基于GPRS網(wǎng)絡(luò )的GPS圖形導航儀

引 言
隨著(zhù)近年來(lái)科技的發(fā)展以及人們對通信及導航技術(shù)的要求進(jìn)一步提高，以全球定位系統(GPS)定位技術(shù)為主的定位導航及監控技術(shù)得到了高速的發(fā)展。GPS導航定位技術(shù)在眾多的行業(yè)中都得到了廣泛的應用，如交通、航海、安全等眾多的領(lǐng)域。然而，大多數已經(jīng)投入使用的GPS導航監控設備里，很少有通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )把重要的數據傳輸給監控者功能的設備。其余附帶了數據傳輸功能的設備大多數也僅僅是通過(guò)發(fā)送短消息的方式進(jìn)行重要數據的傳輸和接收，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)系統的穩定性下降。

本系統通過(guò)基于全新的GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)發(fā)送重要數據，采用大屏幕的TFT彩色液晶屏作為地圖顯示設備，使定位的可視化效果及數據傳輸功能的穩定性都得到了極大的加強。

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

GPS(Global Positioning Systern，全球定位系統)。是美國的國防導航衛星系統，是一個(gè)全球性、全天候、全天時(shí)、高精度的導航定位和時(shí)間傳遞系統。24顆衛星位于6個(gè)傾角為55的軌道平面內，高度為20182km，周期近12小時(shí)。衛星用兩個(gè)L波段頻率發(fā)射單向測距信號，區別不同衛星采用碼分多址。它是一個(gè)軍民兩用系統，提供兩個(gè)等級的服務(wù)。GPS系統是為全球范圍內的飛機、艦船、坦克、地面車(chē)輛、步兵、導彈以及航天飛機等挺供全天候、連續、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(xiàn)分組業(yè)務(wù))，是一種基于GSM系統的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接。通俗地講，GPRS是一項高速數據處理的技術(shù)，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶(hù)手上。雖然GPRS是現有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(zhù)的優(yōu)勢。GPRS是歐洲電信協(xié)會(huì )GSM系統中有關(guān)分組數據的標準。它采用信道捆綁(目前GPRS的設計可以在一個(gè)載頻或8個(gè)信道中實(shí)現捆綁)和增強數據速率的方法實(shí)現高速接入，理論上可提供高達115kbps的空中接口傳輸速率，使若干移動(dòng)用戶(hù)能夠同時(shí)共享一個(gè)無(wú)線(xiàn)信道，一個(gè)移動(dòng)用戶(hù)也可以使用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道。實(shí)際發(fā)送或接收數據包的用戶(hù)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與現有的GSM語(yǔ)音系統最根本的區別是；GSM是一種電路交換系統，而GPRS是一種分組交換系統。因此，GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。這一特點(diǎn)正適合大多數移動(dòng)互聯(lián)和設備對傳輸數據的要求。
GPS-GPRS定位系統車(chē)載終端的組成如圖l所示。

導航儀的大致工作流程為：首先，終端導航設備通過(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)對內置的海量存儲設備中的地圖，把其對應當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)，設置自帶的GPRS模塊撥號上網(wǎng)，實(shí)現與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)特定的上位機軟件或相應的傳輸協(xié)議，對所監控的終端設備進(jìn)行當前所在的位置、速度等相關(guān)信息的實(shí)時(shí)監控，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對受控終端進(jìn)行控制，實(shí)現移動(dòng)終端與監控中心的雙向數據傳輸．完成對受控終端運行狀態(tài)、安全狀態(tài)、技術(shù)狀態(tài)的監控。

2 導航系統原理
整個(gè)導航系統的原理框圖如圖2所示。其中核心控制器使用基于A(yíng)RM7內核的AT9lSAMTS64；GPS接收模塊采用瑞士U-Blox公司的TIM-LH，信號接收能力強；GPRS模塊采用Motorola公司的G20無(wú)線(xiàn)模塊，特點(diǎn)是內嵌了TCP／IP協(xié)議，使用簡(jiǎn)單，性能穩定，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)顯示當前位置的彩色地圖，達到照好的可視化效果。片外存儲設備使用的是Samsung公司生產(chǎn)的大容量Flash存儲體，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(xiàn))。

本導航終端主要的功能如下：
①終端用戶(hù)進(jìn)行當前所在地理位置的查詢(xún)；
②當獲得了當前的地理位置信息后，在TFT液晶屏上顯示出對應的地圖區域；
③導航終端可對指定了網(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)行相應的控制；
⑤終端用戶(hù)可以通過(guò)GPRS模塊撥打電話(huà)。
系統的工作原理如下：

導航終端的核心控制部分是基于A(yíng)RM7內核的AT91SAM7S64微控制器，其核心是對GPS接收模塊的定位數據讀??；對GPRS模塊的控制．包括連接Internet、向網(wǎng)絡(luò )監控服務(wù)器發(fā)送數據和讀取服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數據；最后是針對Flash存儲體的控制，通過(guò)對當前獲得的地理位置信息。讀取存儲在Flash存儲體中所存儲的地圖的對應部分，然后在TFT彩色液晶屏上顯示出來(lái)。

其中，控制器對GPRS模塊的控制是通過(guò)串行口UARTO實(shí)現的，通過(guò)發(fā)送對應的AT命令實(shí)現對G20模塊的控制，如連接Internet、向服務(wù)器發(fā)送信息和接收數據、撥打電話(huà)等。關(guān)鍵命令如下：

對GPS模塊的數據接收是通過(guò)串行口UARTl實(shí)現的，通過(guò)設定GPS模塊指定的波特率從模塊的串行口獲得定位數據。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接收機和衛星的通信正常，則可以接收到的定位信息的那組數據格式如下：

