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李 耀，昂志敏，李敏杰，文建闊 來源：微型機與應用2012年第23期 摘要： 針對目前大多數車載移動終端在應用于某些復雜環境下衛星定位精度不高和實時數據在傳輸過程中出現的速率較低、延遲較大、可靠性較差的問題，從實際應用出發，采用海思Hi3512處理器為核心處理器，將具有最新SIRF starIII芯片組技術的GPS模塊與最新的3G電信無線傳輸模塊相結合，通過3G系統來高速傳輸GPS信息和音視頻信息，大大提高了系統的定位能力和數據傳輸的實時性。在系統軟件設計上結合了有效的GPS數據無損壓縮技術，進一步提高了數據傳輸的實時性，降低了數據的通信費用。實驗和仿真結果表明，該系統基本達到了設計目標。 車載移動終端是智能交通（ITS）中的重要組成部分，是移動互聯網的重要應用之一，廣泛應用于交通、安防、衛生、氣象及軍事等領域[1]。國內傳統的車載移動終端大多采用GSM（Global System for Mobile Communications）或GPRS（General Packet Radio Service）等無線通信方式，產品功能單一，定位精度不高，數據傳輸延遲較大，費用昂貴，難于應用于實時性和可靠性要求較高的場合。隨著近兩年來嵌入式系統技術、3G無線通信技術和GPS（Global Positioning System）定位技術等相關技術的不斷發展，利用3G系統本身的技術優勢，通過3G系統提供的輔助功能，擴大GPS系統的可用范圍，快速傳輸GPS定位信息和多媒體信息，將具有重要的意義[2]。 國外發達國家的車載移動終端已相對成熟，而國內還是處于從傳統終端向新型終端轉型的起步階段，各項技術成果的應用還有待完善，特別是在應用于極端復雜環境下的定位精度和數據傳輸實時性、可靠性方面需要很大的改進。因此，針對國內車載移動終端的現狀，本文提出了一種基于3G車載移動終端的GPS定位系統，采用海思Hi3512處理器為核心處理器，以嵌入式Linux為操作系統，結合車載高清攝像頭、電信EV-DO 3G無線通信模塊和具有最新的SIRF starIII芯片組技術的GPS接收模塊等外設，構建了基于嵌入式系統的多功能車載導航系統，并在軟件設計上采用了有效GPS數據無損壓縮技術，減小了數據傳輸量，進一步提高了數據傳輸的實時性，降低了通信費用。實驗結果表明，該系統具有體積小、成本低、定位精度高、實時性強、可靠性高和擴展性好等特點。 1 系統硬件設計 基于3G車載移動終端的GPS定位系統主要由GPS接收模塊、音視頻采集模塊、3G無線通信模塊和地面監控指揮中心等組成。GPS接收模塊接收到定位衛星信號，經過Hi3512中的ARM926EJ-S處理器校驗和提取出有用信息（包括自身所在的地理位置坐標、速度、時間等）后，壓縮打包成符合通信協議的字符串放入全局緩沖區。音視頻采集模塊通過高清攝像頭和拾音器采集到多路音視頻數據，經過Hi3512中的DSP將其壓縮編碼成H.264格式的音視頻復合流數據存入緩沖區。最后，3G無線通信模塊將緩沖區的GPS定位數據和音視頻復合流數據封裝入同一個結構體內，進一步打包成IP數據包發送到基站，再利用基站的無線通信網絡將數據包轉發到地面監控指揮中心。監控指揮中心的專用計算機接收到數據包后，首先解包分離出GPS數據和音視頻數據，并根據需要分別進行存儲。然后將音視頻數據進行解碼和格式轉換，將GPS數據通過地圖匹配技術進行處理，最終在顯示模塊中顯示車輛的運動軌跡和音視頻信號。地面指揮中心的監控人員根據車輛的狀態和位置信息，對車輛進行調度指揮。本系統的硬件結構圖如圖1所示。 
1.1 Hi3512的概述 Hi3512是一款基于ARM926EJ-S處理器內核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有高集成、可編程、支持MPEG-4 AVC/H.264和MJPEG等多協議的優點，支持30 fps DI的H.264/MJPEG同時編解碼或60 fps DI和60 fps CIF的H.264/MJPEG的雙碼流編碼。其內部硬件集成AES、DES、3DES多種加解密算法和數字水印技術，并提供豐富的外圍接口，包括PCI、SDIO、I2C、I2S、SPI、GPIO、IR、UART、USB 1.0 HOST和USB 2.0 OTG等。可廣泛應用于實時視頻通信、數字圖像監控等領域[3]。 1.2 GPS定位模塊 GPS定位模塊通過串行接口與主電路板相連接，負責接收GPS定位衛星發送的導航電文，是實現接收GPS數據的關鍵。GPS模塊的選擇通常從技術參數、支持的通信協議、控制接口和成本幾個方面考慮。本系統中的GPS接收模塊采用LOCOSYS公司生產的SC-1513 GPS接收模塊，接收數據采用NMEA0183格式，波特率設置為4.8 kb/s，支持20通道C/A碼接收控制，可同時監控20路衛星信號。SC-1513 GPS接收模塊有著高靈敏度、低功耗、體積小和性能穩定等特色，采用了最新的SIRF starIII芯片組技術，在大樓林立的都會或濃密的森林環境中都能正常的運作，廣泛應用于車載定位領域[4]。 主芯片Hi3512和SC-1513通過UART口連接，接口配置的輸入標準電壓為3.3 V。硬件接口電路如圖2所示。
