基于GPS的群組動(dòng)態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)

1、基于GPS的群組動(dòng)態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)作品編號(hào)A330組長(zhǎng) 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(tái)來實(shí)現(xiàn)群組成員之間的相互動(dòng)態(tài)跟蹤定位。由GPS接受器、ARM微控制器、CDMA無線模塊、Flash存儲(chǔ)芯片，以及LCD液晶屏組成。本群組動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)集群內(nèi)其他成員的位置信息監(jiān)控，可用于考察隊(duì)、車隊(duì)、消防、公安等小組成員的相互定位和控制中心對(duì)所有成員的定位。. 總體方案1.1 作品介紹及特點(diǎn)隨著近年來科技的發(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)

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(shí)現(xiàn)自身定位或把位置信號(hào)傳送給監(jiān)控中心，無法實(shí)現(xiàn)在任意GPS終端上顯示其他終端的位置信息。市場(chǎng)上也沒有現(xiàn)成的軟件可以支持多的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和接收。但是由于短消息延時(shí)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(shì)限制較強(qiáng)，需外接天線，攜帶不方便。這些缺點(diǎn)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(duì)GPS信號(hào)不佳時(shí)的補(bǔ)充，沒有充分利用無線通訊網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，并不能實(shí)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(shí)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(jí)性高，運(yùn)營(yíng)成本低。特別適用于考察隊(duì)、車隊(duì)、消防、公安等行動(dòng)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(duì)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(jiǎn)單介紹這兩個(gè)系統(tǒng)的核心模塊。GPS（Global Positioning System，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20 182 km，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、地面車輛、步兵、導(dǎo)彈以及航天飛機(jī)等提供全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)、

5、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。CDMA是碼分多址的英文縮寫（Code Division Multiple Access），CDMA是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)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(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。 CDMA多址技術(shù)完全適合現(xiàn)代移動(dòng)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(yùn)營(yíng)商和用戶的青睞。GPS-CDMA群組動(dòng)態(tài)跟蹤

6、定位系統(tǒng)的一個(gè)終端的組成如圖1所示：圖1 群組動(dòng)態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)的組成框圖群組動(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)所監(jiān)視的終端設(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)視,并可通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)受控

7、終端進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)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(duì)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(shí)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(gè)群組動(dòng)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(diǎn)，同時(shí)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(hào)接收能力強(qiáng)；CDMA模塊采用CDMA2000 1×，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SMG240128A(240*128)點(diǎn)陣圖型液晶模塊,可顯示8行漢字,每行15個(gè)的高品質(zhì)點(diǎn)陣。片外存儲(chǔ)設(shè)備使用的是意法公司生產(chǎn)的Flash存儲(chǔ)體M28W320ECB。SRAM芯片使用的是TOSHIBA公司生產(chǎn)的TC55V8200FT-12，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)，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(dòng)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(gè)群組動(dòng)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(dòng)軟件組成。這里以定位系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)軟件的流程圖來說明整個(gè)系統(tǒng)的軟件是如何設(shè)計(jì)和運(yùn)作的。整個(gè)群組動(dòng)態(tài)跟蹤定位系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)軟件劃分成8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)uClinux, 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。更重要的是由于STR710F沒有內(nèi)置存儲(chǔ)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(dòng)uClinux內(nèi)核，等系統(tǒng)完成加載后啟動(dòng)應(yīng)用程序。程序首先對(duì)串口和usb接口進(jìn)行初始

10、化，然后主程序開啟多進(jìn)程，分別運(yùn)行GPS接收進(jìn)程、CDMA收發(fā)進(jìn)程、鍵盤和顯示器響應(yīng)進(jìn)程。GPS接收進(jìn)程主要完成對(duì)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(jìn)程完成對(duì)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(chǔ)的隊(duì)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(jìn)程則對(duì)鍵盤的按鍵進(jìn)行響應(yīng)和定時(shí)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(duì)應(yīng)的PIO中斷 定時(shí)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(duì)微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)，uClinux是有一個(gè)Linux內(nèi)核裁剪而來，最大的不同是uClinux不支持MMU，特別時(shí)候沒有MMU的處理器芯片。uClinux具有一個(gè)完整的TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)對(duì)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(dòng)，幫助我們縮短開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)質(zhì)量。搭建一個(gè)uClinux，需要做的是：首先在Linux下建立一個(gè)交叉編譯環(huán)境，然后對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)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(jìn)一步的工作進(jìn)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(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心對(duì)各終端的定位，還實(shí)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(jí)性高，運(yùn)營(yíng)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