基于GPSGPRS车载图像监控系统的设计本科毕业论文设计.docx

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基于GPSGPRS车载图像监控系统的设计本科毕业论文设计

基于GPS/GPRS车载图像监控系统的设计

摘要

随着嵌入式应用技术和无线网络技术的快速发展，结合了GPS定位技术和GPRS无线通信技术的嵌入式GPS车载监控系统应运而生。

论文将USB视频采集技术引入到车载终端监控系统中，提出了一种车载监控和图像传输系统的具体实现方案。

论文首先对车载监控相关的GPS定位技术、GPRS无线网络技术及USB接口技术做了详细介绍。

然后是对车载监控终端硬件方案的设计与实现,给出了具体的实现框图。

最后对系统中所用到的主控制模块S3C2410X处理器、GPS模块及GPRS通讯模块等作了详细的介绍。

为减少GPRS网络传输的数据量，在图像采集模块中采用了JPEG软件压缩编码技术，对静态图像进行压缩编码，较大地节省了网络资源，提高了图片的传输速度。

论文的最后总结了所完成的工作，给出了设计的不足之处和有待完善的地方。

基于GPS/GPRS的车载图像监控终端最终可以实现GPS定位数据和图像数据的采集与上传功能。

利用这些信息，监控中心可实时跟踪车辆并及时获取车内信息，该方案充分利用了S3C2410X处理器资源，方便且实用地实现了低成本的车辆监控功能。

关键词：

GPS定位技术，GPRS通信技术，车载监控终端，图像采集

Carriestheimagemonitorterminalbasedon

TheGPS/GPRSvehiclethedesign

Author:

LiBaohai

Tutor:

ZhaoYanjie

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentoftheembedded-applicationsandwirelessnetworktechnology,theembeddedvehiclemonitoringsystemwhichcombinestheGPSlocationtechnologyandGPRSwirelesscommunicationtechnologycomesintobeing.Inordertomeettherequirement,thepaperintroducesUSBvideocapturetechnologyintoembeddedvehiclemonitoringterminalandputsforwardanewsolution.

Firstly,thepaperdescribestheGPStechnology,GPRSwirelessnetworktechnologyandUSBinterfacetechnologyindetail.Secondly,thepaperexplainshowtocarryoutthehardwaredesign.Giveaspecificrealizationofblockdiagram.ThelastintroducethemaincontrolmoduleS3C2410Xprocessor,GPSmoduleandGPRScommunicationmoduleusedinthesystem.InordertoreducethequantityofdatatransmittedbytheGPRSnetwork,JPEGcompressiontechnologywasusedtocompressstaticimageintheimageacquisitionmodule,whichcouldeconomizethenetworkresourcesandspeeduptheimagetransmission.Finally,thepapersummariesalltheworksandgivesthemethodsforfurtherimprovement.

TheembeddedvehicleimagemonitoringterminalwhichusesGPS/GPRStechnologycouldcollecttheGPSandpictureinformationabouttheautomobileandsendittothemonitoringcenter.Makinguseoftheinformation,monitoringcenterstrengthensitssupervisionabilitytotrackautomobile,ThedesignmakesfulluseofresourcesonARMS3C2410Xprocessorandimplementsvehiclemonitoringfunctionsatalow-costbutmoreconveniently.

Keywords：

GPSpositioningtechnology,GPRScommunicationstechnology,vehiclemonitoringdevices,imageacquisition

