基于BBB平臺的車載定位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉博，楊斌

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610031）

引 言

隨著人們生活水平不斷提高，私家車越來越多地走進(jìn)了平常百姓家。這樣就引發(fā)了一個嚴(yán)重的社會問題，車輛被盜的情況越來越多，在這個趨勢下車載定位監(jiān)控系統(tǒng)越來越得到廣大車主關(guān)注。車載定位監(jiān)控系統(tǒng)可以時時刻刻保護(hù)車輛的財產(chǎn)安全。這種車輛安防系統(tǒng)將會是汽車租賃公司、汽車廠商保護(hù)車輛安全的合理解決方案。

1 硬件平臺

1.1 BeagleBone Black開發(fā)板

中國版BeagleBone Black（BBB）是英蓓特科技有限公司推出的一款基于AM3359處理器的開源開發(fā)套件。處理器集成了4 GHz的ARM Cortex-A8內(nèi)核，并提供了豐富的外設(shè)接口。中國版BBB的擴(kuò)展接口包括網(wǎng)口、USB Host、USB OTG、TF卡接口、串口、JTAG 接口（默認(rèn)不焊）、HDMI D Type接口、e MMC、ADC、I2C、SPI、PWM 和LCD屏接口。通用接口包括4組通用輸入輸出接口（GPIO），每一組GPIO模組提供32個專用的通用接口輸入輸出引腳，因此通用的GPIO有128個引腳。可編程實時單元和工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）包含了兩個32位RISC內(nèi)核（可編程實時單元，即PRUs）、存儲器、終端控制器，以及能夠支持更多周邊接口和協(xié)議的內(nèi)部外設(shè)。圖1為BeagleBone Black開發(fā)板。

1.2 SIM908開發(fā)板

圖1 BeagleBone Black開發(fā)板

圖2為SIM908開發(fā)板。SIM908是一款集成GPS導(dǎo)航技術(shù)的四頻GSM/GPRS 模 塊。模塊結(jié)構(gòu)緊湊，將GPRS和GPS整合在SMT封裝里。開發(fā)板擁有一個GSM控制串口和GPS控制串口。GSM控制串口可以控制開發(fā)板工作狀態(tài)，開啟相應(yīng)的功能，GPS控制串口功能為讀取GPS數(shù)據(jù)。SIM908開發(fā)板可以實現(xiàn)GPS定位和GPRS數(shù)據(jù)的傳輸。

1.3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

整個系統(tǒng)共分為3個部分，如圖3所示。第一部分為車載監(jiān)控終端，由SIM908和BBB開發(fā)板構(gòu)成，SIM908負(fù)責(zé)GPS數(shù)據(jù)的采集，并通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，BBB開發(fā)板負(fù)責(zé)GPS數(shù)據(jù)處理和SIM908工作狀態(tài)的控制。第二部分為移動基站，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)交互。第三部分為系統(tǒng)的PC操作上位機(jī)，顯示車輛位置信息。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)建

系統(tǒng)軟件構(gòu)建如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件構(gòu)建圖

2.2 PC上位機(jī)軟件實現(xiàn)

2.2.1 基于QT實現(xiàn)上位機(jī)

在PC操作上位機(jī)，有兩個Qt Web Kit控件分別用來顯示Google地圖和Baidu地圖、一個IP地址輸入對話框、當(dāng)前GPS信息顯示欄等。窗口界面的設(shè)計比較簡單，在這里主要介紹數(shù)據(jù)的處理和內(nèi)部的信號機(jī)制。在QT編程中應(yīng)用最廣泛的應(yīng)該是信號、槽。信號顧名思義，就是一種聲明消息，當(dāng)按鈕等觸發(fā)事件發(fā)生的時候，監(jiān)聽的特定槽函數(shù)就可以運行，對指定的數(shù)據(jù)操作進(jìn)行處理。

