NMOE_項目結(jié)題論文_GPS+ARM+GSM的智能電子導(dǎo)游設(shè)計與實現(xiàn)

國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目結(jié)題論文 中央民族大學(xué) 項目組成員： 邵燕 鄭旅軍 孫福成 指導(dǎo)教師：程衛(wèi)軍 職稱：副教授 項目編號： NMOE200811016 2009 年 12 月 15 日 基于 GPS+ARM+GSM 智能電子導(dǎo)游 設(shè)計與實現(xiàn) - 2 - 目錄 ： 一、 選題背景 - - 3 - 二、 系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題及解決方案 - - 4 - 1、 GIS 電子地圖制作： - - 4 - 2、數(shù)據(jù)的接收及精度的提高 - - 8 - 1）測量的誤差來源 - - 8 - 2） GPS NMEA0183 接受協(xié)議 - - 9 - 3）定位信息的提取及處理 - - 10 - 4）改善定位精度 - - 10 - 3、 GSM 數(shù)據(jù)處理 - - 12 - 4、 GPS 與 GSM 及地圖顯示部分相互整合 - - 14 - 1系統(tǒng)硬件的選擇 - - 15 - 2系統(tǒng)軟件的選擇 - - 15 - 3系統(tǒng)整個程序流程的設(shè)計 - - 18 - 五、 研究成果 - - 22 - 參考文獻(xiàn)： - - 23 - 致謝 - - 24 - - 3 - 基于 GPS+ARM+GSM 智能電子導(dǎo)游設(shè)計與實現(xiàn) 中央民族大學(xué) 邵燕 鄭旅軍 孫福成 指導(dǎo)教師：程 衛(wèi)軍 職稱：副教授 摘要： 本項目 在 GPS、 GSM的技術(shù)基礎(chǔ)上， 制作 了 數(shù)據(jù)格式的 中央民族大學(xué)電子地圖 來 開發(fā)智能導(dǎo)游系統(tǒng) 。 選取 ARM9-2410 開發(fā)板 和 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。通過 改進(jìn)卡爾曼算法實現(xiàn)更高精度的 GPS 定位 ； 通過 GSM 模塊短信通信 實現(xiàn) 導(dǎo)游儀間 的相互定位 ，將全球定位技術(shù)與第二代移動通信技術(shù)相結(jié)合很好地實現(xiàn)了 系統(tǒng) 功能 ； 使用 QT 進(jìn)行 程序界面設(shè)計 來實現(xiàn)人機(jī)交互，界面著重從藝術(shù)設(shè)計的 角度 出發(fā)，注重人性化、智能化，界面美觀大方，易于操作。 關(guān)鍵字： GPS； ARM； GSM；電子導(dǎo)游 一、 選題背景 目 前，先進(jìn)的發(fā)達(dá)國家 旅游業(yè)界內(nèi)已經(jīng)廣泛采用非人工講解的導(dǎo)游儀。在我國，電子導(dǎo)游還屬于 新生事物，主要體現(xiàn)在 運用范圍不夠廣， 開發(fā)技術(shù)不夠成熟。 最早的電子導(dǎo)游使用是在廣西桂林漓江開始出現(xiàn)，幾年來國內(nèi)的各著名旅游景點也逐步開始引入電子導(dǎo)游，但 是國內(nèi)的應(yīng)用主要還集中在觸摸式視頻講解系統(tǒng)和僅基于 GPS 定位的自動講解系統(tǒng)。 1 在智能化和人性化 服務(wù) 方面 相對薄弱。電子導(dǎo)游在我國具有良好的發(fā)展勢頭，與 人工導(dǎo)游相比 ，它在保護(hù)環(huán)境、 避免游客之間的干擾 、服務(wù)的質(zhì)量 穩(wěn)定性 、滿足游客的個性化需求 等方面更有 優(yōu)勢 。 智能型電子導(dǎo)游在我國具 有良好的發(fā)展勢頭，首先 與人工導(dǎo)游相比 ，它在保護(hù)環(huán)境、 避免游客之間的干擾 、導(dǎo)游服務(wù)的質(zhì)量 穩(wěn)定性 、 滿足游客的個性化需求 等方面更有 優(yōu)勢 ，智能型電子導(dǎo)游更能體現(xiàn)人性化的特點 。 其次，智能型電子導(dǎo)游在我國的市場需求將逐步變大。我國旅游資源豐富，歷史悠久，文化傳統(tǒng)別具一格。 無論是自然風(fēng)光、文化 古跡、民族風(fēng)情和革命紀(jì)念地，都有豐富多彩、引人入勝的內(nèi)容； 隨著國內(nèi)人民生活水平的提高，人們對精神生活質(zhì)量的追求逐年提升，外加世界范圍內(nèi)旅 游者對中國的興趣逐年上升，中國將成為世界旅游業(yè)最發(fā)達(dá)的國家之一；智能 電子導(dǎo)游在保證旅游質(zhì)量的同時 接納來自世界各地的旅游者將發(fā)揮它的無可比擬的優(yōu)越性。 但是在調(diào)研過程中我們發(fā)現(xiàn)，雖然電子導(dǎo)游能夠滿足游客自主游覽的需求，但游客在游覽過程中很容易出現(xiàn)和隊友走散的狀況，即使有手機(jī)等通訊工具，在陌生的特別是面積比較大的自然景區(qū)，游客仍然 不能快而方便的找到彼此， 因此 項目組進(jìn)行了 智能電子導(dǎo)游的設(shè)計與實現(xiàn) ， 使得上述情況發(fā)生時雙方能夠通過電子導(dǎo)游互相定位，直觀而方便的尋找到隊友。同時改進(jìn)電子導(dǎo)游的服務(wù)內(nèi)容，使其更加智能 - 4 - 化。