基于gprs长途客车监控系统设计.pdf

C l a s s i f l e dI n d e x：T P 3 6 8 2D i s s e r t a t i o nf o rt h eM a s t e rD e g r e ei nE n g i n e e r i n gD e s i g no fL o n g-d i s t a n c eB u sM o n i t o r i n gC a n d i d a t e：S u p e r v i s o r：S y s t e mB a s e do nG P R SZ h a n gX u eL iX i nA c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r：M a s t e ro fE n g i n e e r i n gS p e c i a l t y：D a t eo fO r a lE x a m i n a t i o n：U n i v e r s i t y：S i g i n a la n dI n f o r m a t i o nP r o c e s s i n gM a r c h，2 0 1 2H a r b i nU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明一1 嘲嬲本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于G P R S 的长途客车监控系统设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：锨爹日期：如，年4 月，E t哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书基于G P R S 的长途客车监控系统设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口，在年解密后适用授权书。不保密口(请在以上相应方框内打)作者签名：派、驾日期：)o r 年牟月日导师签名：窜侈乃砭日期：功，2 年4 月，日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文基于G P R S 的长途客车监控系统设计摘要伴随着我国客运市场的发展，长途客运车辆普遍存在着超员、超速和车辆故障等问题，由此造成的交通事故屡屡频发，严重威胁了人民群众的生命安全。本文针对长途客运车辆的这种现状，提出了基于G P R S 的长途客车监控系统设计方案。该方案采用嵌入式L i n u x 操作系统和A R M 9 微处理器$3 C 2 4 4 0 作为系统的软硬件开发平台，结合数字图像处理技术、G P S 技术和C A N 总线技术，采集车内的图像、速度、定位和各种车辆状态信息，并利用G P R S 无线通信技术将这些数据实时传输到监控中心，检测车辆是否存在超员和超速违法现象，并实时了解车辆的运行状态。本文首先详细介绍了监控终端应用的G P S 定位技术、G P R S 无线通信技术、嵌入式技术等。然后提出了车载监控终端的软硬件平台方案。硬件方面，选用了高性能的A R M 9 处理器$3 C 2 4 4 0，介绍了G P S 模块、G P R S 模块、摄像头模块和C A N 模块等外围设备的参数、特性以及与主控制器的接口设计。在软件方面，首先搭建嵌入式交叉开发环境，根据硬件资源对L i n u x 系统进行裁剪和移植，并加载各模块驱动程序，制作Y a f f s 根文件系统。然后在该软件平台上完成了G P S 定位信息、图像数据和C A N 节点数据的采集以及G P R S 无线数据传输的功能。本文设计的长途客车监控系统有效协助了监管部门对车辆超员、超速等违法行为的监督，并对车辆运行状况、突发事件等进行实时监控，为客运行业提高了一种全新的车辆管理手段。关键词G P S；G P R S；嵌入式；图像处理哈尔滨理工大学工学硕士学位论文D e s i g no fL o n g-d i s t a n c eB u sM o n i t o r i n gS y s t e mB a s e do nG P R SA b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y Sp a s s e n g e rt r a n s p o r tm a r k e t，o v e r c r o w d i n g，s p e e d i n ga n dv e h i c l eb r e a k d o w n sp r o b l e ma r ew i d e s p r e a da m o n gt h el o n g-d i s t a n c ep a s s e n g e rv e h i c l e s，r e s u l t i n gi nt h ef r e q u e n to c c u r r e n c eo ft r a f