摘要 通過研究GPS導航以及基于GPRS無線網絡數據傳輸的組合導航技術, 給出基于GPRS網絡的GPS圖形導航儀單元的設計方案。由GPS接收機、ARM微控制器、GPRS無線模塊、大容量Flash存儲芯片，以及大屏幕的TFT彩色液晶屏組成。本圖形導航設備能幫助使用者獲得極佳的地理信息導航幫助，以及對重要信息的監控。
關鍵詞 通用分組無線業務(GPRS) 全球定位系統(GPS) 圖形 導航儀
引言
隨著近年來科技的發展以及人們對通信及導航技術的要求進一步提高，以全球定位系統(GPS) 定位技術為主的定位導航及監控技術得到了高速的發展。GPS導航定位技術在眾多的行業中都得到了廣泛的應用，如交通、航海、安全等眾多的領域。然而，大多數已經投入使用的GPS導航監控設備里，很少有通過無線網絡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發送短消息的方式進行重要數據的傳輸和接收，但是由于短消息本身具有延時不確定，速度慢以及容易丟失等缺點，使得整個系統的穩定性下降。
本系統通過基于全新的GPRS無線網絡來發送重要數據，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
在本導航設備中，涉及的核心技術是通用分組無線業務GPRS和全球定位系統GPS，下面簡單介紹這兩個系統的核心模塊。
GPS（Global Positioning System，全球定位系統），是美國的國防導航衛星系統，是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導航定位和時間傳遞系統。24顆衛星位于6個傾角為55°的軌道平面內，高度為20 182 km，周期近12小時。衛星用兩個 L波段頻率發射單向測距信號，區別不同衛星采用碼分多址。它是一個軍民兩用系統，提供兩個等級的服務。GPS系統是為全球范圍內的飛機、艦船、坦克、地面車輛、步兵、導彈以及航天飛機等提供全天候、連續、實時、高精度的三維位置、三維速度和精確時間，因此，具有極高的軍用價值和民用前景。
GPRS(General Packet Radio Service，通用無線分組業務)，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項高速數據處理的技術，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶手上。雖然GPRS是現有GSM網絡向第三代移動通信演變的過渡技術，但是它在許多方面都具有顯著的優勢。GPRS是歐洲電信協會GSM系統中有關分組數據的標準。它采用信道捆綁(目前GPRS 的設計可以在一個載頻或8 個信道中實現捆綁) 和增強數據速率的方法實現高速接入,理論上可提供高達115 kbps的空中接口傳輸速率,使若干移動用戶能夠同時共享一個無線信道,一個移動用戶也可以使用多個無線信道。實際發送或接收數據包的用戶僅占很少一部分網絡資源,并且網絡容量只有在實際傳輸時才被占用。GPRS與現有的GSM語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。這一特點正適合大多數移動互聯和設備對傳輸數據的要求。
GPS-GPRS定位系統車載終端的組成如圖1所示。
圖1
導航儀的大致工作流程為:首先，終端導航設備通過自帶的GPS接收模塊獲得自身的具體地理位置信息以及附屬信息（如行駛速度和時間等）。然后，通過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，并且同時顯示自身的狀態（如速度、時間、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，實現與Internet的連接。接下來，就可將剛才通過GPS接收模塊所獲得的具體信息傳輸給指定的網絡服務器。
網絡服務器通過特定的上位機軟件或相應的傳輸協議，對所監控的終端設備進行當前所在的位置、速度等相關信息的實時監控,并可通過網絡對受控終端進行控制,實現移動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、安全狀態、技術狀態的監控。
2 導航系統原理
整個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ARM7內核的AT91SAM7S64；GPS接收模塊采用瑞士UBlox公司的TIMLH,信號接收能力強;GPRS模塊采用Motorola公司的G20無線模塊，特點是內嵌了TCP/IP協議，使用簡單，性能穩定，顯示部分采用的是Sharp公司生產的8寸TFT彩色液晶屏，通過顯示當前位置的彩色地圖，達到良好的可視化效果。片外存儲設備使用的是Samsung公司生產的大容量Flash存儲體，優點是價格便宜，與控制器的接口簡單(高速SPI總線)。
圖2
本導航終端主要的功能如下：
① 終端用戶進行當前所在地理位置的查詢；
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絡服務器發送自身的相關信息，如地理位置、自身狀態等；
④ 導航終端通過接收網絡服務器發送的控制命令進行相應的控制；
⑤ 終端用戶可以通過GPRS模塊撥打電話。
系統的工作原理如下：
導航終端的核心控制部分是基于ARM7內核的AT91SAM7S64微控制器，其核心是對GPS接收模塊的定位數據讀取；對GPRS模塊的控制，包括連接Internet、向網絡監控服務器發送數據和讀取服務器發送過來的數據；最后是針對Flash存儲體的控制，通過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。
其中，控制器對GPRS模塊的控制是通過串行口UART0實現的，通過發送對應的AT命令實現對G20模塊的控制，如連接Internet、向服務器發送信息和接收數據、撥打電話等。關鍵命令如下：
at+mipcall=1,cmnet //建立一個無線GPRS鏈接
+MIPCALL: 10.103.201.135
//返回本地IP地址(注:當GPRS模塊撥號上網后，會獲得一個服務器提供的唯一IP，這里以10.103.201.135為例)
at+mipopen=1,2000,"10.103.67.30",3000,1
//打開一個SOCKET，本地端口為2000,目標IP地址為
//“10.103.67.30”
OK
+MIPOPEN: 1,1 //返回目標端口為3000，協議類型為UDP
at+mipsend=1,"41424344" //向服務器發送“ABCD”4個字母,這里以發送“ABCD”字//符為例，來代替所要發送的數據
+MIPSEND: 1,1367
OK//發送成功
at+mippush=1//準備接收數據
+MIPPUSH: 0
OK//接收數據成功
+MIPRUDP: 211.139.189.180,47280,1,5,5152535455 //接收到服務器發送來的數據“QRSTU”字符
對GPS模塊的數據接收是通過串行口UART1實現的，通過設定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NMEA0183，而最需要的關鍵信息是其中的一組定位信息。如果此時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
數據說明如下：
＄GPRMC代表GPS推薦的最短數據;
204700 UTC_TIME代表24小時制的標準時間，按照小時/分鐘/秒的格式;
A A或者 V A表示數據“OK”，V表示一個警告;3403.868 LAT緯度值，精確到小數點前4位，后 3位N LAT_DIR N表示北緯，S表示南緯;
11709.432 LON經度值，精確到小數點前5位，后3位W LON_DIR W表示西經，E表示東經。
如果當前沒有和衛星取得聯系，那么字符串的格式為：
＄GPRMC,UTC_TIME,V,...