在本系統(tǒng)中SIGNAL readyRead（）是TCP通信中特定的信號，它的意義就是當(dāng)前的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備妥當(dāng)，可以進(jìn)行讀取，這個時候就可以觸發(fā)槽函數(shù)void readdata（）對網(wǎng)絡(luò)傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。同樣，系統(tǒng)中聲明了很多槽函數(shù)和信號觸發(fā)，SIGNAL connected（）是指當(dāng)TCP通信建立成功后觸發(fā)connectfinished（）函數(shù)，告訴用戶連接成功。當(dāng)連接成功后就開始對獲取的GPS進(jìn)行解析，然后通過QT的QtWeb Kit與JavaScript的交互分別在Google和Baidu地圖上描點顯示，并在旁邊的GPS數(shù)據(jù)欄中顯示當(dāng)前GPS數(shù)據(jù)信息。

2.2.2 GPS數(shù)據(jù)解析原理

GPS數(shù)據(jù)格式如下：＄GPGGA，092204.999，4250.5589，S，14718.5084，E，1，04，24.4，19.7，M，，，，0000＊1F

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0，如果不是差分定位將為空）。

字段13：校驗值。

程序設(shè)計中，首先應(yīng)用字符串查找函數(shù)對GPGGA字段進(jìn)行查找，然后分別對其進(jìn)行相應(yīng)處理，處理過程中會運用數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。比如string和double，應(yīng)用string庫函數(shù)atof進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)數(shù)據(jù)處理結(jié)束之后，就可以應(yīng)用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖定位。

2.2.3 在線地圖加載

QWeb View類提供了一個可以展現(xiàn)和編輯網(wǎng)頁文檔的widget。QWeb View是Qt Web Kit網(wǎng)頁瀏覽模塊的一個主要widget組件，可以用它來展現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁。Qt Designer中創(chuàng)建的一個QWeb View，可以使用QWeb View的load（）方法來加載一個網(wǎng)站，如load（QUrl（"googlemap.html"））同其他所有QT的widget一樣，需要調(diào)用show（）方法才會顯示出QWeb View。QWeb View除了用load方法設(shè)定網(wǎng)頁路徑外，也可以使用set Html方法加載html格式的網(wǎng)頁，如set Url（QUrl（"baidumap.html"））。網(wǎng)頁文件加載之后，開啟QWeb View的JS功能，這樣就可以實現(xiàn)與網(wǎng)頁文件進(jìn)行JS交互應(yīng)用了。

2.2.4 QtWebKit與JavaScript交互實現(xiàn)地圖定位

QT與JavaScript互調(diào)是通過QWebFrame的兩個函數(shù)來實現(xiàn)的：add ToJavaScript Window Object（）將 QObject對象傳給JS，這樣JS就能調(diào)用QObject的public slots函數(shù)。QT通過evaluateJavaScript（）直接調(diào)用JS中的函數(shù)，QWeb Kit與JavaScript交互原理圖如圖5所示。當(dāng)GPS數(shù)據(jù)被解析之后通過如下的函數(shù)進(jìn)行交互：

其中BaiDu＿M(jìn)ark（）為網(wǎng)頁中的JavaScript功能函數(shù)，如下所示：

圖5 QtWeb Kit與JavaScript交互原理圖

2.3 車載終端實現(xiàn)

2.3.1 BBB串口驅(qū)動和設(shè)備樹的實現(xiàn)

Device Tree是一種描述硬件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，起源于OpenFirmware（OF）。在Linux 2.6中，ARM架構(gòu)的硬件細(xì)節(jié)過多地被硬編碼在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx中，采用Device Tree后，許多硬件的細(xì)節(jié)可以直接通過它傳遞給Linux，而不需要在kernel中進(jìn)行大量的冗余編碼。device tree有3種格式：一個是方便閱讀的源文件＊.dts（device tree source），另兩個是經(jīng)過編譯送給系統(tǒng)使用的文件＊.dtb（device tree blob）和＊.dtbo（device tree blob overlay）。BBB上有UART1～UART5共5個可用的UART串口，配置＊.dts源文件。在/lib/firmware目 錄 中 創(chuàng) 建 設(shè) 備 樹 源 文 件/lib/firmware/BBUART1-00A0.dts。以UART1為例：

P9.24和P9.26分別用作txd和rxd引腳。編譯＊.dts文件：dtc-I dts-O dtb-＠ BB-UART1-00A0.dts＞ BBUART1-00A0.dtbo