f i ca c c i d e n t s，a n db e c o m i n gag r e a tt h r e a to fp e r s o n s l i v e s A c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o n so fl o n g d i s t a n c ep a s s e n g e rv e h i c l e s，t h i Sp a p e rp r o p o s e st h ed e s i g np r o g r a mo fl o n g-d i s t a n c ep a s s e n g e rv e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nG P R S T h ep r o g r a mu s e st h ee m b e d d e dL i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dA R M 9m i c r o p r o c e s s o r$3 C 2 4 4 0a ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h es y s t e m，c o m b i n e dw i t hd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g，G P Sa n dC A Nb u st e c h n o l o g yt oc o l l e c tt h ei m a g ed a t ao ft h eb u s，s p e e d，p o s i t i o n i n ga n da l lk i n d s o fv e h i c l es t a t u si n f o r m a t i o n；t h e s ei n f o r m a t i o na r eu p l o a d e dt ot h em o n i t o r i n gc e n t e rv i aG P R Sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yr e a l t i m e l y，a n dt h e nt h em o n i t o r i n gc e n t e rc a nd e t e c tw h e t h e rt h ev e h i c l ee x i s t so v e r c r o w d i n go rs p e e d i n gl a w l e s s n e s s，a n dm o n i t o rr u n n i n gs t a t u so ft h ev e h i c l er e a l t i m e l y T h i sp a p e ri n t r o d u c e sG P St e c h n o l o g y,G P R Sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y，e m b e d d e dt e c h n o l o g yw h i c ha r ea p p l i e db ym o n i t o r i n gt e r m i n a lf i r s t l y，t h e np r o p o s e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mp r o g r a mo fv e h i c l em o n i t o r i n gt e r m i n a l H a r d w a r e，t h i sp a p e rc h o o s e st h er e s o u r c e r i c hp r o c e s s o r$3 C 2 4 4 0，i n t r o d u c e st h ep a r a m e t e r s，f e a t u r e so fG P Sm o d u l e，G P R Sm o d u l e，c a m e r am o d u l ea n dC A Nm o d u l ea n dt h ei n t e r f a c e sb e t w e e nt h e ma n dt h eh o s tc o n t r o l l e r S o f t w a r e，f i r s t l yb u i l de m b e d d e dc r o s s-d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t，c u ta n dt r a n s p l a n tl i n u xs y s t e ma c c o r d i n gt oh a