嵌入式车载导航与防盗系统的设计与研究

刘 晋，杨一晨，郭 健，申 皓

（辽宁师范大学 计算机与信息技术学院，辽宁 大连116081）

GPS车载导航与防盗系统是集合全球定位系统(GPS)、地理信息处理系统(GIS)、数字移动通信系统(GSM)和计算机数据处理技术，通过移动通信网络的形式传递信息的高科技产品，可实现全球卫星智能导航、防盗报警、娱乐等诸多功能。

1 总体设计

根据车载导航与防盗的实际需求，本系统具有以下功能：

(1)定位功能：GPS通过接收卫星信号，准确地定位其所在的位置，位置误差小于10 m，利用GPS在地图上实时显示车辆当前位置；

(2)地图导航功能：输入目标地点后，自动在地图上显示出行车路线。若用户不小心错过路口，没有走车载GPS导航系统推荐的最佳线路，该系统将重新为用户设计一条回到主航线的路线，或是为用户设计一条从新位置到达终点的最佳线路；

(3)语音导航功能：输入目标地点后，车辆若遇到前方路口或者转弯时，车载GPS语音系统提示用户转向等语音提示；

(4)防盗功能：若车辆被盗，则通过 GPRS发送短信给用户，返回车辆当前位置，便于追踪；

(5)娱乐功能：播放 U盘、SD卡中的图片、音频、视频文件以及游戏模式；

(6)智能导航功能：在短时间内失去GPS信号时，可根据车内的加速度传感器，结合行车速度计算出行车的实际情况。

2 系统硬件设计

鉴于以上功能，可将系统硬件整体架构分为主控模块、GPS模块、GPRS模块、重力加速度传感器模块、LCD触摸屏模块和语音报读模块七大功能模块，如图1所示。

(1)主控模块：选用FS2410开发板，主要用于控制并协调系统模块间的正常通信。此控制模块包含两片大小为32 MB的NAND Flash、一片大小为2 MB的NOR Flash以及一片以太网控制芯片、两个USB接口、一个HOST接口、一个SD卡接口、一个液晶接口、两路串口通信模块等硬件资源。其中双串口能达到GPS模块、GPRS模块通信的要求。

(2)GPS模块：GPS是20世纪 70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要功能是按照卫星的截止角跟踪卫星的运行，捕获相应的卫星信号，从而测量出接收器到卫星的伪距离和距离的变化率，计算出卫星轨道参数等数据，进而得出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。本系统采用的芯片是SIRF2e/LP，定位精度可达到2 m，加速度可达到0.1 m/s，最高海拔支持18 000 m。该模块在本系统中与S3C2410的UART接口2相连接。

(3)GPRS模块：本系统采用的是PTB206型号的通信模块，它支持GSM900/DCS 1 800 MHz的频段，支持GSM 07.07标准AT指令集，支持上传和下载，速率能达到85.6 kb/s，内嵌TCP/IP协议。该模块在本系统中与S3C2410的UART接口1相连接。

(4)重力加速度传感器模块：是一种重力传感器(G-sensor)，根据电压效应原理，由弹性敏感器件构成悬臂式位移器，结合储能弹簧来驱动电触点，完成从重力变化到电信号的转换，从而计算出产生电压与所施加的加速度传感器之间的关系，以实现将加速度转化成电压输出、检测目标是否有移动的行为、判断设备是否被盗，并配合GPRS模块实现防盗、追踪的目的。系统中使用的芯片是ADXL345，它是一款小巧纤薄的低功耗三轴加速度计，分辨率为3.9 mg/LSB，测量倾斜角度变化精度能达到1.0°，可以对高达±16 g的加速度进行高分辨率(13位)测量，数字输出数据为16位二进制补码格式。该模块可通过 SPI（3线或 4线）或者 I2C数字接口与主控模块的GPIO口相连接。

(5)LCD触摸屏模块：主要用于电子地图、多媒体应用，可提供丰富的图形界面以及人机交互操作。本系统中采用的是台湾东华公司的一款型号为WXCAT-35TG3的 3.5寸 TFT LCD。 分辨率为 RGB 320×240，屏幕表面有一片四线电阻式触摸屏。