$GPRMC,204700,a,3403.868,N,11709.432,W,001.9,336.9,170698,013.6,E*6E
數據說(shuō)明如下：
$GPRMC代表GPS推薦的最短數據；
204700 UTC_TIME代表24小時(shí)制的標準時(shí)間，按照小時(shí)／分鐘/秒的格式；
A A或者V A表示數據“OK”，V表示一個(gè)警告；
3403．868 LAT緯度值，精確到小數點(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)。
如果當前沒(méi)有和衛星取得聯(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推薦的最短數據．所以在接收GPS模塊的數據時(shí)，只需要判斷每行數據開(kāi)頭的關(guān)鍵字是否為“$GPRMC”，如是，則接收下來(lái)。

最后是針對Flash存儲體和TFT彩色液晶屏的控制。這里，CPU使用普通的SPI高速串行總線(xiàn)來(lái)驅動(dòng)Flash存儲體?？梢詮漠數氐目睖y部門(mén)獲得普通精度的數字彩色經(jīng)緯地圖，并將其存儲到Flash存儲體中，而用普通的I／O引腳來(lái)驅動(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存儲體中所存儲的地圖的對應部分。

3 系統軟件設計
在整個(gè)GPS導航系統中，全套軟件系統由用戶(hù)軟件、導航儀底層驅動(dòng)軟件和服務(wù)器端控制軟件組成。這里，以導航儀底層驅動(dòng)軟件來(lái)說(shuō)明整個(gè)系統的軟件足如何設計和運作的。

整個(gè)導航儀底層驅動(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μC/OS-II，其優(yōu)點(diǎn)是功能強大，對系統資源的占用要求小，實(shí)時(shí)響應，而且可以很輕松地實(shí)現多個(gè)任務(wù)的調度。這里，將所有的子程序設置成不同的任務(wù)，如下：
①OSTaskCreate(SystenqInit，(void*)0，(OS_STK*)SystemInit[(OSTaskStkSiz]，4)；
／／整個(gè)系統的初始化，作為第一個(gè)任務(wù)，包括對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)；
／／設置通過(guò)GPRS模塊向指定的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器發(fā)送數據作為一個(gè)任務(wù)
④0STaskCreate(GPRS_Get_Data，(void*)0，(0S_STK*)GPRS_R[OSTaskStkSiz]，7)；
//設置通過(guò)GPRS模塊從指定的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器接收數據作為另外一個(gè)任務(wù)
⑤OSTaskCreate(LCD_Draw，(void*)O，(OSSTK*)＆LCD[OSTaskStkSiz]+8)；
//驅動(dòng)TFT LCD讓其顯示對應當前地理位置區域的地圖部分，作為整個(gè)顯示部分的任務(wù)
⑥OSTaskCreate(Flash_Drive，(void*)O，(OS_STK*)＆LCD[OSTaskStksiz]，9)；
//驅動(dòng)Flash存儲體來(lái)讀取對應地理位置信息的地圖部分，從而為L(cháng)CD顯示部分作好準備

完成整個(gè)系統軟件的模塊他設計后，通過(guò)調用OS-Start()函數讓整個(gè)系統運行起來(lái)。從以上的軟件組成說(shuō)明，可以了解整個(gè)系統軟件的工作流程如下：
①CPU通過(guò)GPS模塊獲得當前的地理位置信息。
②CPU利用剛才所獲得的GPS定位信息，可以從Flash存儲體中獲得對應當前區域的地圖部分，然后通過(guò)驅動(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)的數據。
④接收到服務(wù)器的控制命令后，返回響應并采取相應措施，如停止GPS數據的接收，改變導航終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )向服務(wù)器發(fā)送數據的周期等。

最終搭建成的導航系統如圖3所示。

在實(shí)際的測試中，使用了當地普通精度的數字彩色經(jīng)緯地圖，并將其裝載到了導航系統的Flash存儲體中。通過(guò)在實(shí)際露天的測試對比，本導航系統可以良好地通過(guò)讀取當前的GPS定位信息，在TFT彩色液晶屏上顯示出對應當前區域的地圖部分，并在安裝了特定網(wǎng)絡(luò )監控軟件的服務(wù)器上很好地接收到導航終端發(fā)送過(guò)來(lái)的定位信息以及相關(guān)數據。

結語(yǔ)
在本套導航系統中，其核心設計與以往傳統的GPS-GSM定位系統有著(zhù)很大的區別。首先，利用GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)傳輸數據與以往通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)送短信的方式相比，無(wú)論是運營(yíng)成本，還是可靠性都得到了極大的改善，尤其是其運營(yíng)成本，相比起傳統的GPS-GSM定位系統下降了2個(gè)數量級。其次，本導航系統中良好的可視化效果為用戶(hù)提供了相當優(yōu)秀的導航界面，相比起來(lái)，市面上傳統的GPS定位系統僅僅顯示了當前的GPS定位的數據，當前的周邊地理狀況則無(wú)法良好地提供給用戶(hù)；而本套導航系統，控制核心采用的高性能的基于A(yíng)RM7內核的微控制器，因而無(wú)論是性能還是可升級性方面，都比起使用傳統的8位單片機作為控制核心有著(zhù)相當火的優(yōu)勢。目前，隨著(zhù)人們對GPS導航技術(shù)的要求一步步的提升，以及GPRS網(wǎng)絡(luò )在同內的高速普及，我們相信以這兩者相結合的新一代導航技術(shù)將會(huì )獲得極大的成功。