r d w a r er e s o u r c e s，l o a dd r i v e r so fm o d u l e s，m a k eY a f f sr o o tf i l es y s t e m T h e nt h i sp a p e ra c h i e v e st h ec o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nv i aG P R Sw i r e l e s sn e t w o r ko fG P Sp o s i t i o ni n f o r m a t i o n，i m a g ed a t aa n dC A Nn o d ed a t a 一I I 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文T h em o n i t o r i n gs y s t e mo fl o n g d i s t a n c ep a s s e n g e rv e h i c l ed e s i g n e db yt h i sp a p e rc a na s s i s ts u p e r v i s i o nd e p a r t m e n to fv e h i c l e st os u p e r v i s et h eo v e r c r o w d i n g，s p e e d i n gi l l e g a la c t i v i t i e so ft h ev e h i c l e se f f e c t i v e l y，a n dm o n i t o rt h ev e h i c l eo p e r a t i o nc o n d i t i o n，e m e r g e n c i e sr e a l t i m e l y，i t San e wv e h i c l em a n a g e m e n tt o o lf o rt h ep a s s e n g e rt r a n s p o r t K e y w o r d sG P S，G P R S，e m b e d d e d，i m a g ep r o c e s s i n gI I I哈尔滨理工大学工学硕士学位论文目录摘要IA b s t r a c t 7：I I第1 章绪论31 1 课题研究背景及意义31 2 国内外研究现状41 3 论文的主要研究内容6第2 章总体方案和关键技术82 1 长途客车监控系统总体方案82 2G P S 全球定位系统概述92 2 1G P S 系统的组成92 2 2G P S 定位原理一1 02 3G P R S 技术102 3 1G P R S 技术概述1 02 3 2G P R S 技术优势1 12 4 嵌入式系统1 22 4 1 嵌入式系统的特点一1 22 4 2 嵌入式系统的组成1 22 5 本章小结1 3第3 章系统硬件平台构成1 43 1 系统结构一1 43 2 微处理器的选择1 53 3 通用I O 口设计163 4G P S 模块设计1 63 5G P R S 模块设计l83 6C A N 总线单元电路设计1 93 7 摄像头模块设计2 13 8I I S 音频接口设计2 13 9 本章小结2 2第4 章嵌入式开发环境的搭建一2 3哈尔滨理工大学工学硕士学位论文4 1 嵌入式交叉编译环境的搭建2 34 2B o o t l o a d e r 移植2 44 2 1B o o t l o a d e l 简介2 44 2 2U B o o t 的移植2 54 3 内核移植2 64 4 驱动程序设计2 84 4 1 摄像头驱动程序设计2 84 4 2C A N 总线驱动程序设计2 94 5 文件系统3 04 6 本章小结3 l第5 章车载终端软件设计3 25 1 应用程序总体设计3 25 2 图像采集模块程序设计3 25 2 1V 4 L 编程接口一3 25 2 2 图像采集与压缩3 35 3G P S 解析程序设计3 75 3 1N M E A 一0 1 8 3 协议3 75 3 2G P S 信息采集3 85 4C A N 模块程序设计4 05 5G P R S 数据传输程序设计4 l5 5 1A T 命令4 15 5 2G P R S 拨号接入4 25 5 3G P R S 数据传输4 35 6 本章小结4 5结论4 6参考文献4 7攻读硕士学位期间所发表的学术论文5 0致谢5 1哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第1 章绪论1 1 课题研究背景及意义随着我国汽车数量的增加和公路网的建设，道路交通事故屡屡频发，已经严重危及了人民群众的生命财产安全，尤其是近年来发生的长途客运车辆的道路交通事故呈上升趋势，造成了严重的群死群伤，长途客运车辆的道路交通安全问题也越来越受到社会的关注 1 2 1。