在操作界面風(fēng)格上注重 人性化 設(shè)計，使其更好的為旅游者服務(wù)。 二、 系統(tǒng)設(shè)計的 關(guān)鍵問題 及解決方案 1、 GIS 電子地圖制作 ： 項目涉及的是 GIS（地理信息系統(tǒng)） 在嵌入式設(shè)備上的應(yīng)用電子地圖瀏覽。典型的嵌入式 GIS應(yīng)用由嵌入式硬件系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)、和嵌入式 GIS 軟件組成。由于嵌入式設(shè)備本身的條件限制，其數(shù)據(jù)存儲和處理能力有限， 在項目中我們采用 MAPINFO 格式的地圖，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行了適當(dāng)裁剪，并選擇了合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織裁剪后的數(shù)據(jù)，減小了數(shù)據(jù)冗余，解決了在嵌入式設(shè)備上存儲大批量數(shù)據(jù)的問題 1。在此基礎(chǔ)上， 以 QT/Embedded 為開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了一種能運行在以嵌入式 LINUX 為操作系統(tǒng)的設(shè)備上的導(dǎo)航電子地圖 。 a.生成電子地圖； 利用 mapinfo7.0 軟件制作本校區(qū)電子地圖， 如下圖 1-1 所示。 這里要注意地圖的地理坐標(biāo)，因為這將涉及到后面 GPS 的定位能否與電子地圖的坐標(biāo)匹配問題，也就是精度的問題。 b.電子地圖數(shù)據(jù)： 制作好本校的電子地圖之后，將其轉(zhuǎn)換成 MIF/MID 文件， Mapinfo 主要通過 MIF、MID 兩個文件向外交換數(shù)據(jù) 以及 與其他 GIS 軟件建立數(shù)據(jù)接口，其中 MIF 數(shù)據(jù)文件主要保存空間數(shù)據(jù)的圖形信息， MID 數(shù)據(jù)文件主要保存空間數(shù)據(jù)的屬性信息。 MIF 由頭文件和數(shù)據(jù)段組成，數(shù)據(jù)段包含 mapinfo 定義的 點 、線、面、多義線、區(qū)域、圓弧、文本、矩形、圓角矩形和橢圓等實體，具體如圖 1-2 所示。 MID 文件為對應(yīng)實體的屬性。掌握了文件關(guān)系之后，就可以用或語言編程實現(xiàn)對 .mif 文件的讀取。 圖 1-1 mipinfo 編輯軟件制作民大地圖 - 5 - 圖 1-2 .mif 文件內(nèi)容 c.地圖投影和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換： 由于從 mapinfo 的 MIF 文件中獲得的數(shù)據(jù)是位于地球橢球面上的經(jīng)緯度坐標(biāo)，所以需要經(jīng)過地圖投影將經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)投影為平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，才能在 QT 圖形界面里正確繪制地圖。 具體原理過程如下： 大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成地圖平面坐標(biāo) 2。 以 O 為圓心 ,長軸 a 為半徑做圓弧 RQ ,又以 O 為圓心 , 短 軸 b 為半徑做圓弧 L M ,如圖 3 所示 , K K 垂直 OP 軸 ,設(shè) O K與 OP 軸夾角為 u , KT 為 K 點在子午橢圓的切線 ,得 : 圖 1-3 - 6 - 則橢球圓上一點 K 坐標(biāo) ( P , Z) 為 : 其中 : 由圖 1-3 可得 : 其中 , H 為高度。 地圖平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo) 。 由式 (2) 可得其逆變換為 : 地圖平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo) 3 由于地圖平面坐標(biāo)系和屏幕坐標(biāo)系都是平面直角坐標(biāo)系 ,它們之間的差別在于坐標(biāo)原點的不同 ,坐標(biāo)軸的方向和刻度單位不同。因此 ,它們之間的變換只要通過比例變換、平移變換和旋轉(zhuǎn)變換就可以實現(xiàn)。假設(shè)原坐標(biāo)系的坐標(biāo)值為 ( X , Y) ,變換后的坐標(biāo)值為 ( sx , sy) , x 軸 , y 軸的比例變換因子分別為 xs , ys ；平移變換因子分別為 t x , ty ,旋轉(zhuǎn)角度為 ；則它們之間的坐標(biāo)變換可用下列方程實現(xiàn) : 比例變換方程為 : - 7 - 平移變換方程為 : 旋轉(zhuǎn)變換方程為 : 本項目中采用高斯 -克呂格投影。經(jīng)過地圖投影后，原來的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)化成了平面上以米為單位的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。