒng)車(chē)載終端的組成如圖l所示。

導(dǎo)航儀的大致工作流程為：首先，終端導(dǎo)航設(shè)備通過(guò)自帶的GPS接收模塊獲得自身的具體地理位置信息以及附屬信息(如行駛速度和時(shí)間等)。然后，通過(guò)對(duì)內(nèi)置的海量存儲(chǔ)設(shè)備中的地圖，把其對(duì)應(yīng)當(dāng)前位置的地圖部分在TFT彩色液晶屏上顯示出來(lái)，并且同時(shí)顯示自身的狀態(tài)(如速度、時(shí)間、收到了控制中心的何種消息等)，設(shè)置自帶的GPRS模塊撥號(hào)上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與Internct的連接。接下來(lái)，就可將剛才通過(guò)GPS接收模塊所獲得的具體信息傳輸給指定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過(guò)特定的上位機(jī)軟件或相應(yīng)的傳輸協(xié)議，對(duì)所監(jiān)控的終端設(shè)備進(jìn)行當(dāng)前所在的位置、速度等相關(guān)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)受控終端進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與監(jiān)控中心的雙向數(shù)據(jù)傳輸．完成對(duì)受控終端運(yùn)行狀態(tài)、安全狀態(tài)、技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)控。

2 導(dǎo)航系統(tǒng)原理
整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。其中核心控制器使用基于ARM7內(nèi)核的AT9lSAMTS64；GPS接收模塊采用瑞士U-Blox公司的TIM-LH，信號(hào)接收能力強(qiáng)；GPRS模塊采用Motorola公司的G20無(wú)線模塊，特點(diǎn)是內(nèi)嵌了TCP／IP協(xié)議，使用簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，顯示部分采用的是Sharp公司生產(chǎn)的8寸TFT彩色液晶屏，通過(guò)顯示當(dāng)前位置的彩色地圖，達(dá)到照好的可視化效果。片外存儲(chǔ)設(shè)備使用的是Samsung公司生產(chǎn)的大容量Flash存儲(chǔ)體，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，與控制器的接口簡(jiǎn)單(高速SPI總線)。

本導(dǎo)航終端主要的功能如下：
①終端用戶進(jìn)行當(dāng)前所在地理位置的查詢；
②當(dāng)獲得了當(dāng)前的地理位置信息后，在TFT液晶屏上顯示出對(duì)應(yīng)的地圖區(qū)域；
③導(dǎo)航終端可對(duì)指定了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送自身的相關(guān)信息，如地理位置、自身狀態(tài)等；
④導(dǎo)航終端通過(guò)接收網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送的控制命令進(jìn)行相應(yīng)的控制；
⑤終端用戶可以通過(guò)GPRS模塊撥打電話。
系統(tǒng)的工作原理如下：

導(dǎo)航終端的核心控制部分是基于ARM7內(nèi)核的AT91SAM7S64微控制器，其核心是對(duì)GPS接收模塊的定位數(shù)據(jù)讀取；對(duì)GPRS模塊的控制．包括連接Internet、向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)和讀取服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)；最后是針對(duì)Flash存儲(chǔ)體的控制，通過(guò)對(duì)當(dāng)前獲得的地理位置信息。讀取存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)體中所存儲(chǔ)的地圖的對(duì)應(yīng)部分，然后在TFT彩色液晶屏上顯示出來(lái)。

其中，控制器對(duì)GPRS模塊的控制是通過(guò)串行口UARTO實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)發(fā)送對(duì)應(yīng)的AT命令實(shí)現(xiàn)對(duì)G20模塊的控制，如連接Internet、向服務(wù)器發(fā)送信息和接收數(shù)據(jù)、撥打電話等。關(guān)鍵命令如下：

對(duì)GPS模塊的數(shù)據(jù)接收是通過(guò)串行口UARTl實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)設(shè)定GPS模塊指定的波特率從模塊的串行口獲得定位數(shù)據(jù)。GPS通用的命令格式是NMEA-0183，而最需要的關(guān)鍵信息是其中的一組定位信息。如果此時(shí)GPS接收機(jī)和衛(wèi)星的通信正常，則可以接收到的定位信息的那組數(shù)據(jù)格式如下：