造成长途客车交通事故的原因众多，其中客运车辆超员违法问题是引发重特大道路交通事故的主要安全隐患，是历年来交通秩序整治的重点，也是道路交通安全管理工作的重中之重。尤其是春运期间客车超员违法行为突出，是交通事故高峰期【3：4】。2 0 1 2 年1 月1 1 日上午8 时5 0 分，南阳市南召县太山庙乡至云阳镇之间的东风桥上，一辆中巴客车一头栽到1 0 米高的桥下，事故导致4 人死亡，1 8 人受伤。据南召县公安局有关负责人讲，事故车辆核定1 6 座，实载2 2 人。2 0 1 2 年春运期间，湖南高速交警醴潭大队对外宣布，该大队共出动警力2 2 4 4 人次，出动警车6 5 1 台次，查处各类违法行为8 8 6 4 起，其中超速行驶6 9 1 6 起，客车超员1 6 4 起，其中超员未达2 0 1 5 4 起，超员2 0 以上l O 起，卸客转运5 6 4 人次，违停上下客1 3 起。客运车超员是一种极其危险，人人皆知，屡禁不止的违法行为，客运车因其载人数量多，本身就是重特大恶性道路交通事故的主要案发源，如再超员运营，不但增加肇事频率，一旦发生事故后果将更加惨重【5 l。客运车辆违法超员的原因主要有：1 利益驱使。车主为了使自己的车多赚钱而不顾安全多揽客、多收入，司乘人员多拉客为车主多赚钱，自己也可增加收入；2 管理不严。作为道路交通安全管理部门，因警力不足、人手少、装备落后，很难监控到位，有失查漏管现象；3 摆位不正。一些车主或有车单位，对客运安全与效益摆位不正，盲目追求眼前利益，而忽视了一旦超员违法肇事，不仅可能导致车毁人亡、而且还会造成家破人亡的惨剧；4 乘客心切。乘客出行都有一种急不可耐的心态，因此形成了急不择车、超员也上的现象，这也是形成客车超员的一个重要原因。客车运输能力无法满足人们日益增长的出行需要，难以突破运力不足这一瓶颈。于是急于出行的人们就无奈的选择了乘坐超员车。可以说客运运输能力的滞后，严重阻碍了人们的频繁出行，客观上也使客运车超员成为了一种无奈之举【6 1。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文对于超员现象，交警部门管理难度较大，漏洞较多【7 8】。一是超员客车多为个体运输车辆，且多为短途，主要在县乡道上行驶，而逐年增加的个体客运与警力不足形成了巨大的反差，交警部门只能将有限的警力投入到各主要干道或路口，对县乡道路疏于管理、力不从心，从而使广大车主见利忘义、无所顾忌。广大车主利用交警部门的管理漏洞采取巧打时差、分批转移、临时改装、绕道逃避和相互呼应等办法逃避交警的查纠。大多数客车在出站时并不超员，通常情况下还有空位。但沿途顺便拉上不少乘客，他们大多为本县(区)内走亲访友或办事的，坐一段就下车了，再者由于路途较近，他们一般也不在乎什么超员不超员，有没有座位，结果无形之中做了客车超员违法行为的帮凶。就这样，三三两两的乘客上车又下车，超员违法行为在路途上发生又消失，消失又发生的交替出现，等到了终点站又剩下不到几个人了，理所当然的不是什么“超员车”了，交警也拿他们没办法。尤其是春运时期，汽车客运也逐渐进入高峰，公路客运车辆违法超员现象也越来越多。每年春运前后，随着大量外出打工的农民工和在外求学的学生回乡过年，客运车辆“多拉快跑”和驾驶员“加班加点”现象逐渐突出。在各类交通违法中，客车超员违法危害性可谓最大，因为一旦“出事”，往往是群死群伤重特大交通事故。针对上面所述的客运车辆超员现象严重以及交管部门管理难度大的现状，本文提出的具有远程监控功能的车载终端系统具有了重大的现实意义。本文设计的车载监控系统可以有效的协助交管部门对超员的客运车辆进行监督，也可以对车辆运行状况、突发事件等进行实时监控，为交通监管、车辆调度、事故处理提供了必要的依据和证据。本系统也可以应用到有监控需求的其他车辆上。因此，本课题具有很重要的研究意义和应用价值。1 2 国内外研究现状本文研究和设计的长途客车监控系统是智能交通系统I T S(I n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m)的一个重要组成部分。智能交通系统I T S 以先进的电子信息技术为基础，综合应用了通信技术、交通工程和自动控制技术等领域的技术成果，它对各种信息进行采集、处理和应用，是一种着眼于提供各种信息服务和提高运输效率的交通综合管理系统【9】。智能交通系统的应用明显提高了道路的交通运输效率和交通安全指数。研究表明，交通拥挤程度降低了2 0 8 0，路网通过能力提高了2 3 倍，交通事故死亡人数也降低了3 0 左右。同时智能交通系统在减少能源消耗和改善环境方面的作用也是不可估量的。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文早在三四十年前，国外就开始致力于智能交通的研究，并取得了很多成果。该技术起源于美国，随后各国政府和专家都根据本国国情在美国研究内容的基础上进行着本土化探索。美国、日本和欧洲是世界上经济发展水平最高的国家和地区，它们投入了大量的人力、物力和财力，成为了世界上I T S 开发应用最好的国家。美国政府于1 9 9 1 年开始投资对I T S 的开发研究，美国的应用率达到8 0 以上，目前处于该领域的领先水平。