但是要把地圖繪制在嵌入式設(shè)備的屏幕上，還需要把平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為屏幕上以像素為單位的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 代碼實現(xiàn)為： 首先調(diào)用 translate（） 函數(shù)轉(zhuǎn)化繪圖設(shè)備坐標(biāo)系統(tǒng)的原點（ 0， 0）到窗口的左上角。具體 實現(xiàn) 的核心代碼 如下 所示 - r.moveTopLeft( QPoint(-r.width()/2, -r.height()/2) )； eraseRect = eraseRect.unite( mtx.map(r) )； eraseRect.moveBy( -1, -1 )； eraseRect.setSize( QSize( eraseRect.width() + 2,eraseRect.height() + 2 ) )； um.translate( pw/2, ph/2 )； / 0,0 is center um = mtx * um； p.setWorldMatrix( um )； 在 QT 圖形 界面的圖形 繪制： 圖形的繪制包括點、線等 的繪 制，繪制工作都是在類 Show 中的 paintEvent(QpaintEvent*)函數(shù)中完成的。 主要代碼如下 ： Class MyMap:public QWidget Protected: Void paintEvent(QpaintEvent*)； ； Void MyMap:paintEvent(QpaintEvent*0 - 8 - Qpainter p(this)； Qpen pen(QColor(2,142,188)， 3)； p.setPen(pen)； p.drawPloyline(draw)； d.電子地圖的縮放和漫游 電子地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選用 矢量結(jié)構(gòu)，這 樣在地圖縮放顯示時，原圖的各個部分成比例的縮放。以 坐標(biāo)變換和地圖的顯示為基礎(chǔ)，地圖的縮放和漫游就比較容易實現(xiàn)。地圖縮放只需在將平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為屏幕坐標(biāo)時，將轉(zhuǎn)化比例再乘上一個縮放因子 K；同樣，地圖漫游只需在坐標(biāo)轉(zhuǎn)化時，加上或減去一個漫游常數(shù) scale.即可實現(xiàn)放大和縮小效果。但是在實際實現(xiàn)時，每一次地圖刷新都要重繪一次地圖，使得系統(tǒng)處理速度驟降，不能很好的工作，因此，項目在實際中采用 柵格形式和 實時 繪制 結(jié)合的方案，地圖主體以 柵格 顯示為主 ，關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)采用讀取 .mif 文件中的信息來繪制。這樣，系統(tǒng)處理的速度得到了很大的提高，而美中不足是在放大縮小時圖像邊緣會有細(xì)小模糊出現(xiàn)，但完全不影響整體效果。 2、 數(shù)據(jù)的接收及 精度的提高 1） 測量的誤差來源 在衛(wèi)星信號的收發(fā)過程中 , 以及對信號的傳播時間計算方面都不可避免的帶來誤差 , 引起定位誤差的因素有很多 , 大致可以分成以下幾類。 設(shè)備誤差 首先 , 雖然衛(wèi)星上裝了精確度很高的原子鐘 , 但是原子鐘還是存在誤差 , 衛(wèi)星軌道本身雖然很高但是收到地球大氣層的影響要產(chǎn)生 漂移 , 其次接收器本身時鐘也存在誤差和噪聲 , 這些都影響定位的精確度 ,但這些不是主要的。 大氣層的干擾 GPS 通過電波發(fā)送定時信號 , 當(dāng) GPS 信號經(jīng)過電離層 (Ionosphere)上一些帶電性的粒子及對流層(Troposphere)上的水汽時 , 信號便產(chǎn)生遲滯延時的現(xiàn)象。這些延時不可能提前預(yù)知 , 因為受到天氣的影響 , 另外還受到大氣環(huán)境的影響 , 在好的接收器中考慮了典型大氣層延時的影響 , 做了相應(yīng)的修正 , 但是不可能對大氣層的變化做出實時的 , 精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型 , 所以大氣層 對定時信號的延時影響依然存 - 9 - 在 , 這也是影響定位精度的又一原因。 SA( selective availability) 策略 GPS 衛(wèi)星傳送兩種頻率的載波 L1 (Link 1) 載波的頻率為 1575.42 MHZ, L2 (Link 2) 載波的頻率為 1227.60MHZ。這兩種載波可修正電離層遲滯效應(yīng)的誤差 , 在載波上除了狀態(tài)訊息之外 , 并調(diào)制了 2 個供定時的碼 C/A 碼 (Coarse Acqusition), 頻率為 1.023MHZ, 僅在 L1 載波上作調(diào)變 , 每 1023 位重復(fù)一次 , 這種碼制的定位精度大大超出了原來的設(shè)計 , 出于美國自身及其盟國安全的考慮 , 在這一碼制當(dāng)中加入了時鐘偽碼和星歷偽碼 , 導(dǎo)致其定位精度在 100 米左右 ,提供給民間和非軍事同盟國使用。 