$GPRMC,204700,a,3403.868,N,11709.432,W,001.9,336.9,170698,013.6,E*6E
數(shù)據(jù)說(shuō)明如下：
$GPRMC代表GPS推薦的最短數(shù)據(jù)；
204700 UTC_TIME代表24小時(shí)制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，按照小時(shí)／分鐘/秒的格式；
A A或者V A表示數(shù)據(jù)“OK”，V表示一個(gè)警告；
3403．868 LAT緯度值，精確到小數(shù)點(diǎn)前4位，后3位N LAT_DIR N表示北緯，S表示南緯；
11709．432 LON經(jīng)度值，精確到小數(shù)點(diǎn)前5位，后3位W LON_DIR W表示兩經(jīng)，E表示東經(jīng)。
如果當(dāng)前沒(méi)有和衛(wèi)星取得聯(lián)系，那么字符串的格式為：
$GPRMC，UTC_TIME，V…．
下面是一個(gè)例子：
$GPRMC，204149，V……，l70698，，*3A

由于這里僅僅需要接收的信息為定位信息，即GPS推薦的最短數(shù)據(jù)．所以在接收GPS模塊的數(shù)據(jù)時(shí)，只需要判斷每行數(shù)據(jù)開(kāi)頭的關(guān)鍵字是否為“$GPRMC”，如是，則接收下來(lái)。

最后是針對(duì)Flash存儲(chǔ)體和TFT彩色液晶屏的控制。這里，CPU使用普通的SPI高速串行總線來(lái)驅(qū)動(dòng)Flash存儲(chǔ)體?？梢詮漠?dāng)?shù)氐目睖y(cè)部門(mén)獲得普通精度的數(shù)字彩色經(jīng)緯地圖，并將其存儲(chǔ)到Flash存儲(chǔ)體中，而用普通的I／O引腳來(lái)驅(qū)動(dòng)TFT彩色液晶屏，將從GPS模塊里獲得的定位信息進(jìn)行分析，然后通過(guò)處理，再在LCD上面屁示Flash存儲(chǔ)體中所存儲(chǔ)的地圖的對(duì)應(yīng)部分。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在整個(gè)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，全套軟件系統(tǒng)由用戶軟件、導(dǎo)航儀底層驅(qū)動(dòng)軟件和服務(wù)器端控制軟件組成。這里，以導(dǎo)航儀底層驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)的軟件足如何設(shè)計(jì)和運(yùn)作的。

整個(gè)導(dǎo)航儀底層驅(qū)動(dòng)軟件劃分成若干個(gè)模塊，由主模塊和多個(gè)子模塊組成。這里，使用了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II，其優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大，對(duì)系統(tǒng)資源的占用要求小，實(shí)時(shí)響應(yīng)，而且可以很輕松地實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的調(diào)度。這里，將所有的子程序設(shè)置成不同的任務(wù)，如下：
①OSTaskCreate(SystenqInit，(void*)0，(OS_STK*)SystemInit[(OSTaskStkSiz]，4)；
／／整個(gè)系統(tǒng)的初始化，作為第一個(gè)任務(wù)，包括對(duì)CPU、GPRS、／／GPS以及LCD的初始化工作
②OSTaskCreate(GPS_Get_Data，(void*)0，(OS_STK*)＆GPS_OSTaskStkSiz]，5)；
／／將從GPS模塊讀取定位信息作為第二個(gè)任務(wù)
③OSTaskCreate(GPRS_Send_Data，(void*)0，((OS_STK*)GPS_S[OSTaskStkSiz]，6)；
／／設(shè)置通過(guò)GPRS模塊向指定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)作為一個(gè)任務(wù)
④0STaskCreate(GPRS_Get_Data，(void*)0，(0S_STK*)GPRS_R[OSTaskStkSiz]，7)；
//設(shè)置通過(guò)GPRS模塊從指定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)作為另外一個(gè)任務(wù)
⑤OSTaskCreate(LCD_Draw，(void*)O，(OSSTK*)＆LCD[OSTaskStkSiz]+8)；
//驅(qū)動(dòng)TFT LCD讓其顯示對(duì)應(yīng)當(dāng)前地理位置區(qū)域的地圖部分，作為整個(gè)顯示部分的任務(wù)
⑥OSTaskCreate(Flash_Drive，(void*)O，(OS_STK*)＆LCD[OSTaskStksiz]，9)；
//驅(qū)動(dòng)Flash存儲(chǔ)體來(lái)讀取對(duì)應(yīng)地理位置信息的地圖部分，從而為L(zhǎng)CD顯示部分作好準(zhǔn)備