日本也是对智能交通系统研究最早的国家之一，成立了全国性的I T S 推进组织，日本政府主导的先进安全汽车A S V 项目已于2 0 0 0 年取得初步实用化成果。欧洲采取整个欧洲一体化的方针，1 9 个国家投资5 0 亿美元到E U R E K A 项目。随着信息技术的不断发展，I T S 作为一种智能化和科学化的交通管理系统已经在世界各国内得到大力的发展，成为了重要的发展趋势 1 0 q 2 1。我国对I T S 的研究起步较晚，9 0 年代才开始建立交通指挥中心。近年来随着高速公路建设的飞速发展，我国也加快了对I T S 研究的步伐。1 9 9 9 年1 1月，我国正式成立了国家智能交通工程技术研究中心。“十五 期间，国家科学技术部设立了“智能交通系统关键技术示范工程”项目，选择了北京，上海等l O 个城市作为该项目的试点城市，其中一些项目已经取得了初步成果。我国一直致力于智能交通系统的关键技术研究和产品开发，2 0 11 年一季度，我国的I T S 项目数量统计达到8 2 5 个，市场规模高达7 6 亿元。预计未来5 年我国智能交通系统行业的投入将接近3 8 0 0 亿元，2 0 1 0 年2 0 1 5 年复合增长率约为1 7 3。随着我国国民经济的增长和汽车工业的发展，车辆营运人员和乘客在运营过程中的安全问题也越来越受到人们的重视。车载监控系统就在这种需求下应运而生的。随着G P S 技术的应用，我国从九十年代以后才开始逐步应用G P S车辆监控调度系统，但是产品类型较单一，成功的产品较少【1 3 J 舢。2 0 0 0 年至今，国家大力加强公路建设，扶持汽车工业，车载监控系统的市场需求量飞跃增加。在原有导航系统的基础上，出现了基于G S M 的车载监控系统。伴随着网络通信技术的发展，G S M 网络具有的只能使用短信形式传送数据，无法做到实时在线、按量计费等缺点也越加明显。G P R S 网络则弥补了这些缺点，因此将它应用在车载监控系统上是比较好的选择【1 5 1。由于我国的车载监控设备的研究较晚，市场价格较高，使得车载监控设备的使用率较低，应用范围也较小。我国有数十万辆的长途客车，但大多没安装任何监控设备，客车超员、超速、盗窃、抢劫等严重危害人民群众生命和财产安全的事件屡见不鲜，警车、救护车、运钞车等专用车辆的合理调度和安全监哈尔滨理工大学工学硕士学位论文控问题也越来越受到重视。因此车载监控系统对于人民群众的安全保护是十分有必要的。目前卫星导航技术已广泛应用于我国各项服务行业，同时随着汽车数量的快速增加和定位技术的逐渐成熟，汽车导航市场的规模也日益扩大。同时G P R S 和C D M A 无线通信技术弥补了原有G S M 网络资源利用率低的缺点，在实时性和通信费用方面的优势也越来越明显。导航定位技术和无线通信技术的成熟为车辆监控系统的发展奠定了良好的基础。当前国内的车载监控系统融合了导航定位技术和G P R S 无线网络技术，以实现车辆定位，监控报警，远程监听等功能 1 6 1 8】。车载终端通过卫星接收天线收到卫星信号，利用G P S 定位技术实现车辆的自动定位，G P R S 无线网络技术是车载终端与监控中心问通信的桥梁，监控终端可以利用G P R S 网络将车辆的位置等信息发送到监控中心，监控中心接到信息后，提取出位置等信息，实时的将车辆的经度、纬度、速度、状态等信息显示在电子地图上。同时监控中心可以通过通信网络，向车载终端发送控制指令，实现对车辆的远程监控和实时调度。随着人们对车辆安全的日益关注，简单的传输车辆位置信息已经远远不能满足市场的需求。当车内发生抢劫，突发事件或者超员等情况时，实时地采集车内的图像并通过网络传输到监控中心成为一种有效的监控手段u9 1。传统的车载监控设备采用单片机来控制，但随着功能的增加和提高，使用单片机已不能满足产品的需求，因此应用嵌入式系统成为必然的发展趋势。完善的嵌入式车载监控系统是采用嵌入式操作系统和3 2 位微处理器作为系统的软硬件开发平台，这样就大大提升了系统的扩展性和兼容性；利用现场总线技术监测设备状态和故障信息，实现对车载设备的控制和维护等功能，使系统的智能化程度大大增强；利用无线通信技术提升系统的网络化程度，增加了系统的应用价值和服务能力；注重人性化设计，为操作者提供更加友好的人机交互界面以及简单易学的操作方式1 2 0 2 1 1。1 3 论文的主要研究内容目前，车载监控系统主要由车载监控终端、无线通信链路和远程监控中心三部分组成。本文完成的工作是长途客车监控终端部分的设计与实现。本文以G P S 定位技术、G P R S 无线通信技术和嵌入式系统技术为理论基础，提出了基于G P R S 的长途客车监控终端的方案设计，阐述了具体的实现过程。本文的主要研究内容包括以下几个部分。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文1 分析国内外车载监控系统的发展现状，根据本系统的功能需求，综合分析比较市场上的主流方案，选择一种合适的解决方案，即选择A R M 9 微处理器$3 C 2 4 4 0 和L i n u x 操作系统作为系统的开发平台，并应用了G P S、G P R S和C A N 总线等关键技术。