P 碼 (Precise Code), 頻率為 10.23MHZ, 每七天重復(fù)一次可同時采用 L1 及 L2 載波變 , 主要提供軍事用途 P 碼的頻率大約是 C/A 碼的 10 倍不但更為精確 ,也更不易被干擾。這種定位精度很高的碼制只有美國軍方獨家使用 其他因素 以上前兩種都可以說是固有的誤 差 , 而 SA 策略則是人為的 , 這個是造成 GPS 定位精度下降的關(guān)鍵因素 , 本文提供的方法就能大大改善由此策略造成的精度下降。另外還有其他的因素影響精度 , 比如信號的多徑效應(yīng) , 太空當(dāng)中的一些偶發(fā)事件都會對衛(wèi)星造成影響 , 從而導(dǎo)致精度下降 , 不過這些和 SA略相比而言不占主要地位。 2） GPS NMEA0183 接受協(xié)議 全球定位 位系統(tǒng)（ Global Positioning System - GPS）是美國從本世紀(jì) 70 年代開始研制，歷時 20 年，耗資 200 億美元，于 1994 年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。 GPS 接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)通過串口輸入，其數(shù)據(jù)格式符合 NMEA0183 標(biāo)準(zhǔn) ，格式如下 圖 1-4 所示 ： 圖 1-4 NMEA0183 標(biāo)準(zhǔn)語句 中，字段 0（ GPGGA）中包含了我們所需要的所有定位信息，所以我們只取這段 - 10 - 數(shù)據(jù)做為有用數(shù)據(jù)，其定義如下： 字段 0： $GPGGA，語句 ID，表明該語句為 Global Positioning System Fix Data（ GGA） GPS 定位信息 字段 1： UTC 時間， hhmmss.sss，時分秒格式 字段 2：緯度 ddmm.mmmm，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ) 0） 字段 3：緯度 N（北緯）或 S（南緯） 字段 4：經(jīng)度 dddmm.mmmm，度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ) 0） 字段 5：經(jīng)度 E（東經(jīng)）或 W（西經(jīng)） 字段 6： GPS 狀態(tài)， 0=未定位， 1=非差分定位， 2=差分定位， 3=無效 PPS， 6=正在估算 字段 7：正在使用的衛(wèi)星數(shù)量（ 00 - 12）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ) 0） 字段 8： HDOP 水平精度因子（ 0.5 - 99.9） 字段 9：海拔高度（ -9999.9 - 99999.9） 字段 10：地球橢球面相對大地水準(zhǔn)面的高度 字段 11：差分時間（從最近一次接收到差分信號開始的秒數(shù)，如果不是差分定位將為空） 字段 12：差分站 ID 號 0000 - 1023（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ) 0，如果不是差分定位將為空字段 13：校驗值 3）定位信息的 提取及處理 GPS 接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)以字符的形式進(jìn)入串口，我們把字符“ GA”作為標(biāo)志符，獲取經(jīng)度和緯度信息，程序代碼如下： （注）變量 buffi， buff_lati， buff_loni都是 char 型變量，電子地圖中使用的是 double型變量，所以需要把 char 型轉(zhuǎn)變成 double 型，程序代碼如下： 4）改善定位精度 - 11 - G P S 模塊數(shù)據(jù)采樣（以理工樓6 0 5 室為對象）116.3129116.313116.3131116.3132116.3133116.3134116.3135116.31361 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79采樣次數(shù)緯度G P S 測得數(shù)據(jù)GOOGLE EARTH測得數(shù) 據(jù)G P S 模塊數(shù)據(jù)采樣（以理工樓6 0 5 室為對象）39.947239.947339.947439.947539.947639.947739.947839.94791 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77采樣次數(shù)經(jīng)度G P S 測得經(jīng)度GOOGLE EARTH測 得經(jīng)度 GPS 單點定位系統(tǒng)誤差改正 比較實測觀測值與其真值 , 可以 看出 , Y 坐標(biāo) 、 X 坐標(biāo)均偏 大 。因此 ,本手持式 GPS 定位中存在著明顯的系統(tǒng)誤差 , 而量級在 10 米級 , 因此需要對所使用的儀器進(jìn)行誤差模擬來改善系統(tǒng)誤差對單點定位精度的影響。 按式 (3) 計算系統(tǒng)誤差均值 - 12 - ix, iy 為控制點的觀測值與其已知值之差。 經(jīng)系統(tǒng)誤差改正后的結(jié)果由式 ( 4) 計算。 