(6)语音报读模块：在导航、防盗报警时，本模块将实现各种功能的提示。在本系统中采用的语音芯片是ISD1420P。利用该芯片可以实现语音分段录、放音的功能，最小分段20 s/160段，并且高优先级录音，低电平或负边沿触发放音。

3 系统软件设计

在本系统中，软件开发平台采用的是ubuntu 8.10，UBOOT选用的版本是1.3.4，Linux内核选用的版本是Linux-2.6.26，交叉编译器选用的是 gcc-4.1.1，GUI的版本用的是QT-embedded-4.5.2[1]。

3.1 总体IO任务分解

图2显示的是总体IO任务分解。

(1)重力加速度传感器的任务：实时地获取当前的角度数据并送于主控；

(2)GPS任务：通过UART2接收任务，负责 GPS数据的接收、检验，并把获取的数据进行处理并送于主控；

(3)GPRS任务：在系统开机时，负责建立GPRS数据链路，同时主控通过UART1发送任务，将数据发送给用户，实现监控；

(4)主控任务：对重力加速度传感器、GPS模块获取到的数据实时地进行读写与计算控制，并且针对GPRS模块进行数据的发送，同时结合用户实时的需要开启相应的应用服务。

3.2 GPS的数据接收与处理

GPS模块采用中断方式对GPS数据进行接收以及对GPS数据中的时间、位置等进行处理[2]。在默认情况下，GPS模块输出数据的波特率为4 800 b/s，输出信息的消息 类 型 有 ：GPRMC、GPRGA、GPGSA、GPGSV、PGRME 等 ，详细的GPS数据处理流程如图3所示。

3.3 地图的处理与显示

MapInfo是美国MapInfo公司的桌面地理信息系统软件，是一种数据可视化、信息地图化的桌面解决方案。它是以mif格式来存储的，每个mif文件由两个部分组成：文件头和数据区。其中文件头用于将MapInfo这样的地图数据生成电子地图，数据区则用来定义几何对象。导航的界面显示是Trolltech[3]公司的 Qt/Embedded2.3.6和Qtopia1.7来实现应用程序的人机界面交互的。地图的存储采用的是SQLite[4]数据库，它是一款开源的轻型数据库，占用的资源非常低，在嵌入式设备中，只需要几百K的内存就可以运行。

3.4 GPRS模块的设计

GPRS模块用于实现防盗追踪功能，处理器利用AT指令(Attention Command)来进行模块操作[5]。AT指令是一套通过串口来控制MODEM的标准协议族，指令的格式以AT开头，以CR结束。详细的GPRS工作流程如图4所示。

3.5 加速度传感器的设计

加速度传感器需实现两大功能：(1)防盗功能：当发生盗窃时，加速度信号会发生不同于静止状态的不规则变化，采用标准差分析法对加速度信号进行分析，可以判断盗窃事件的发生；(2)GPS盲区内的定位：利用加速度传感器获取车辆的加速度，当车辆进入“城市峡谷”等GPS盲区点时，利用航位推算的DR算法来实现短时间内的定位。

4 系统的实现

本系统以北京海淀区北四环为例，展示了系统的运行情况，验证了系统的稳定性和实用性。其中图5显示的是导航时导航线路的选取与设置。图6是防盗通信设置主界面，通过此界面来设置防盗端的手机号码、防盗消息的发送来实现防盗，同时通过系统密码的设置来加强系统的安全性。图7是多媒体播放部分，图中显示的是正在播放音频文件主界面。

本文以FS2410开发板作为硬件支持，以Linux为开发平台，以 Qt/Embedded为 GUI设计界面，通过嵌入式软硬件结合的设计方法，最终设计并实现了嵌入式车载导航与防盗系统。

[1]韦东山.嵌入式 Linux应用开发完全手册[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京：科学出版社，2008.

[3]Trolltech.Qt reference documentation Qt/Embedded[A].Norway：Trolltech，2004.

[4]胡菲菲.SQLite在嵌入式电子地图中的应用[J].湖南科技学院学报，2008，29(4)：82-84.

[5]孙勇，刘杰.基于ARM的GPRS通信终端设计[J].工业控制计算机，2010，23(5)：49-52.