2 车载监控终端硬件方案的设计，即主控功能模块选择了A R M 9 微处理器S 3 C 2 4 4 0，完成了各外围模块的选型以及相关接口设计。3 车载监控终端软件方案的设计，内容涉及L i n u x2 6 3 2 内核在$3 C 2 4 4 0平台上的移植和上层应用程序的设计。前者包括交叉编译环境的建立、U-b o o t的移植、内核的配置和编译、驱动程序的编写和根文件系统的制作。后者主要通过编程实现了G P S 位置速度信息、监控图像信息和C A N 总线数据的采集和网络传输功能。这部分是本文的重点研究内容。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第2 章总体方案和关键技术2 1 长途客车监控系统总体方案本系统的工作原理是车载终端利用G P S 定位技术实现车辆定位、测速等；结合C A N 总线技术对车辆的各种状态参数进行采集；同时在车内安装摄像头模块，将它对准过道，当车门打开或特殊情况人工触发时会启动摄像头进行实时拍照。车载监控终端与监控中心间的数据传输利用的是G P R S 无线通信技术。监控中心可以根据收到的G P S 定位信息确定车辆的位置，同时对车速进行实时监控，当超出规定安全速度时发出警告，接收到的图像信息可以作为客车超员和抢劫报警等人工触发拍照的事件的现场判断，此外，监控中心可以实时地接收C A N 总线数据，监测车辆的运行状况。监控中心接收到信息后，提取出经纬度等信息，将它们实时的显示在电子地图上，也可以实时地了解车身状况。除此之外，监控中心也可以通过通信网络向车载终端发送服务信息和控制命令。本监控系统可以有效地检测客车是否存在超员、超速现象，并对车辆运行状况、突发事件等进行实时监控，为客运行业提出了一种全新的车辆管理手段。目前，车载监控终端的设计方案主要包括以下三种：1 单片机+C D M A G P R S 模块该方案的处理器为8 1 6 位的低端单片机，完成基本的的数据采集，将未经过太多处理的数据通过G S M 短消息平台发送至监控中心。该方案具有系统的体积和功耗较小，成本较低的优点。缺点是功能单一、系统的灵活性和扩充性都很差。2 嵌入式微处理器+C D M A G P R S 模块该方案采用了高性能的嵌入式微处理器，它集成了丰富的通信接口，使得系统的可扩展性大大增强；同时在软件上支持了嵌入式操作系统，减小了系统的开发周期，移植方便，可以满足图像采集和远程传输的功能需求，同时也易于向高端系统应用升级。3 嵌入式处理器+D S P 数字信号处理器该方案可以实现车内的图像和语音的长时间录像、录音、远程监视和控制的功能。该方案融合了嵌入式系统、视频压缩编码和图像识别等多种技术，增加了硬件成本和软件开发难度。虽然第一种方案的成本较低，但是随着应用需求的提高，它已经明显不能哈尔滨理工大学工学硕士学位论文满足用户的需要，而笫三种方案能够很好的满足系统的功能需求，但其成本过高，选择它作为以传输图像为目的的解决方案在成本上又造成了浪费。综合比较，选择第二种设计方案，既可完全满足行业用户的复杂需求，同时又具有较高的性价比。2 2G P S 全球定位系统概述2 2 1G P S 系统的组成G P S 全球定位系统是美国自主研发的一种中距离圆形轨道卫星导航系统，它可以为地球表面绝大多数地区提供准确的位置、速度和时间信息，它具有定位精度高、观测时间短、效率高等优点，广泛应用在具有导航、测量和授时功能要求的领域中。全球定位系统包括三个组成部分：空间星座部分、地面监控部分和用户接收设备部分【2 魏。全球定位系统的空间部分是由均匀分布在互成3 0 度的6 条轨道上的2 4 颗卫星组成的，每个卫星轨道面与赤道面的夹角都为5 5 度，各轨道平面的升交点有6 0 度的赤经差，每个轨道平面上卫星的升交角距都超前相邻西边轨道平面上对应卫星3 0 度。这样布局的目的是保证在地球上任何地点、任何时刻都至少可以接收到4 颗卫星发送的数据。地面监控部分由1 个主控站、4 个注入站和6 个监测站组成。主控站负责控制和管理整个地面监控系统，并为其他部分提供技术支持；注入站负责将主控站解算出的卫星星历、导航电文等信息发送到各个卫星；监测站负责采集G P S 卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。用户接收设备就是G P S 接收机，即可以接收全球定位系统卫星信号以确定地面空间位置的仪器。G P S 接收机利用三边测量法的数学原理可以计算出多颗卫星的空间位置以及它与每颗卫星之间的距离，从而推算出自己的位置。G P S 接收机主要是由天线单元、主机单元和电源三部分组成的。G P S 接收机的分类方法有很多种，按照接收机的载波频率分类可以分为单频接收机和双频接收机，如果按照工作原理分类，可以分为码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机和干涉型接收机。