4 算法上改善定位精度 系統(tǒng) 使用改進(jìn)的卡爾曼濾波算法 來 提高定位精度， 5針對最小二乘法和標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波的特點，通過偽距離估計出接收機(jī)的位置和鐘差，避免由于濾波初 值，系統(tǒng)噪聲方差以及測量噪聲方差帶來的濾波發(fā)散問題。在進(jìn)行卡爾曼濾波時 ,關(guān)鍵是 建立數(shù)學(xué)模型、 確定狀態(tài)向量、建立系統(tǒng)方程和測量方程、確定噪聲統(tǒng)計特性等。 6 3、 GSM數(shù)據(jù)處理 GSM 是 Global System For Mobile Communication 的簡稱，中文名稱為全球移動通信系統(tǒng)，是 1992 年由歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會統(tǒng)一推出的，以數(shù)字為主的第二帶代移動電話系統(tǒng)。它采用數(shù)字通信技術(shù)、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，使通信質(zhì)量得以保證，是全球最成熟的數(shù)字移動電話網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一，用的是窄帶TDMA，能提供 全面的語音、文字和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并提供一些諸如短消息服務(wù)、語音信箱、呼叫轉(zhuǎn)移等的增值業(yè)務(wù)。 7 在本導(dǎo)游系統(tǒng)中， GPS定位信息交互是通過 GSM網(wǎng)絡(luò)的短信來實現(xiàn)的， GSM模塊同樣是通過串口操作。我們使用的 GSM通信貓使用的是 法國 wavecom（微控科技） 生產(chǎn)的模塊，雙波段（ 900/1800MHz）工作，支持通用 AT 命令。 AT 命令集是用于終端機(jī)（如 PC 機(jī)）和調(diào)制解調(diào)器（ MODEM）之間通訊控制的一組命令。 AT 是ATTENTION 的縮寫。所有 AT 命令都是以 ASCII 字符 “AT” 開始，并由回車符 或換行符 結(jié)束。我們用到的 AT命令及其功能介紹如下： - 13 - AT 命令 功能 AT+IPR=9600 設(shè)置波特率為 B9600 AT&W 保存設(shè)置 (未保存，斷電后設(shè)置將還原 ) AT+CMGS=” 138*” 發(fā)送信息 AT+CMGR=1 讀取第一條信息 AT+CMGD=1,4 刪除所有信息 對 GSM模塊的操作通過串口 ttyS0，打開串口后，對串口進(jìn)行初始化，接著就可以進(jìn)行收發(fā)信息的操作了。其流程圖和代碼如 圖 1-5所示 ： 圖 1-5 發(fā)送信息代碼如下： 接收信息代碼如下： - 14 - 刪除信息代碼如下： 4、 GPS與 GSM 及地圖顯示部分 相互整合 在嵌入式 linux 下針對 GPS與 GSM 模塊分別編碼，成功實現(xiàn)各自功能后，需要在 qt 界面中將二者的代碼相互整合，實現(xiàn)信息共享和命令的 互相 響應(yīng)， 例如利用 GSM 模塊 將 gps 接受的當(dāng)前系統(tǒng)的位置信息以短信形式發(fā)送到另一個導(dǎo)游系統(tǒng)上，另一個導(dǎo)游系統(tǒng)利用 GSM 模塊 接受位置信息后共享給電子地圖繪制程序段，將第一個系統(tǒng)的位置在地圖上顯示出來。 此處主要應(yīng)用了 qt 設(shè)計的最重要特點：信號 -槽機(jī)制 ， 這個機(jī)制可以在對象之間彼此并不了解的情況下將它們的行為聯(lián)系起來， 取代了老舊的開發(fā)套件所使用的粗糙的回調(diào)和消息映射。其次模塊間任務(wù)的優(yōu)先級別不同， GPS需要實時的不斷接受信息，而 GSM 則只在需要的時候使用，因此要合適設(shè)計二者的運行方式，才能達(dá)到高效快捷的使用效果 - 15 - 三、 方案 選擇 1 系統(tǒng)硬件的選擇 1）本項目選擇芯 片 ARM9-2410 作為系統(tǒng)處理器， ARM9 系列芯片具有 高性能、廉價、耗能低 等特點，目前 已經(jīng)成功地廣泛應(yīng)用于嵌入控制、消費 /教育類多媒體、 dsp 和移動式應(yīng)用等領(lǐng)域。 它的如下特點 能充分的完成本項 目的各項性能要求 ： 5 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高； 提供 1.1MIPS/MHz 的哈佛結(jié) 構(gòu)； 支持 32 位 ARM 指令集和 16 位 Thumb 指令集； 支持 32 位的高速 AMBA 總線接口； 全性能的 MMU ，支持 Windows CE 、 Linux 、 Palm OS 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)； 支持?jǐn)?shù)據(jù) Cache 和指令 Cache ，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。 8 2）本項目選擇 GSM 模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)間的相互通信。 