加載dtbo文件BeagleBone Black中用cape manager軟 件 管 理 所 有 的 cape，目 錄 是/sys/devices/bone＿capemgr.8/。這個目錄內(nèi)有一個叫做slots的文件，是capemgr軟件的對外接口。加載cape：

echo BB-UART1＞/sys/devices/bone＿capemgr.8/slots

slot是“插槽”的意思，要插上一個cape，就要向這個“插槽”里“插入”（echo）相應(yīng)的設(shè)備，echo的含義是“向標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備輸出”。同樣也可以在程序中調(diào)用system終端命令掛載device tree來啟動UART1：system（"echo BB-UART1＞＄SLOTS"）

通過以上的配置我們就可以方便地使用串口了。

2.3.2 GPS數(shù)據(jù)采集線程

GPS數(shù)據(jù)采集線程就是所謂的生產(chǎn)者，它主要的工作是不間斷地對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后通知數(shù)據(jù)發(fā)送線程將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送。

在GPS采集線程中應(yīng)用了Linux的特色功能異步I/O，Linux異步I/O是Linux2.6版本內(nèi)核的一個標(biāo)準(zhǔn)特性，異步I/O背后的基本思想是允許進(jìn)程發(fā)起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍后在接收到I/O操作完成的通知時，進(jìn)程就可以檢索I/O操作的結(jié)果。在一個CPU密集型的應(yīng)用中，需要預(yù)先知道這些數(shù)據(jù)的位置，所以預(yù)先發(fā)起異步I/O讀請求。等到真正需要用到這些數(shù)據(jù)的時候，再等待異步I/O完成。使用了異步I/O，在發(fā)起I/O請求到實際使用數(shù)據(jù)這段時間內(nèi)，CPU還可以繼續(xù)做其他事情。這樣就可以很好地應(yīng)用CPU的資源，讓應(yīng)用程序更加合理有效地運行。串口數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，GPS數(shù)據(jù)采集線程就可以將準(zhǔn)備好的GPS數(shù)據(jù)放入事先申請的隊列中，并發(fā)送信號給發(fā)送線程，告知采集成功。

2.3.3 GPS數(shù)據(jù)發(fā)送線程

SIM908模塊的GPRS發(fā)送模式一共有兩個，分別是非透傳模式和透傳模式，其中非透傳模式具有支持多連接的功能。但是在編程處理時選擇了透傳模式，透傳模式下在設(shè)置生效、連接好網(wǎng)絡(luò)端之后，就可以直接傳輸數(shù)據(jù)了。如“AT＋CIPMODE＝1”設(shè)置透傳模式，“AT＋CIPSTART＝"TCP"，"119.129.252.148"，8080”建 立 TCP/IP連接或UDP，透傳模式下建立好連接后就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)，無需發(fā)送指令即可相互發(fā)送數(shù)據(jù)。

GPS數(shù)據(jù)發(fā)送線程就是所謂的消費者，它主要負(fù)責(zé)將準(zhǔn)備好的GPS數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)的終端，當(dāng)GPS數(shù)據(jù)發(fā)送線程接到GPS數(shù)據(jù)采集線程的信號后，就會訪問內(nèi)存，將內(nèi)存隊列中的數(shù)據(jù)通過Socket套接字發(fā)送到客戶端，然后發(fā)送一個信號給GPS數(shù)據(jù)采集線程，告之已經(jīng)成功發(fā)送，可以再次采集數(shù)據(jù)。

3 測 試

當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端程序開啟的時候，首先將GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后在地圖上描點。監(jiān)控端地圖定位如圖6所示，圖中的左半部分為百度地圖的定位顯示，右半部分為谷歌地圖的定位顯示，用兩個地圖進(jìn)行對比，從而獲得更加合理的定位顯示。監(jiān)控端衛(wèi)星定位圖示如圖7所示，地圖中標(biāo)定的位置為西南交通大學(xué)0號實驗樓。

結(jié) 語

本系統(tǒng)使用GPRS作為GPS車輛綜合監(jiān)控調(diào)度管理系統(tǒng)的無線傳輸手段，具有費用低、無需線纜施工及安全可靠、維護(hù)方便的特點，是一種經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)成熟的系統(tǒng)構(gòu)建方案。通過實際檢驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠較精確地完成車輛監(jiān)控，操作簡單方便。

圖7 監(jiān)控端衛(wèi)星定位圖示

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