基于嵌入式Linux系統的車(chē)載導航終端

摘要：    本文研究的是嵌入式系統在車(chē)載導航終端中的應用，以Intel PXA255處理器為核心處理器，以嵌入式Linux系統為操作系統，結合USB攝像頭，GPS接收機，CDMA無(wú)線(xiàn)傳輸模塊等外設構建了基于嵌入式系統的多功能車(chē)載導航系統。系統達到了設計要求，具有一定實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：    ARM；嵌入式系統；Linux；車(chē)載導航

車(chē)載導航系統是ITS系統(智能交通系統)的重要組成部分，它將衛星定位技術(shù)(GPS)，地理信息系統(GIS)以及現代通信技術(shù)融于一身。主要功能是將裝有GPS接收機的移動(dòng)載體的動(dòng)態(tài)位置、時(shí)間、狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)的通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )鏈接到指揮控制中心，而后在具有強大地理信息處理和查詢(xún)功能的電子地圖上進(jìn)行載體運動(dòng)軌跡的顯示,并能對載體的準確位置、速度、運動(dòng)方向、車(chē)輛狀態(tài)等基本信息進(jìn)行監控和查詢(xún)。

總體設計方案

系統采用Intel公司Xscal架構的PXA255處理器為核心處理器，操作系統選用嵌入式Linux系統。本系統所包含的功能如下：視頻取證功能、衛星防盜功能、無(wú)線(xiàn)追蹤功能、輔助倒車(chē)功能等。

本系統整體功能見(jiàn)圖1。其中多功能車(chē)載GPS終端分布在各移動(dòng)的車(chē)輛上，負責接收GPS衛星定位信息，通過(guò)GPS接收機中的處理器解算出車(chē)輛所處的位置坐標。坐標數據經(jīng)處理后可以顯示在本機上，由 CDMA模塊，以短信的形式將車(chē)輛的位置、狀態(tài)等信息發(fā)送至公網(wǎng)，公網(wǎng)將接收到的車(chē)輛定位信息傳送至監控中心，在監控中心經(jīng)過(guò)計算機系統的處理后與計算機系統上的GIS電子地圖進(jìn)行匹配，并在地圖上動(dòng)態(tài)顯示坐標的正確位置。同時(shí)，系統可以通過(guò)連接在終端上的視頻采集設備(USB攝像頭)對當前的圖像以一定的速率采集并保存成視頻信息以供日后事故鑒定之用，也可選擇視頻實(shí)時(shí)顯示模式，作為輔助倒車(chē)之用。此外，截取的關(guān)鍵視頻圖片還可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送到監控中心，實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)圖像監控。

圖1系統整體功能模塊構成示意圖 

各主要功能模塊設計

本系統車(chē)載終端硬件部分主要包括X-Hyper Xscale PXA255B開(kāi)發(fā)板，液晶屏，GPS接收板，USB攝像頭、CDMA通信模塊等。軟件模塊主要包括GPS接收模塊、語(yǔ)音留言模塊、視頻取證與輔助倒車(chē)模塊、無(wú)線(xiàn)監控模塊，并設計有統一的圖形用戶(hù)界面。

GPS定位模塊

GPS接收機采用u-Blox RCB-LC，接收數據采用NMEA0183格式，波特率設為9.6Kbps。GPS模塊的工作流程圖如圖2所示，對GPS數據的讀取需要通過(guò)對串口的操作來(lái)實(shí)現。在Linux下，所有的硬件設備都被看成是普通文件，可以通過(guò)和普通文件相同的標準系統調用來(lái)完成打開(kāi)、關(guān)閉、讀取和寫(xiě)入設備等操作。系統中每一個(gè)設備都用一種特殊的設備相關(guān)文件來(lái)表示，存放在/dev/目錄下。在Linux中，對每一個(gè)設備的描述是通過(guò)主設備號和次設備號來(lái)實(shí)現的。由同一個(gè)設備驅動(dòng)控制的所有設備具有相同的主設備號，主設備號描述控制這個(gè)設備的驅動(dòng)程序，即驅動(dòng)程序與主設備號是一一對應的；次設備號用來(lái)區分同一個(gè)驅動(dòng)程序控制的不同設備。

圖2  GPS模塊的工作流程圖 

視頻取證與輔助倒車(chē)模塊

視頻取證與輔助倒車(chē)模塊的具體功能如下：當車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)，由置于車(chē)前的攝像頭采集圖像數據。采集數據的形式分為手動(dòng)采集和自動(dòng)采集兩種。手動(dòng)采集主要用于小的交通摩擦，在車(chē)輛的行駛速度沒(méi)有發(fā)生較大變化時(shí)車(chē)主可以根據自身需要手動(dòng)選擇；自動(dòng)采集，主要用于當車(chē)輛發(fā)生大的交通事故時(shí)，車(chē)輛行駛速度由于碰撞發(fā)生較大變化，系統會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)視頻取證功能。在車(chē)尾安裝攝像頭，用于輔助駕駛員倒車(chē)。由于攝像頭安裝在車(chē)尾正后方，恰好可拍攝到駕駛員后視鏡看不到的地方。而且攝像頭的傾角偏下，可很好的查看地面是否有突起的障礙物，以輔助駕駛員倒車(chē)。視頻取證模塊程序流程圖與輔助倒車(chē)模塊程序流程圖如圖3所示。