GSM 是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。它是目前基于時分多址技術(shù)的移動 通信體制中成熟、完善、應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)，而短信息服務(wù)作為GSM 網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，已得到越來越多的系統(tǒng)運營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。利用 GSM 短信息 (SMS)進(jìn)行電子導(dǎo)游之間的通訊具有 成本低、可靠性高等特點。利用 GSM 短信息系統(tǒng)進(jìn)行無線通信還具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定。 3） 本項目選擇 XW-GPS100 作為 GPS 定位模塊，它具有 速度快 、 靈敏度高 、 定位精度準(zhǔn) 、 智能化多徑檢測與抑制 等優(yōu)點。 GPS 即全球定位系統(tǒng)（ Global Positioning System）是美國從 本世紀(jì) 70 年代開始研制，于 1994 年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。 全球定位系統(tǒng)的主要特點包括全天候運行、全球覆蓋、三維定速定時高精度、快速省時高效率、應(yīng)用廣泛多功能等等。 9GPS 是目前世界上運用最廣泛，技術(shù)最成熟的定位技術(shù)，可充分實現(xiàn)本項目的定位要求。 2系統(tǒng)軟件的選擇 1） PC端系統(tǒng)的選擇 進(jìn)行嵌入式開發(fā)， PC 端系統(tǒng)選擇 一般有兩種方式，一 是選擇雙系統(tǒng)（ Linux Windows XP） ；二 是選擇虛擬機(jī)安裝 LINUX。前者的優(yōu)點是運行速度快，缺 點是切換系統(tǒng)的時候需要重新啟動。后者的優(yōu)點是可以 任意 切換系統(tǒng)，缺點是對硬件要求較高。 為了共享資料和方便查找網(wǎng)絡(luò)資源，本項目選擇方法 2，即在 Windows 主機(jī)上安裝虛擬宿主機(jī) ,作為開發(fā)環(huán)境。 2） 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇 本項目選擇 嵌入式 Linux作為操作系統(tǒng)。 純商業(yè)性的嵌入式操作系統(tǒng)主要有 WinCE和 VxWorks，開源的嵌入式操作系統(tǒng)有嵌入式 Linux，其他的還有 uC/OS-II 等。 經(jīng)過比對幾款系統(tǒng)之間的利弊選擇 - 16 - 了嵌入式 Linux，它 是按照嵌入式操作系統(tǒng)的要求而設(shè)計的一種小型操作系統(tǒng)。相對于 WinCE、 VxWorks等 作系統(tǒng) ,具有源碼開放、易移植、模塊化、資源豐富等優(yōu)勢；支持多線程、多進(jìn)程； 支持多種平臺 ,如 x86、 PowerPC、 ARM、 MIPS 等等。 10其 可伸縮的結(jié)構(gòu)使 系統(tǒng) 適合于從簡單到復(fù)雜的各種嵌入式應(yīng)用 ； 另外它擁有有大量的開發(fā)工具，這些工具為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供了良好的開發(fā)環(huán)境也是我們選擇linux 的主要原因之一。而與之相匹配的實現(xiàn)我們選擇了 Qt 來實現(xiàn)各種應(yīng)與程序的人機(jī)交互，力求整個系統(tǒng)更加人性化和智能化。 （ 1） QT/ Embedded 軟件體系結(jié)構(gòu)介紹 QTE 是著名的 Qt 庫 開發(fā)商 Trolltech 公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的 Qt 版本 , 熟悉 Linux 界面設(shè)計的人一定對 QT 不會陌生 , 很多人正在使用的 KDE 就是基于 QT 圖形庫開發(fā)的 ,QT 自身則是通過使用Xlib 來實現(xiàn)其圖像顯示功能的。由于 Xlib 本身比較大 , 無法適應(yīng)嵌入式開發(fā)的需要 ,Trolltech 公司設(shè)計了新的 QTE 圖形庫 , 它在底層徹底摒棄了 X lib, 僅采用 framebuffer 作為底層圖形接口 , 而在上層依然保持原來 QT 的架構(gòu) , 使在很多 X Window 上設(shè)計的程序能非常方便的移植。 11 從 QT 到 QTE 的這個開發(fā)過程體現(xiàn)了軟件開發(fā)中非常重要的一個思想 : 軟件設(shè)計一定要保持易用性和可移植性。 QTE 是使用 C+語言設(shè)計的 , 雖然犧牲了一些效率 , 但在當(dāng)前很多界面開發(fā)人員已經(jīng)適應(yīng)了 MFC 的開發(fā)模式時 , 使用 C+無疑會更方便開發(fā)人員 。在代碼設(shè)計上 , Qt/Embedded 利用了 C+獨有的機(jī)制 , 如繼承、多態(tài)、模板等 , 具體實現(xiàn)非常靈活。但其底層代碼由于追求與多種系統(tǒng)、多種硬件的兼容 , 代碼補(bǔ)丁較多 , 風(fēng)格稍顯混亂。 