第一章绪论

随着经济的发展，社会的进步，汽车已经成为当今最为普遍，最为实用的交通工具，是日常生活生产中的重要组成部分。

汽车上在带给人们舒适、便利生活的同时，也带来了许多新问题。

其中长途汽车的超载、超员问题，出租车司机的人身安全问题，私家车的防盗问题受到了社会的广泛关注。

所以车载监控系统的研究对我国的国民经济建设和人民生命财产安全有重要的现实意义。

1.1课题研究的背景及意义

进入21世纪以来，全球汽车市场发展迅猛，随着信息技术的高速发展，人们对汽车安全性和舒适性要求的提高，汽车电子成为全球性的研究热点，汽车电子市场成绩斐然。

当前国内使用的车载监控系统大都结合了GPS定位技术和GPRS无线网络技术，主要用于为车主自主导航或者为车辆监控中心提供坐标信息。

其作用主要是为方便驾车出行或车辆调度，减少交通堵塞现象的发生。

GPS车载监控系统只能告知车辆的具体位置，却无法“看到”汽车现场的情况。

随着汽车安全需求的扩大和电子技术的发展，对车载监控系统的需求也越来越高，其中图像采集和传输是一个非常突出的新需求。

因为如果能够对车辆内部情况和车辆外部驾驶的情况进行拍照保存并通过GPRS网络回传监控中心，就可以让监控中心准确掌握车辆内外部信息，也能够在车辆出现事故时留下图像资料，避免事后取证难而造成争议。

具有远程监控和图像传输的车载终端系统应用前景广阔。

它可用于运钞车、运油车和运送其他贵重物品的货运车辆，起到防盗、防抢劫的作用；可用于公共汽车、长途大巴等客运车辆，监控是否存在拉客，超员超载的现象，减少交通事故的发生；可用于公安、消防的车辆上，对办案过程录像，以便将来取证；在环境监测车上，它可以记录环境污染现场情况，同时将图像资料实时传输给环境监控中心，便于事后追究相关污染部门责任等等。

可见，本课题的研究具有重大的社会效益和经济效益。

1.2汽车监控的国内外现状

按照显示终端离采集终端距离的远近，车载视频监控系统分为远程视频监控系统和现场视频监控系统。

车载监控系统最早的解决方案是采用传统的本地模拟监控系统。

由于查询取证十分繁琐，系统的功能简单、可靠性差，根本无法满足车辆运营过程中的特殊要求（颠簸、温度、湿度等），因此该解决方案很快就淘汰了。

随着嵌入式计算机处理能力的提高，车载监控系统逐渐转向数字方式，主要用于监测、记录汽车在行驶中各种状态和数据，在事故发生时能收集音视频资料。

目前流行的解决方案是基于MPEG2和MPEG4技术的硬盘录像方式。

它具有处理数字化、计算机化，抗震效果大大加强，图像的存储时间也大大延长等显著特点。

但此种监控系统仍然是一种本地化的监控系统，由于缺少联网功能，汽车的状态信息无法实时传送给监控中心。

随着GSM业务的开通，具有远程监控功能的GSM车载监控系统不断出现。

目前我国GSM网络己经覆盖全国，各地短消息系统也互通，这从理论上提供了全国范围的覆盖。

而且目前GSM终端价格较低，有利于降低系统成本，同时它的蜂窝技术提供了大的用户容量。

但GSM网络传送时间不确定，不能全面及时地反映车载的实时信息。

这些弱点阻碍了GSM车载监控系统的全面推广。

最新的解决方案是基于GPS+GPRS的车载监控系统。

GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术。

提供端到端的、广域的无线IP连接。

它以“分组—转发”的形式进行数据传送，支持瞬时连接、永远在线，通信费用大大降低。

此种系统一般采用先进的GPRS模块、新颖的图像处理芯片、嵌入式网络处理模块等，能实现Internet自动接入，并采集视频图像，通过JPEG算法压缩后利用GPRS无线网络传送至Internet网上的主机，实现GPRS无线网络远程图像的传输。

1.3课题研究的目的

随着我国公路覆盖率的不断提高，便利的交通让城市与城市之间的人们来往平凡，促进了各地经济、文化交流。

然而也带来了许多的交通隐患，如超载超员，盗窃、抢劫等违法事件。

本论文从以上背景出发，提出了一种基于GPS定位技术和GPRS网络技术的车载终端监控方案。

系统采用了集成度高、性能优越的嵌入式处理器芯片，系统在稳定性和可靠性上有了保证，且设备配置少，人机交互界面简洁友好，操作简单。

整个系统开发难度较小，周期短，且系统配置可选，容易升级。

本监控终端系统能够以低廉的价格达到应用的需求。

第二章GPS、GPRS及USB接口技术及原理

2.1GPS导航技术

GPS是英文NavigationSatelliteTinningandRanging/GlobalpositioningSystem的字头缩写词Navistar/GPS的简称[1]。