完成整個(gè)系統(tǒng)軟件的模塊他設(shè)計(jì)后，通過(guò)調(diào)用OS-Start()函數(shù)讓整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)。從以上的軟件組成說(shuō)明，可以了解整個(gè)系統(tǒng)軟件的工作流程如下：
①CPU通過(guò)GPS模塊獲得當(dāng)前的地理位置信息。
②CPU利用剛才所獲得的GPS定位信息，可以從Flash存儲(chǔ)體中獲得對(duì)應(yīng)當(dāng)前區(qū)域的地圖部分，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)TFT彩色液晶屏將其顯示出來(lái)。
③如需要，CPU通過(guò)GPRS模塊撥號(hào)連接上Internet后，將其所獲得的定位信息發(fā)送到指定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，或接收從服務(wù)器上發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。
④接收到服務(wù)器的控制命令后，返回響應(yīng)并采取相應(yīng)措施，如停止GPS數(shù)據(jù)的接收，改變導(dǎo)航終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的周期等。

最終搭建成的導(dǎo)航系統(tǒng)如圖3所示。

在實(shí)際的測(cè)試中，使用了當(dāng)?shù)仄胀ň鹊臄?shù)字彩色經(jīng)緯地圖，并將其裝載到了導(dǎo)航系統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)體中。通過(guò)在實(shí)際露天的測(cè)試對(duì)比，本導(dǎo)航系統(tǒng)可以良好地通過(guò)讀取當(dāng)前的GPS定位信息，在TFT彩色液晶屏上顯示出對(duì)應(yīng)當(dāng)前區(qū)域的地圖部分，并在安裝了特定網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件的服務(wù)器上很好地接收到導(dǎo)航終端發(fā)送過(guò)來(lái)的定位信息以及相關(guān)數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)
在本套導(dǎo)航系統(tǒng)中，其核心設(shè)計(jì)與以往傳統(tǒng)的GPS-GSM定位系統(tǒng)有著很大的區(qū)別。首先，利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)與以往通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信的方式相比，無(wú)論是運(yùn)營(yíng)成本，還是可靠性都得到了極大的改善，尤其是其運(yùn)營(yíng)成本，相比起傳統(tǒng)的GPS-GSM定位系統(tǒng)下降了2個(gè)數(shù)量級(jí)。其次，本導(dǎo)航系統(tǒng)中良好的可視化效果為用戶提供了相當(dāng)優(yōu)秀的導(dǎo)航界面，相比起來(lái)，市面上傳統(tǒng)的GPS定位系統(tǒng)僅僅顯示了當(dāng)前的GPS定位的數(shù)據(jù)，當(dāng)前的周邊地理狀況則無(wú)法良好地提供給用戶；而本套導(dǎo)航系統(tǒng)，控制核心采用的高性能的基于ARM7內(nèi)核的微控制器，因而無(wú)論是性能還是可升級(jí)性方面，都比起使用傳統(tǒng)的8位單片機(jī)作為控制核心有著相當(dāng)火的優(yōu)勢(shì)。目前，隨著人們對(duì)GPS導(dǎo)航技術(shù)的要求一步步的提升，以及GPRS網(wǎng)絡(luò)在同內(nèi)的高速普及，我們相信以這兩者相結(jié)合的新一代導(dǎo)航技術(shù)將會(huì)獲得極大的成功。