2 . 軟件總體架構(gòu) 圖 1-6 - 17 - 上 圖 描述了 QTE 軟件的總體架構(gòu)。 QTE 共可分為三層架構(gòu) : a. 圖形引擎和事件驅(qū)動層 : 這一層通過調(diào)用和直接訪問 Linux 操作系統(tǒng)的 framebuffer 和輸入設(shè)備驅(qū)動實現(xiàn)。 b. 上層圖形層 : 圖形引擎封裝了對 FrameBuffer 的繪圖操作 , 是低級別的繪圖層 , 這一層抽象出對于顯示設(shè)備的具體操作接口 ( 圖形設(shè)備環(huán)境 ) , 如選擇畫刷、畫線、畫矩形、 alpha 操作等 , 為上層開發(fā)和用戶提供了圖形的抽象層。 c. 上層控件層 : 這一層通過公共抽象類 QWidget , 實現(xiàn)了用戶所需的主要控件類。 3 . 圖形引擎層的實現(xiàn) 這是整個系統(tǒng)最復(fù)雜的一部分 , 也使用了很多典型的設(shè)計模式。底層圖形引擎基于 framebuffer , Framebuffer 是在 Linux 內(nèi)核架構(gòu)版本 2.2 以后推出的標(biāo)準(zhǔn)顯示設(shè)備驅(qū)動接口。采用 mmap 系統(tǒng)調(diào)用 , 可以將 framebuffer 的顯示緩存映射為可連續(xù)訪問的一段內(nèi)存儲針。由于目前比較高級的 ARM 體系的嵌入式 CPU 中大多集成了 LCD 控制模塊 , LCD 控制模塊一般采用雙 DMA 控制器組成的專用 DMA 通道。其中一個 DMA 可以自動從一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊列中取出并裝入新 的參數(shù) , 直到整個隊列中的 DMA 操作都已完成為止。另外一個 DMA 與畫面緩沖區(qū)相關(guān) , 這部分由兩個 DMA 控制器交替執(zhí)行 , 并每次都自動按照預(yù)定的規(guī)則改變參數(shù)。雖然使用了雙 DMA, 但這兩個 DMA 控制器的交替使用對于 CPU 來說是不可見的。CPU 所獲得的只是由兩個 DMA 組成的一個“ 通道” 而已。在 Qt/Embedded 中 , Qscreen 類為抽象出的底層顯示設(shè)備基類 , 其中聲明了對于顯示設(shè)備的基本描述和操作方式 , 如打開、關(guān)閉、獲得顯示能力、創(chuàng)建 GFX 操作對象等。另外一個重要的基類是 QGfx 類。 該類抽象出對于顯示設(shè)備的具體操作接口 ( 圖形設(shè)備環(huán)境 ) , 如選擇畫刷、畫線、畫矩形、 alpha 操作等。以上兩個基類是 Qt/Embedded 圖形引擎的底層抽象。其中所有具體函數(shù)基本都是虛函數(shù) , Qt/Embedded 對于具體的顯示設(shè)備 , 如 Linux 的framebuffer、 Qt Virtual Framebuffer 做的抽象接口類全都由此繼承并重載基類中的虛函數(shù)實現(xiàn)。下圖為 Qt/Embedded 中底層圖形引擎實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。 圖 1-7 - 18 - 如 圖 1-7: 對于基本的 framebuffer 設(shè)備 , Qt/Embedded 用 QlinuxFbScreen 來處理。針對具體顯示硬件 ( 如 Mach 卡、 Voodoo 卡 ) 的加速特性 , Qt/Embedded 從 QlinuxFbScreen 和圖形設(shè)備環(huán)境模板類 QgfxRaster 繼承出相應(yīng)子類 , 并針對相應(yīng)硬件重載相關(guān)虛函數(shù)。 Qt/Embedded 在體系上為 C/S 結(jié)構(gòu) , 任何一個 Qt/Embedded程序都可以作為系統(tǒng)中唯一的一個 GUI Server 存在。當(dāng)應(yīng)用程序首次以系統(tǒng) GUI Server 的方式加載時 , 將建立 QWSServer 實體。此時調(diào)用 QWSServer:openDisplay () 函數(shù)創(chuàng)建窗體 , 在 QWSServer:openDisplay( ) 中對 QWSDisplay: : Data 中的 init ()加以調(diào)用 ； 根據(jù)QgfxDriverFactory 實體中的定義 ( QLinuxFbScreen)設(shè)置關(guān)鍵的 Qscreen 指針 qt_screen 并調(diào)用connect ()打開顯示設(shè)備 ( dev/fb0) 。在 QWSServer 中所有對于顯示設(shè)備的調(diào)用都由 qt_screen 發(fā)起。至此完成了 Qt/Embedded 中 QWSServer 的圖形發(fā)生引擎的創(chuàng)建。當(dāng)系統(tǒng)中建立好 GUI Server 后 , 其它需要運行的 Qt/Embedded 程序在加載后采用共享內(nèi)存及有名管道的進(jìn)程通信方式 , 以同步訪問模式獲得對共享資源 framebuffer 設(shè)備的訪問權(quán)。隨著嵌入式處理器運算能力的不斷提高 , 對外設(shè)支持的 不斷豐富 , 嵌入式 Linux 系統(tǒng)的應(yīng)用也逐漸增多。 