它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。

整个系统由美国国防部于1973年开始研究，历经20年，耗资数百亿美元，于1994年投入使用。

整个计划分为3个阶段实施。

第一阶段为原理方案可行性验证阶段，从1978年到1979年，共发射了4颗试验卫星，建立地面跟踪网。

第二阶段为系统的研制与试验阶段，从1979年到1984年，陆续发射了7颗试验卫星，与此同时，研制了各种导航接收机。

第三阶段为工程发展和完成阶段，从1989年2月到1994年3月共发射24颗工作卫星，其中包括3颗备用卫星。

该系统是继“阿波罗”号登月飞船和航天飞机之后的第三大航天工程。

它具有高精度、全天候、全球覆盖能力。

全球定位系统的建成，从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航定位问题，从军用到民用，对人类的活动产生了巨大的影响。

2.1.1GPS系统组成

GPS系统包括如下三个部分：

1．GPS卫星和卫星星座

全球定位系统的空间卫星星座由24颗卫星（3颗备用卫星）组成。

卫星轨道分布在6个轨道面内，每个轨道上分布有4颗卫星。

卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55度，各轨道平面升交点的赤经相差60度。

在相邻轨道上，卫星的升交距相差30度。

轨道平均高度约为20200千米，卫星运行周期为n小时58分。

因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前4分钟。

每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线上的卫星数目，随时间和地点而异，最少4颗，最多可达n颗。

空间部分的3颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效的工作是极其重要的。

GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5米，重约774千克，两侧设有两块叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。

每颗卫星装有4台精度原子钟，这是卫星的核心设备。

它将发射标准频率信号，为GPS定位提供精度的时间标准。

GPS卫星主要用于接收和存储由地面监控站发来的导航信息接收并执行监控站的控制指令，向用户发送定位信息。

卫星上设有处理器系统进行必要的数据处理工作。

2．GPS地面监控系统

GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站，主控站和信息注入站。

现有5个地面站均具有监测站的功能。

监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。

站内设有双频GPS接收机，高精度原子钟，计算机和环境数据传感器。

接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状态。

原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。

所有观测资料由计算机进行初步处理，并储存和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。

主控站一个，设在美国本土科罗拉多·斯平士的联合空间执行中心[2]。

主控站除协调和管理地面监控系统工作外，其主要任务是根据本站和其他监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历，卫星钟差和大气层的修正参数，并把这些数据传送到注入站。

各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。

主控站还负责调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行以及启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。

注入站现有三个，分别设在印度洋的迭戈加西亚，南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡瓦加兰。

注入站的主要设备包括一台直径为3.6米的天线，一台C波段发射机和计算机。

其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入信息的准确性。

3．GPS用户接收设备

GPS的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPS定位的目的。

根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备各异。

随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制开发适用于不同要求的GPS接收机及相应的数据处理软件。

用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其系统设备组成。

GPS接收机的硬件，一般包括主机，天线和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。

GPS软件部分是指各种后处理软件包，用来对观测数据进行精加工，从而获得精密定位结果。

GPS系统组成图如图2.1所示。

图2.1GPS系统的组成

2.1.2GPS定位原理

GPS定位的基本原理是：

将物体的瞬间立体目标的位置坐标（X，Y，Z）用已确定的相距距离的已知参考点所发出的极其精确的无线电脉冲时钟源来测定，然后利用地面接收器中己存入的由高等解析几何所构成的模型，建立三维位置量和一个时间量的算法方程。