圖3 視頻取證與輔助倒車(chē)模塊程序流程圖
(a) 視頻取證模塊流程圖
(b) 輔助倒車(chē)模塊流程圖
 
攝像頭屬于視頻類(lèi)設備，遵循Video for Linux (V4L)標準。這個(gè)標準定義了一套API接口，內核、驅動(dòng)、應用程序都以這個(gè)接口為標準進(jìn)行交流。

無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

無(wú)線(xiàn)傳輸模塊系統構成如圖4所示，通過(guò)具有無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)功能的CDMA1X無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)，數據收發(fā)。短信收發(fā)程序使用AT命令進(jìn)行相關(guān)操作,無(wú)線(xiàn)傳輸模塊實(shí)現原理如下：

圖 4 無(wú)線(xiàn)傳輸系統構成

(1) 手機向終端發(fā)送帶有“position”字串的短信，終端收到短信后，結合GPS模塊，得到當前系統所在的經(jīng)緯度，然后以短信的方式返回給手機。

(2) 手機向終端發(fā)送帶有“l(fā)isten”字串的短信，終端收到短信后，主動(dòng)的給手機回電話(huà)。

(3) 手機向終端發(fā)送帶有“stop”字串的短信，終端收到短信后，自動(dòng)掛斷當前的電話(huà)。

(4) 手機向終端發(fā)送帶有“internetxxx. xxx.xxx.xxx”字串的短信，終端收到短信后，提取IP xx.xxx.xxx.xxx,并主動(dòng)撥號上網(wǎng)，上網(wǎng)后，和服務(wù)器進(jìn)行綁定嘗試。如果綁定成功，則結合GPS和攝像頭進(jìn)行GPS和攝像頭數據的傳送；服務(wù)器收到終端的數據后，分別將圖片數據存為文件并顯示，將GPS數據發(fā)送給電子地圖，這樣就可實(shí)現遠程監控。如果綁定失敗，則終端會(huì )自動(dòng)下線(xiàn)。

(5) 在數據傳送過(guò)程中，無(wú)論服務(wù)器關(guān)閉或服務(wù)器向終端發(fā)送停止命令終端都會(huì )自動(dòng)下線(xiàn)。

(6) CDMA1X的短信電話(huà)功能和上網(wǎng)傳數據功能不能同時(shí)占用信道，所以在進(jìn)行短信或電話(huà)功能時(shí)不能進(jìn)行上網(wǎng)數據業(yè)務(wù)，反之亦然。

當接收到的短信中含有上網(wǎng)的有效信息時(shí)，終端便開(kāi)始上網(wǎng)，使用PPP撥號協(xié)議。終
端成功上網(wǎng)后，便可進(jìn)行數據傳送。為了保證數據傳送的穩定性(相對UDP協(xié)議不亂序，不丟包等)，程序采用了TCP協(xié)議傳送。ppp撥號上網(wǎng)最重要的部分，負責打開(kāi)串口并設置，引導客戶(hù)端與服務(wù)器進(jìn)行會(huì )話(huà)，引導進(jìn)行身份密碼驗證，引導把ttySx(串口)和ppp0(ppp撥號上網(wǎng)用來(lái)處理網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)中的一系列操作)綁定,進(jìn)行正常的數據傳送業(yè)務(wù)等。

/usr/sbin/chat　用來(lái)和服務(wù)器進(jìn)行會(huì )話(huà)，對超時(shí)、無(wú)應答等進(jìn)行設置，和服務(wù)器進(jìn)
行身份密碼驗證。為保證無(wú)線(xiàn)modem的正常工作，使用的方法有：

(1)收到一條短信處理完就刪除掉，如收到的短信中沒(méi)有相關(guān)內容，則會(huì )自動(dòng)刪除。這樣模塊收到的短信總數永遠不會(huì )超過(guò)20條的上限，可以保證短信的正常收發(fā)(如果短信已滿(mǎn)，則收不到新的短信)。

(2)由于無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)和手機業(yè)務(wù)(短信和打電話(huà))各自對無(wú)線(xiàn)信道的獨占性，即打電話(huà)時(shí)不能上網(wǎng)，但可以收發(fā)短信，上網(wǎng)時(shí)收不到短信和接不了電話(huà)。程序采取的措施是電話(huà)結束后發(fā)送stop短信保證不再占有信道，上網(wǎng)過(guò)程中遇到一些情況，比如：服務(wù)器關(guān)閉，未打開(kāi)，綁定失敗，服務(wù)器要求停止傳送等，都會(huì )自動(dòng)下線(xiàn)，并恢復到上網(wǎng)前的狀態(tài)。

結語(yǔ)

本課題在設計過(guò)程中，對硬件實(shí)現采用集成化的思想，充分利用開(kāi)發(fā)板的資源；軟件設計采用模塊化思想，提高系統的可擴展性和可維護性，增長(cháng)軟件的生命周期。設計初步實(shí)現了全天候定位、視頻圖像采集與無(wú)線(xiàn)傳輸等功能的GPS車(chē)載導航終端。

參考文獻：
1.  lessandro Rubini&Jonathan, Linux Device Driver，O'Reilly&Associates,2001
2.  Detlef Fliegl，Programming Guid for Linux USB Device Driver，www.usb.org，2000