下面是一個例子：
＄GPRMC,204149,V,,,,,,,170698,,*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，只需要判斷每行數據開頭的關鍵字是否為“＄GPRMC”，如是，則接收下來。
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高速串行總線來驅動Flash存儲體。可以從當地的勘測部門獲得普通精度的數字彩色經緯地圖，并將其存儲到Flash存儲體中，而用普通的I/O引腳來驅動TFT彩色液晶屏，將從GPS模塊里獲得的定位信息進行分析，然后通過處理，再在LCD上面顯示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GPS導航系統中，全套軟件系統由用戶軟件、導航儀底層驅動軟件和服務器端控制軟件組成。這里，以導航儀底層驅動軟件來說明整個系統的軟件是如何設計和運作的。
整個導航儀底層驅動軟件劃分成若干個模塊，由主模塊和多個子模塊組成。這里，使用了實時嵌入式系統μC/OS-II,其優點是功能強大，對系統資源的占用要求小，實時響應，而且可以很輕松地實現多個任務的調度。這里，將所有的子程序設置成不同的任務，如下：
① OSTaskCreate(SystemInit, (void *)0, (OS_STK *)&SystemInit[OSTaskStkSiz], 4);
//整個系統的初始化，作為第一個任務，包括對CPU、GPRS、GPS以及LCD的初始化工作
② OSTaskCreate(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任務
③ OSTaskCreate(GPRS_Send_Data, (void *)0, (OS_STK *)&GPRS_S[OSTaskStkSiz], 6);
//設置通過GPRS模塊向指定的網絡服務器發送數據作為一個任務
④ OSTaskCreate(GPRS_Get_Data, (void *)0, (OS_STK *)&GPRS_R[OSTaskStkSiz], 7);
//設置通過GPRS模塊從指定的網絡服務器接收數據作為另外一個任務
⑤ OSTaskCreate(LCD_Draw, (void *)0, (OS_STK *)&LCD[OSTaskStkSiz], 8);
//驅動TFT LCD讓其顯示對應當前地理位置區域的地圖部分，作為整個顯示部分的任務
⑥ OSTaskCreate(Flash_Drive, (void *)0, (OS_STK *)&LCD[OSTaskStkSiz], 9);
//驅動Flash存儲體來讀取對應地理位置信息的地圖部分，從而為LCD顯示部分作好準備
完成整個系統軟件的模塊化設計后，通過調用OSStart()函數讓整個系統運行起來。從以上的軟件組成說明，可以了解整個系統軟件的工作流程如下：
① CPU通過GPS模塊獲得當前的地理位置信息。
② CPU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，然后通過驅動TFT彩色液晶屏將其顯示出來。
③ 如需要，CPU通過GPRS模塊撥號連接上Internet后，將其所獲得的定位信息發送到指定的網絡服務器上，或接收從服務器上發過來的數據。
④ 接收到服務器的控制命令后，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GPRS網絡向服務器發送數據的周期等。
最終搭建成的導航系統如圖3所示。
圖3
在實際的測試中，使用了當地普通精度的數字彩色經緯地圖，并將其裝載到了導航系統的Flash存儲體中。通過在實際露天的測試對比，本導航系統可以良好地通過讀取當前的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，并在安裝了特定網絡監控軟件的服務器上很好地接收到導航終端發送過來的定位信息以及相關數據。
結語
在本套導航系統中，其核心設計與以往傳統的GPSGSM定位系統有著很大的區別。首先，利用GPRS無線網絡來傳輸數據與以往通過GSM網絡發送短信的方式相比，無論是運營成本，還是可靠性都得到了極大的改善，尤其是其運營成本，相比起傳統的GPS-GSM定位系統下降了2個數量級。其次，本導航系統中良好的可視化效果為用戶提供了相當優秀的導航界面，相比起來，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法良好地提供給用戶；而本套導航系統，控制核心采用的高性能的基于ARM7內核的微控制器，因而無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相當大的優勢。目前，隨著人們對GPS導航技術的要求一步步的提升，以及GPRS網絡在國內的高速普及，我們相信以這兩者相結合的新一代導航技術將會獲得極大的成功。
參考文獻
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