GPS为全球用户提供了非常精确的三维定位坐标信息速度信息、时间和频率参考，它以4个卫星射频信号的时间测量为基础，整个卫星系统平台由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，卫星呈现出55度倾角，均匀分布在6个近圆轨道内，轨道运行周期为11小时58分钟，轨道半径为26560公里，这些轨道卫星每日重复同样的地面轨迹。

因此，在地球上任何地方的用户都可以在其地平线上方5度范围内见到至少4颗卫星。

通过接收来自一个卫星的信号，用户在获知其具体位置和高稳定度的频率标准的基础上，可以确定GPS的时间和频率参数。

卫星载波信号以两个L波段频率（1227.6MHZ和1575.42MHZ）发射，以便可以修正信号的时延，信号分别用P码和C/A码调制。

P码用于精确的时间测量，C/A码使信号易于锁定。

由于卫星的位置精确可知，GPS接收机可通过接收观测范围内的几个卫星，可以得到几个关于伪距的方程（公式2-1）。

假设t时刻（t为地面待测点的未知时钟）在地面有一未知点（坐标为x，y，z），可以“看到”卫星A（x1，y1，z1）、B（x2，y2，z2）、C（x3，y3，z3）、D（x4，y4，z4），……，卫星坐标由卫星导航电文获得；可以收到卫星的时钟

（2-1）

信号t1、t2、t3、t4、……；d1、d2、d3、d4为卫星A、B、C、D到地面（x，y，z）的距离，c为光速，这样可以确定以下4个方程，由以这4个方程即可解算出待测点的坐标（x，y，z）和接收机的时间t。

人们通常把利用GPS技术，用于车辆定位功能的硬件和软件的融合体称为

车载GPS定位终端。

但这仅仅把定位信息采集到了车载终端上，并没有把定位

信息上传到报替中心或者车载GPS用户手上。

因为GPS接收机本身只是被动地

接收GPS卫星输出的信号，所以要想真正完成车载GPS定位的功能，车载GPS

系统中还必须包括有通讯网络，通过通讯网络把卫星定位信息发送到指定计算机设备，再由计算机解析收到的信息，最终在电子地图上显示车辆位置，这样就实现了车载GPS的定位监控功能。

2.2GPRS网络技术

GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分组无线业务）是一种采用分组交换技术传输数据及信令的高效率数据传输方式[3]。

GPRS是区别于原有GSM电路交换方式的另一种数据传输方式，GPRS是区别于原有GSM电路交换方式的另一种数据传输方式，它利用存储转发原理，把不同终端的数据分割成等长标准数据格式，通过非专用的逻辑子信道进行数据快速交换，即将信息分成数据分组或信息包，再加上目的地址、分组编号、控制比特等的分组头，沿不同路由进行传送，接收端按照分组编号重新组装成原始信息。

2.2.1GPRS网络技术特点

与原有GSM的数据业务相比，GPRS具有以下优势[4]：

1．资源利用率高：

GPRS引入了分组交换传输模式，使得原有采用电路交换模式的GSM数据传输方式发生了根本性变化。

电路交换模式中，用户无论是否传送数据在整个连接期都独自占有无线信道。

而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道提高了资源利用率。

GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。

2．传输速率高：

GPRS可提供高达115kbit/s的传输速率（最高值为171.2kbit/s）GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网，同时也使一些对传输速率敏感的移多媒体应用成为可能。