1.3 3G無線通信模塊 該系統的3G無線通信模塊采用的是中興公司的MC8630 CDMA EV-DO無線模塊，它具有語音、短信、數據業務和GPS等功能，支持內嵌TCP/IP，RevA數據業務前向峰值數據速率可達3.1 Mb/s，反向峰值數據速率達1.8 Mb/s，可以提供經濟型高速互聯網接入和無線數據等業務。Hi3512和MC8630通過USB口連接，并通過AT指令來控制對采集數據的打包，使用起來非常方便。此外，ARM可以借助3G無線通信模塊強大的數據傳輸功能，實時地進行信息查詢，可以通過互聯網，充分利用網絡資源，享受網絡快捷、方便、全面的服務[5]。 2 系統軟件設計 基于3G車載移動終端的GPS定位系統在軟件部分的設計上主要可以分為6個功能模塊，即初始化模塊、控制模塊、GPS數據獲取和處理模塊、GPS數據壓縮模塊、用戶界面模塊以及通信模塊。 初始化模塊主要實現對串口的初始化及所有的標志位置零。本系統的GPS串口參數需初始化為：波特率設置為4 800 B，無奇偶校驗位，數據位設置為8 bit，停止位為1 bit。控制模塊主要是根據上位機的命令來執行相應的操作，如采集GPS數據、發送當前行車狀態等。用戶界面模塊的主要功能就是把GPS數據及狀態數據等在LED屏上顯示出來，同時還可以響應觸摸屏上的中斷，以便實現通過觸摸屏操作車載中斷的功能。 GPS數據獲取和處理模塊的主要功能就是通過與串口相連的GPS模塊獲取當前的GPS信息，并驗證當前所獲取的GPS信息的有效性和提取所需要的有用信息（包括自身的地理位置坐標、速度、時間等）。 GPS數據壓縮模塊主要采用對硬件資源要求不高、運算量不大、壓縮效率高，適合在嵌入式終端上應用的Huffman編碼技術對有待傳輸的GPS數據進行有效的無損壓縮，不僅節省了數據傳輸時的通信費用，更提高了數據傳輸的實時性。本設計將Huffman編碼的源程序直接嵌入到ARM中，實時地對原文件直接進行概率統計后編碼[6]。一般，GPS定位數據中有大量的重復字符，屬于冗余信息，完全可以去掉。因此，本設計的思想是先去除定位數據中的直觀冗余信息，在此基礎上對照Huffman壓縮編碼表對處理后的數據進行快速壓縮，最后存入數據存儲緩沖區，以便數據的后處理。其中，Huffman壓縮編碼表是由PC對GPS數據中的字符出現的次數進行預先統計后生成，并預存入終端Flash中的。其具體流程圖如圖3所示。
通信模塊的主要任務是完成車載終端與監控指揮中心的無線通信，該設計利用MC8630無線模塊連接3G無線網絡與監控指揮中心進行通信。啟動車載終端的同時，MC8630模塊也會被啟動，這時，該模塊會自動連接上無線網絡進入命令模式，等撥號成功后，該模塊會把存儲區已處理好的GPS數據和音視頻流數據封裝入一個結構體內，打包成IP數據包，通過3G無線網絡發送到監控指揮中心，實現與監控指揮中心的無線通信。 根據以上對功能模塊的描述，本設計軟件部分的主流程圖如圖4所示。
3 系統測試效果 根據上述方案開發的實驗系統在實際運營網絡中進行了測試。目標定位信息接收速率為1 次/s，動態定位精度10 m，測試結果如圖5所示。其能實現動態的視頻傳輸，幀率在10~30 fb/s之間可調，最大分辨率為CIF（352 288），視頻流暢，延遲較小，測試結果如圖6所示。GPS數據經預處理后再編碼的壓縮效果明顯，壓縮比為50%左右，利用MATLAB仿真軟件對測試效果進行最小二乘法曲線擬合，得出了壓縮比隨文件大小的走勢如圖7所示，可以看出壓縮比最初隨文件的增大而略有增大，以后趨于穩定。測試表明，本系統各項性能已達到工業要求，基本實現了設計的目標。
參考文獻 [1] 李艷軍.智能交通疏導系統中新型3G車載移動終端的研究與實現[D].南京：南京郵電大學，2010. [2] 閆興華，王學敏，董爵蘭，等.基于GPS在3G時代應用的分析[J].測繪與空間地理信息，2009（3）：173-175. [3] 中興通訊公司.中興通訊MC8630模塊用戶硬件設計手冊_v1.1[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/028ed41e650e 52ea551898cb.html，2008-12-01. [4] 大辰科技（LOCOSYS）公司.SC_1513_date sheet_v1.4[EB/OL].http：//www.locosystech.com/product.php?zln=ch&id=1.html，2006. [5] 深圳海思半導體有限公司.Hi3511/Hi3512硬件設計用戶指南[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/faa1206e58 fafab069dc02ba.html，2009-03-23. [6] 任維政，徐連明，鄧中亮.民用GPS數據準無損壓縮算法[J].數據采集與處理，2010（2）：245-249. [7] 蘇麗華，趙可萍，崔玥.基于嵌入式ARM-Linux的GPS智能終端設計[J].現代電子技術，2009（12）：25-27. [8] Zhu Feilong， Ming Yang. Design of remote video acquisition system based on 3G[J]. 2011 International Conference on Multimedia Technology（ICMT）， 2011：4909-4912. |