12QTE 延續(xù)了 Qt 在桌面系統(tǒng)的所有功能 , 豐富的API 接口和基于組件的編程模型使得嵌入式 Linux 系統(tǒng)中的應(yīng)用程序開發(fā)更加便捷。 由于 Qt/Embedded 本身面向高端的 手持設(shè)備和移動設(shè)備 , 將成為未來嵌入式系統(tǒng)的主要 GUI。 3 系統(tǒng)整個 程序流程的 設(shè)計 作 為一個 同時使用 GPS 和 GSM 模塊的系 統(tǒng)， 如何 處理 好 收發(fā)信息之間的同步關(guān)系和數(shù)據(jù)交互 這個問題特別重要，本項目使用 是使用定時器 的方式來實現(xiàn)功能 。 GPS 和 GSM 的相關(guān)程序用 C 語言編寫， 然后與 QT 圖形界面 C+代碼整合在一起，核心 程序流程 下圖 所示。主要包括系統(tǒng)初始化、 GPS 數(shù)據(jù)處理、GSM 數(shù)據(jù)處理 3 部分。 如下圖 1-8 所示。 GPS 數(shù)據(jù)處理： 通過定時器動態(tài)實時地接受 GPS 數(shù)據(jù)，每一次從完整數(shù)據(jù)中提取出所需的基本信息如時間，經(jīng)緯 度等內(nèi)容，然后通過定時器觸發(fā)顯示到界面上，考慮到人的肉眼分辨頻率，數(shù)據(jù)刷新次數(shù)不易過快，同時也因為人的步行速度較慢，不需要達(dá)到車載導(dǎo)航時的要求，因此界面顯示設(shè)置為每 3 秒鐘刷新一次信息。 GSM 數(shù)據(jù)處理 主機(jī)選擇 GSM 功能，則彈出新的對話框，將當(dāng)前系統(tǒng)的地理位置信息傳送給通訊模塊，以短信形式發(fā)送出去，同時，通訊模塊循環(huán)以查詢方式來檢測是否有別人給本機(jī)發(fā)送信息，如果有，則顯示提示信息后自動接收，然后在電子地圖上顯示出來，如果接受信息不是位置信息而是其他信息內(nèi)容則報錯提示然后退出子程序繼續(xù)查詢。 GSM 的 短信業(yè)務(wù) SMS 利用信令信道傳輸，它不用撥號建立連接，把要發(fā)送的信息加上目的地址和其他控制信息發(fā)到短信服務(wù)中心，經(jīng) 短信服務(wù)中心完成存儲再轉(zhuǎn)發(fā)送給目標(biāo)機(jī)，這 - 19 - 種特性適合數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送 。 13本 項目 采用的是 PDU Mode，采用 AT 命令完成短信息的讀取和發(fā)送。如發(fā)送一條消息可以采用 AT+CMGS 命令，格式如下： AT+CMGS=+ 系統(tǒng)上電后， ARM 微控制器開始執(zhí)行主程序。在主程序中，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化的內(nèi)容包括 GPS 模塊和 GSM 模塊的基本參數(shù)設(shè) 置，然后進(jìn)入主程序的數(shù)據(jù)處理部分 ，后文將有詳細(xì)的論述，此處不展開講解。 N Y Y 圖 1-8 設(shè)置共享方手機(jī)號碼 彈出 GSM對話框 若“介紹”功能鍵按下 每 3 秒觸發(fā)定時器，刷新一次 ，顯示信息到界面， 繪制位置點到地圖上 循環(huán)提取出所需數(shù)據(jù)并進(jìn)行優(yōu)化處理提高精度。 自動接受 GPS信息 系統(tǒng)初始化，設(shè)置串口，讀入地圖主界面 開始 提取當(dāng)前位置信息 若“評分”功能鍵按下 若“ GSM”功能鍵按下 發(fā)送 點擊“關(guān)閉”返回主界面 彈出 學(xué)校介紹 對話框 彈出 評分系統(tǒng) 對話框 點擊按 鈕瀏覽信息 點擊按鈕進(jìn)行投票統(tǒng)計 點擊“關(guān)閉”返回主界面 點擊“關(guān)閉”返回主界面查詢是否有隊友位置信息 判斷是否為地理信息顯示 提示信息，自動接收 Y 繪制對方位置點到地圖上 返回主界面 是 是 否 等待 下次查詢 - 20 - 四、系統(tǒng) 總體 開發(fā) 流程圖 及進(jìn)度 1、 系統(tǒng) 總體 開發(fā)流程圖 ，如圖 1-9 所示。 圖 1-9 ARM9-2410 開發(fā)板 Bootloader 的移植 裁剪編譯 Linux2.4+Qtopia 制作系統(tǒng)鏡像文件 燒錄鏡像文件，并能成功在開發(fā)板上運行 QT 環(huán)境的配置和搭建 GPS 模塊串口通信的實 現(xiàn)、制作電子地圖 應(yīng)用程序的 UI設(shè)計 ，讀取地圖 GSM 模塊發(fā)送短信功能實現(xiàn) 界面與模塊之間的整合 測試，調(diào)試，完成 軟件系統(tǒng)設(shè)計 硬件系統(tǒng)設(shè)計 安裝交叉編譯工具鏈 - 21 - 2、項目 整體進(jìn)度表及工作涉及工作量 本 項目 整體 進(jìn)度表 如下圖 1-10 所示， 主要工作量和涉及相關(guān) 知識為： 系統(tǒng)平臺搭建（硬件 +軟件）： 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)， LINUX操作系統(tǒng)應(yīng)用。 GPS、 GSM 模塊使用部分： 單片機(jī)，微機(jī)接口，主要用于串口操作實現(xiàn)信息提取、查詢，進(jìn)制計算轉(zhuǎn)換。 地圖部分： 使用 MAPINF