3．接入时间短：

分组交换接入时间缩短为少于1秒，能提供快速即时的连接可大幅度提高事务效率，可使Internet应用操作更加便捷流畅。

4．支持IP协议和X.25协议：

GPRS支持因特网上应用最广泛的IP协议和

X.25协议。

可充分利用现有的、覆盖全国范围的GSM网络，方便、快速地为用户数据终端提供远程接入网络的部署。

5．提供实时在线功能“alwaysonline"，只要激活GPRS应用，将永远保持在线，不存在掉线问题。

用户可以始终处于在线状态，使得访问服务变得简单、快速。

6．按流量计费，GPRS用户只有在发送和接收数据时才需要占用资源，用户可以一直在线，按照用户发送和接收的数据包量进行收费。

7．应用开发方便，直接支持TCP/IP。

可见，GPRS既适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

现在，GPRS大量应用于互联网访问、多媒体短信、视频业务、E-mail业务及无线远端遥控。

2.2.2GPRS系统构成

GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现，同时引入了一些新的功能模块和改进：

1．网关支持节点（GatewaySupportingNodeGSN）。

2．点对多点服务中心（Point-To-MultipointServiceCenter，PTM-SC）。

3．边界网关（BoarderGateway，BG）

4．改进基站子系统BSS：

在基站控制系统（BSC）上增加硬件单元PCU（PacketControlUnit），在基站发射系统上增加软件单元CCU（ChannelCodecUnit）。

5．其它设备：

本地位置寄存器HLR、访问位置寄存器VLR、移动交换中心MSC，SMS-GMSC和SMS-IWMSC等GSM系统原有无线管理设备被升级以支持相应的与GPRS有关的功能。

GSN（GatewaySupportingNode）是GPRS网络中最重要的网络节点。

GSN具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到GPRS寄存器。

GSN可以完成移动终端和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。

GSN可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与GSM中的MSC集成在一起。

GSN有两种类型：

GPRS网关支持节点GGSN（GatewayGPRSSupportNode）和GPRS服务支持节点SGSN（ServingGatewaySupportNode）。

GGSN主要是起网关作用，提供GPRS与外部数据网之间的传输通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。

它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork），PSDN（PacketSwitchedDataNetwork）和LAN（LocalAreaNetwork）等。

SGSN的主要作用是记录移动终端的当前位置信息，并且在移动终端和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。

新引入的网络单元分别归为无线部分和数据部分两类，PCU属于无线管理部分，SGSN属于无线管理和数据管理公用部分，GGSN属于数据管理部分。

其他一些辅助单元虽然在GPRS系统中未给出定义，但在数据网络中必不可少，如域名解析服务器DNS，动态地址分配服务器DHCP，网络时间协议服务器NTP

等等。

系统构成如图2.2所示。

图2.2GPRS系统结构图

2.2.3GPRS技术在远程监控系统中的应用

在GSM规范中，GPRS数据业务通常分为两大类，即点对点业务和点对多

点业务。

而实际应用中人们常常把GPRS业务分为横向应用和纵向应用。

横向应用主要是面向消费者的电子邮件，web浏览等;纵向应用主要面向安防系统，远程监控，任务调度等集团客户的远程数据传输业务。

GPRS技术以它实时在线、覆盖范围广、建设周期短和高数据传输速率等优点在远程监控系统中得到了广泛的应用，主要完成被监测数据的远程无线传输。

目前在配电网参数监测、环保监测、远程故障诊断、图像传输、车辆调度、远程医疗等领域都有GPRS的应用。

而且GPRS技术在远程监控系统中的成功应用对系统的实时监控管理和灵活部署提供了更好的方案;解决了传统监控方式由于缺少远程通讯，无法实现大规模集中监控的问题，所以说GPRS业务在远程监控系统中的应用有很大的市场前景和发展潜力。

2.3USB接口技术

USB是由Intel，Compaq，Digital，IBM，Microsoft，NEC，NorthernTelecom等七家世界著名的计算机和通信公司共同推出的新一代接口标准。

由于USB具有传输速率高、扩展方便、可以热插拔、支持PNP等优点，迅速得到了众多PC厂商和半导体厂商的大力支持，外设向USB过渡成为必然的趋势。

2.3.1USB简介

USB是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而

制定的一种串行通信标准，现在台式PC和便携式PC中几乎都配备了USB接口，而且流行的操作系统都支持USB功能。

USB系统的基本硬件和基本软件如表2.1所示。

表2.1USB系统基本构成

基本硬件

基本软件

USB主控制器/根集线器

USB集线器

USB设备

USB设备驱动程序

USB驱动程序

USB控制器驱动程序

2.3.2USB的基本特点

1．速度快。

USB