基于GPS的群組動態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)

1、基于GPS的群組動態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)作品編號A330組長 周文斌小組成員 謝皓 谷小婧引言 該作品是以GPS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以無線通信網(wǎng)絡(luò)為依托，通過ARM7和uClinux平臺來實現(xiàn)群組成員之間的相互動態(tài)跟蹤定位。由GPS接受器、ARM微控制器、CDMA無線模塊、Flash存儲芯片，以及LCD液晶屏組成。本群組動態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)能幫助使用者獲得極佳的地理信息導(dǎo)航幫助，以及實現(xiàn)對集群內(nèi)其他成員的位置信息監(jiān)控，可用于考察隊、車隊、消防、公安等小組成員的相互定位和控制中心對所有成員的定位。. 總體方案1.1 作品介紹及特點隨著近年來科技的發(fā)展以及人們對通信及導(dǎo)航技術(shù)的要求進一步提高，以全球定位系統(tǒng)(GPS)

2、 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)備都只有接收功能，只能實現(xiàn)自身定位或把位置信號傳送給監(jiān)控中心，無法實現(xiàn)在任意GPS終端上顯示其他終端的位置信息。市場上也沒有現(xiàn)成的軟件可以支持多的數(shù)據(jù)采集、實時顯示。而在網(wǎng)絡(luò)連接方面，目前附帶了數(shù)據(jù)傳輸功能的設(shè)備大多數(shù)也僅僅是通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短消息或使用無線路由器的方式進行數(shù)據(jù)的傳輸和接收。但是由于短消息延時不確定、速度慢、容易丟失；而無線路由器通信的有效距離太短，受地勢限制較強，需外接天線，攜帶不方便。這些缺點使得

3、目前這類系統(tǒng)的穩(wěn)定性低，適用性差。而現(xiàn)有的使用GPS與CDMA技術(shù)結(jié)合的混合定位系統(tǒng)產(chǎn)品僅是把CDMA網(wǎng)絡(luò)作為對GPS信號不佳時的補充，沒有充分利用無線通訊網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，并不能實現(xiàn)多終端的相互定位功能。本系統(tǒng)通過基于的CDMA2000無線網(wǎng)絡(luò)來發(fā)送和接收終端的GPS位置信息，采用LCD液晶屏作為顯示設(shè)備，采用高性能的基于ARM7內(nèi)核的微控制器作為控制核心。除了可以把終端的GPS位置信息傳給監(jiān)控中心外，還實現(xiàn)了在任意GPS終端上顯示其他終端的位置信息的這一新功能，并且可靠性、可升級性高，運營成本低。特別適用于考察隊、車隊、消防、公安等行動需要密切配合群組，用于小組成員間的相互定位和控制中心對所有成

4、員的定位。1.2 系統(tǒng)組成在本跟蹤定位設(shè)備中，涉及的核心技術(shù)是全球定位系統(tǒng)GPS和無線通信網(wǎng)絡(luò)，下面簡單介紹這兩個系統(tǒng)的核心模塊。GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)），是美國的國防導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導(dǎo)航定位和時間傳遞系統(tǒng)。24顆衛(wèi)星位于6個傾角為55°的軌道平面內(nèi)，高度為20 182 km，周期近12小時。衛(wèi)星用兩個 L波段頻率發(fā)射單向測距信號，區(qū)別不同衛(wèi)星采用碼分多址。它是一個軍民兩用系統(tǒng)，提供兩個等級的服務(wù)。GPS系統(tǒng)是為全球范圍內(nèi)的飛機、艦船、坦克、地面車輛、步兵、導(dǎo)彈以及航天飛機等提供全天候、連續(xù)、實時、

5、高精度的三維位置、三維速度和精確時間，因此，具有極高的軍用價值和民用前景。CDMA是碼分多址的英文縮寫（Code Division Multiple Access），CDMA是基于擴頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端由使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。 CDMA多址技術(shù)完全適合現(xiàn)代移動通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換、成本低等，正受到越來越多的運營商和用戶的青睞。GPS-CDMA群組動態(tài)跟蹤

6、定位系統(tǒng)的一個終端的組成如圖1所示：圖1 群組動態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)的組成框圖群組動態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)大致工作流程為:首先，終端定位設(shè)備通過自帶的GPS接收模塊獲得自身的具體地理位置信息以及附屬信息（如速度和時間等）。然后設(shè)置自帶的CDMA模塊，將剛才通過GPS接收模塊所獲得的具體信息傳輸給集群中其他的終端和監(jiān)控中心。之后通過CDMA接受模塊接受其他終端傳輸?shù)腉PS信息和監(jiān)控中心的監(jiān)控信息。最后通過鍵盤控制在LCD液晶屏上顯示自身的狀態(tài)（如速度、時間、航向）和集群中其他終端的位置信息。本系統(tǒng)內(nèi)各終端通過相應(yīng)的傳輸協(xié)議，對所監(jiān)視的終端設(shè)備進行當(dāng)前所在的位置、速度等相關(guān)信息的實時監(jiān)視,并可通過無線網(wǎng)絡(luò)對受控

