1、本科毕业论文(设计)1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
2、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,图像采集本科毕业论文(设计)2Carries the image monitor term
3、inal based on The GPS/GPRS vehicle the designAuthor: Li Baohai Tutor: Zhao YanjieABSTRACTWith the rapid development of the embedded-applications and wireless network technology, the embedded vehicle monitoring system which combines the GPS location technology and GPRS wireless communication technolo
4、gy comes into being . In order to meet the requirement, the paper introduces USB video capture technology into embedded vehicle monitoring terminal and puts forward a new solution.Firstly, the paper describes the GPS technology, GPRS wireless network technology and USB interface technology in detail
5、 .Secondly, the paper explains how to carry out the hardware design. Give a specific realization of block diagram. The last introduce the main control module S3C2410X processor, GPS module and GPRS communication module used in the system. In order to reduce the quantity of data transmitted by the GP
6、RS network, JPEG compression technology was used to compress static image in the image acquisition module, which could economize the network resources and speed up the image transmission. Finally, the paper summaries all the works and gives the methods for further improvement.The embedded vehicle im
7、age monitoring terminal which uses GPS/GPRS technology could collect the GPS and picture information about the automobile and send it to the monitoring center .Making use of the information, monitoring center strengthens its supervision ability to track automobile, The design makes full use of resou
8、rces on ARM S3C2410X processor and implements vehicle monitoring functions at a low-cost but more conveniently.Keywords:GPS positioning technology, GPRS communications technology, vehicle monitoring 本科毕业论文(设计)3devices, image acquisition目 录第一章 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 汽车监控的国内外现状 .21.3 课题研究的目的 .2第二章
9、GPS、GPRS 及 USB接口技术及原理 .42.1 GPS 导航技术 .42.1.1 GPS 系统组成 .42.1.2 GPS 定位原理 .62.2 GPRS 网络技术 .72.2.1 GPRS 网络技术特点 .82.2.2 GPRS 系统构成 .82.2.3 GPRS 技术在远程监控系统中的应用 .102.3 USB 接口技术 .102.3.1 USB 简介 .102.3.2 USB 的基本特点 .11第三章 系统总体设计方案 .123.1 系统工作原理及需求 .123.2 车载监控终端硬件设计方案 .13第四章 系统硬件平台构成 .154.1 主控制模块(ARM9) .164.1.1
10、USB 接口 .174.1.2 UART 接口 .184.1.3 通用 I/O 口 .194.1.4 I2S 音频接口 .194.2 GPS 模块 .194.3 GPRS 通讯模块 .214.4 OV511 摄像头 .234.5 基于 JPEG 库的图像压缩 .24结论 .26致谢 .27参考文献 .28内蒙古大学本科毕业 论文 (设计) 第 1 页1内蒙古大学本科毕业 论文 (设计) 第 1 页1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
11、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
12、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
13、,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。内蒙古大学本科毕业 论文 (设计) 第 2 页21.2 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
14、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
15、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
16、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 网络技术的车载内蒙古大学本科毕业 论文 (设计) 第 3 页3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。内蒙古大学本科毕业 论文 (设计) 第 4 页4第二章 GPS、GPRS 及 USB接口技术及
17、原理2.1 GPS 导航技术GPS 是英文 Navigation Satellite Tinning and Ranging/Global positioning System 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
18、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。2.1.1 GPS 系统组成GPS 系统包括如下三个部分:1GPS 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
19、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
20、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,内蒙古大学本科毕业 论文 (设计) 第 5 页5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。2GPS 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
21、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
22、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。3GPS 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
23、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 软件部分内蒙古大学本科毕业 论文 (设计) 第 6 页6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。空间部分:提供星历和时间信息发射伪距和载表信号提供其它辅助信息用户部分:接收并测卫星信号记录处
24、理数据提供导航定位信息地面控制部分:中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨图 2.1 GPS 系统的组成2.1.2 GPS 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