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文2 2 2G P S 定位原理G P S 定位的基本原理是利用时间测距(T O A)，也就是由卫星到达用户接收机的时间乘以信号传播的速度得到卫星与接收机之间的距离，再根据多颗卫星与接收机的距离计算得出可以确定接收机具体位置的各个参数。由于信号在传输过程中会受到各种干扰，导致计算出的距离有一定的误差，因此称为伪距。卫星所在的位置和信号传输的时间是通过卫星向地面不断地发送导航电文，接收机根据接收到的导航电文计算得出的。G P S 卫星的导航电文包含了用户用来定位和导航的基本数据信息，例如系统时间、时间校正值、卫星星历、电离层模型参数和世界协调时f O T C)数据等系统状态信息。它是每秒5 0 位的连续数据流，采用的是直接序列扩频调制方式转换成高频信号，每一帧有1 5 0 0 位，因此传输时间是3 0 秒。每一帧又由五个子帧组成，每个子帧有3 0 0 位，传输时间为6 秒。每2 5 帧构成一个主帧，传输一个完整的历书需要一个主帧，也就是1 2 5 分钟。要想测得接收机的位置，至少需要接收到4 颗卫星发送的导航电文。原因是用户的三维坐标X、Y、Z 需要3 颗卫星才能确定，而接收机的时钟与卫星时钟的同步实际上很难实现，因此还需要引入一个新的未知数t 代表接收机与卫星之间的时间差。根据它们之间的关系可以建立方程得出接收机的位置坐标。G P S 接收机接收到卫星信号后，需要对其进行解码或其他相应的处理，最后恢复信号中的载波信息。根据定位模式的不同，G P S 定位的方法分为绝对定位和相对定位两种。前者只利用一台接收机进行定位，这种方式比较粗略，适合对定位精度要求较低的场合；后者主要用于观测点之间的相对定位，这是由多台接收机的接收数据决定的，这种定位方式被广泛应用在工程测量中。2 3G P R S 技术2 3 1G P R S 技术概述G P R S 通常被称为“2 5 G”，也就是说它位于第二代(2 G)和第三代(3 G)移动通信技术之间，目前在市场上已经得到了广泛的应用【2 3 1。G P R S 技术是在G S M网络的基础上产生的一种数据传输技术，它的出现使得原有的G S M 网络资源哈尔滨理工大学工学硕士学位论文得到了充分的开发利用，可以满足中高速的数据传输需求。G P R S 也因此成为目前解决移动通信信息服务的一种较完美和广泛接受的业务，主要包括I m e m e t 接入、W A P、专网接入、G P R S 短消息等业务。G P R S 优越于G S M 的根本原因在于G S M 网络基于电路交换，也就是说一条数据链路对应于一个电路连接，在这条数据链路保持的期间，即使没有传输任何数据，其他的数据链路也不可以占用该电路；而G P R S 采用的是分组交换方式，它实现了同一个传输信道可以被多个用户同时占用，它按照用户的需求来分配带宽。G P R S 是封包交换数据的标准技术，它以封包的形式发送数据，也就是将数据打包，然后一个个地传送出去。这种技术的优点是只有当用户有传输数据的需求时才占用频宽，用户承担的费用是由实际传输的资料的大小决定的，而不是以联机时间计费，这种计费方式是比较合理的，费用也相对较低。G P R S 网是在G S M 电话网的基础上增加S G S N(艮务G P R S 支持节点)、G G S N(网关G P R S 支持节点)、P T M S C(点对多点服务中心)而形成的。G P R S 理论上传输速度约1 1 5 k b s，最高可达1 7 1 2 k b s，下一代G P R S 业务的速度可达3 8 4 k b s。传输速率的增加也导致了纠错可靠性的降低。G P R S 采用四种信道编码方式来提高纠错能力以抵抗无线环境的干扰，分别是C S 1、C S 2、C S 3 和C S-4。其中C S l 的纠错能力最强，可以覆盖9 8 的区域，但每时隙的速率仅能达到9 0 5 k b i t s；C s 4 完全不具备前向纠错能力，但带宽最大，可达到每时隙2 2 8 k b p s 的速度，它适用于在用户在基站附近的时候，只能覆盖2 5 的区域。2 3 2G P R S 技术优势G P R S 作为G S M 分组数据的一种业务，已经具有了大量的个人用户和集团用户，目前已经广泛的应用在人们的日常生活中，如网上冲浪、文件传输、运输业、公共安全业、遥测、遥控、遥感等。G P R S 作为一种数据传输技术具有下面的特点和优势：1 资源利用率和传输速率高如上所述，由于G P R S 采用了分组数据交换方式，弥补了由于用户并不是时刻都在使用信道而造成资源浪费的现象，真正实现了多个用户可以共享信道，因此有效地提高了网络资源的利用率，也就提高了数据数据速率。2 通信费用低它采用按流量计费的方式，即通信费用是由用户占用网络资源的多少决定的，用户在没有使用资源时即使在线也是不需要交费的。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文3 接入时间短G P R S 接入等待时间较短，平均可达两秒。2 4 嵌入式系统2 4 1 嵌入式系统的特点嵌入式系统(E m b e d d e ds y s t e m)，是一种“完全嵌入受控器件内部，