7、終端進行控制,實現(xiàn)移動終端之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，用于集群內(nèi)各終端間的跟蹤定位。通過鍵盤操作，本跟蹤定位系統(tǒng)可以自由添加群組內(nèi)的任意終端為接受或發(fā)送信息的對象；也可以選擇是否開啟CDMA收發(fā)功能，不需要發(fā)送或接收時就可以關(guān)閉該功能，來提高電池的續(xù)航能力。2. 系統(tǒng)硬件框架整個群組動態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。其中核心控制器使用意法半導(dǎo)體的的STR710F，該芯片是一款基于ARM7內(nèi)核的芯片，它一方面具有ARM處理器的低功耗,高性能等優(yōu)點，同時又具有豐富的片上資源,非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)；GPS接收模塊采用Atmel公司的ATR0601和ATR0625,由于內(nèi)嵌了uBlox公司的GPS F

8、irmware Super Sense系統(tǒng)，信號接收能力強；CDMA模塊采用CDMA2000 1×，特點是內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，使用簡單，性能穩(wěn)定。顯示部分采用的是SMG240128A(240*128)點陣圖型液晶模塊,可顯示8行漢字,每行15個的高品質(zhì)點陣。片外存儲設(shè)備使用的是意法公司生產(chǎn)的Flash存儲體M28W320ECB。SRAM芯片使用的是TOSHIBA公司生產(chǎn)的TC55V8200FT-12，優(yōu)點是價格便宜，與控制器的接口簡單(高速SPI總線)，每塊2M容量,兩塊并聯(lián)使用。鍵盤使用ZLG7290B，不使用數(shù)碼管，只使用其鍵盤掃描管理功能。圖2 群組動態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)的硬件框

9、圖3. 系統(tǒng)軟件框架在整個群組動態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)中，全套軟件系統(tǒng)由用戶軟件和定位系統(tǒng)底層驅(qū)動軟件組成。這里以定位系統(tǒng)底層驅(qū)動軟件的流程圖來說明整個系統(tǒng)的軟件是如何設(shè)計和運作的。整個群組動態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)的底層驅(qū)動軟件劃分成8個模塊，由主模塊和多個子模塊組成。這里，使用了實時嵌入式系統(tǒng)uClinux, 其優(yōu)點是功能強大，對系統(tǒng)資源的占用要求小，實時響應(yīng)，而且可以很輕松地實現(xiàn)多個任務(wù)的調(diào)度。更重要的是由于STR710F沒有內(nèi)置存儲器管理單元(MMU),而uClinux不支持MMU。軟件的工作流程如下：系統(tǒng)加電后首先啟動uClinux內(nèi)核，等系統(tǒng)完成加載后啟動應(yīng)用程序。程序首先對串口和usb接口進行初始

10、化，然后主程序開啟多進程，分別運行GPS接收進程、CDMA收發(fā)進程、鍵盤和顯示器響應(yīng)進程。GPS接收進程主要完成對GPS模塊通過串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)流的提取和分析；CDMA收發(fā)進程完成對CDMA模塊的USB接口操作，判斷是否處于發(fā)送或接收狀態(tài)，如果是提取存儲的隊友列表然后將自己的信息發(fā)送給他們，而接收模塊則定期到USB接口提取收到的信息，當(dāng)不需要發(fā)送或接收就可以關(guān)閉該功能，來提高電池的續(xù)航能力；鍵盤和顯示器進程則對鍵盤的按鍵進行響應(yīng)和定時刷新顯示器。 主函數(shù)流程圖 GPS接收模塊流程圖 CDMA發(fā)送模塊流程圖 CDMA接收模塊流程圖 鍵盤主流程圖 鍵盤對應(yīng)的PIO中斷 定時器中斷 LCD顯示流程

11、圖4. 系統(tǒng)移植uClinux就是Micro-Control-Linux，即針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的Linux系統(tǒng)，uClinux是有一個Linux內(nèi)核裁剪而來，最大的不同是uClinux不支持MMU，特別時候沒有MMU的處理器芯片。uClinux具有一個完整的TCP/IP協(xié)議棧，同時對其他很多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供支持，因此在眾多的SOC中，uClinux在網(wǎng)絡(luò)方面的表現(xiàn)特別突出。因此，我們引入uClinux作為我們的STR710F片上系統(tǒng)，這樣可以利用uClinux的豐富接口和底層驅(qū)動，幫助我們縮短開發(fā)時間，提高開發(fā)質(zhì)量。搭建一個uClinux，需要做的是：首先在Linux下建立一個交叉編譯環(huán)境，然后對Linux內(nèi)核進行裁剪編譯，制作成鏡像，并且建立根文件系統(tǒng)，接著編寫系統(tǒng)引導(dǎo)程序，最后加載到ARM芯片上。 5進一步的工作進一步的工作包括板子的制作與調(diào)試，系統(tǒng)的移植與調(diào)試，應(yīng)用程序編寫與調(diào)試以及最后的總體調(diào)試。3. 總結(jié)與展望本套跟蹤定位系統(tǒng)，以GPS網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，不但實現(xiàn)了監(jiān)控中心對各終端的定位，還實現(xiàn)了在任意終端上顯示其他終端的位置信息的這一新功能。并且可靠性高，可升級性高，運營成本低。本套跟蹤定位系統(tǒng)的控制核心采用的高性能的基于ARM7內(nèi)核的微控制器，因而無論是性