摘  要： 基于GPS技術(shù),，以太陽能進行輔助供電,、以STC12C5A60S2單片機為控制器的核心、GPS接收模塊U-blox NEO-6M接收GPS信號,、GSM/GPRS模塊接發(fā)數(shù)據(jù),、具有JPEG壓縮功能的CMOS圖像傳感器OV2640進行圖像處理，成功研制出成本低廉,、測量精度較高,、具有可視化功能的定位系統(tǒng)。測試表明,，系統(tǒng)能準確顯示監(jiān)控對象的位置及圖片信息,，相對位置誤差小于2 m。該技術(shù)可以應用于視覺導航,、車輛防盜,、老人/小孩定位、犯人管理等領(lǐng)域,。

　　關(guān)鍵詞： 可視化,；GPS衛(wèi)星定位；GSM/GPRS通信,；OV2640圖像傳感器

　　全球定位系統(tǒng)GPS[1]是目前最先進的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng), GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)普遍應用于車輛防盜,、人員定位等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的GPS設(shè)備定位精度低,、不能傳輸圖像和續(xù)航能力有限等問題突出,，雖然衛(wèi)星系統(tǒng)可以查看道路信息，但由于其本身固有的缺陷,，所拍攝的照片都是從上往下式的,，而且是非實時的路況信息。因此研制一種定位精確,、可視化,、采用新型能源供電的定位系統(tǒng)很有必要。

　　針對以上問題,，本文設(shè)計了一種基于OV2640傳感器的定位系統(tǒng),，以圖片信息加以輔助定位。OV2640可以直接輸出壓縮的JPEG格式圖像[2],，降低了圖像的數(shù)據(jù)量,，圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送時間大大降低。同時針對電源續(xù)航的問題,，提出了以太陽能供電的方式為系統(tǒng)供電,，確保系統(tǒng)不會因為電源問題而停止工作，為系統(tǒng)的長時定位提供最有力的保障。

　　1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　定位系統(tǒng)主要由6個模塊構(gòu)成,，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

　　1.1 單片機控制模塊

　　單片機控制模塊對GPS定位數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)用戶的設(shè)置做出相應的處理,。單片機控制電路選用STC12C5A60S2單片機,，它是1個時鐘/機器周期、低成本,、低功耗,、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,；具有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換,，60 KB的Flash程序存儲器和1 280 B的片內(nèi)RAM，應用于定位系統(tǒng)中非常理想,；內(nèi)部集成MAX810專業(yè)復位電路，提高了電路的整體可靠性[3],。STC12C5A60S2與通信電路通信連接如圖2所示,。

　　1.2 電源管理模塊

　　MCU需要一個穩(wěn)定的電源供電才能正常工作，因此電源管理模塊的設(shè)計對系統(tǒng)的工作起著至關(guān)重要的作用[4],。電源管理模塊主要分為太陽能充電電路和供電控制電路,。太陽能充電電路由單晶硅太陽能電池片和充電電路組成，防止系統(tǒng)在電源耗盡時無法查詢到被保護對象的信息,，提高系統(tǒng)的長時可靠性,，太陽能充電電路的設(shè)計可參閱參考文獻[5]。

　　供電控制電路由9 V鋰電池提供電源,，由LM2576S,、MIC29302和AMS1117作為電壓轉(zhuǎn)換芯片，分別輸出5 V,、4.2 V和3.3 V為單片機模塊,、GSM/GPRS模塊、GPS模塊和攝像頭供電,。

　　1.3 圖像采集模塊

　　圖像采集模塊包括CMOS圖像傳感器OV2640,、驅(qū)動電路、紅外LED,，如圖3所示,。從OV2640獲取圖像數(shù)據(jù)，需要用到的信號線包括：8位數(shù)據(jù)總線,、幀同步信號VSYNC,、行同步信號HREF、像素同步信號PCLK[6]，其時序圖如圖4所示,。當VSYNC為高電平時,，表示一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)準備就緒；當電平翻轉(zhuǎn)時,，則表明一幀圖像數(shù)據(jù)傳輸開始,。當HREF無效時，則不輸出像素同步信號,。為了使OV2640獲得夜間拍攝能力,，在電路的設(shè)計中添加了紅外LED。

　　1.4 GPS衛(wèi)星定位模塊

　　衛(wèi)星定位模塊主要負責接收定位數(shù)據(jù),，本設(shè)計選用瑞士U-blox公司的第6代高靈敏度小型化NEO-6M衛(wèi)星定位接收模塊,，其具有多達50個通道衛(wèi)星接收功能，同步追蹤GPS衛(wèi)星信號,；并有多個電源工作模式可供選擇以降低功耗,；串口通信波特率(b/s)有4 800、9 600,、38 400,、57 600四檔(標準設(shè)定為4 800 b/s)；該芯片的定位精度在2.5 m以內(nèi),；接收靈敏度冷啟動為-144 dBm,、跟蹤靈敏度為-160 dBm、捕獲靈敏度為-160 dBm,，因此非常適合本次設(shè)計,。衛(wèi)星定位模塊電路圖如圖5所示。

　　1.5 GSM/GPRS通信模塊

　　GSM/GPRS通信模塊包括SIM卡電路和GSM電路,。其作用是實現(xiàn)被保護對象與監(jiān)控用戶之間的數(shù)據(jù)通信,。系統(tǒng)采用SIMCOM公司的SIM300模塊，支持AT命令集實現(xiàn)雙向傳輸指令和數(shù)據(jù),，通過運用2 B的UNICODE編碼（USC2）的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocol Data Unit）編碼實現(xiàn)與業(yè)務應用模塊的通信,。工作在EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz和PCS 1 900 MHz 3個頻段,，支持中文短信和彩信（SMS）,。GSM/GPRS通信模塊的設(shè)計可參閱參考文獻[7]。

　　1.6 數(shù)據(jù)接口電路

　　STC12C5A60S2單片機與GPS接收機,、GSM模塊通信采用MAX232芯片,，通過MAX232口可以完成對GPS接收機和GSM模塊的配置。而MAX232接口芯片是專門為PC和RS232串口設(shè)計的電平轉(zhuǎn)換電路,，它利用電荷泵倍壓器電路,，可以將5 V的供電電壓轉(zhuǎn)換成正負電壓的電器特性，可以實現(xiàn)在單電源供電情況下的正負電源的應用[8]。

　　2 主要軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)設(shè)計的編程環(huán)境是Keil C51,，整個系統(tǒng)的軟件編程采用模塊化的設(shè)計思路,。當需要查看保護對象的定位信息時，可以發(fā)送短信到GSM模塊,，通過串口使單片機接收到信號后,，控制GPS接收器接收對象的位置信息，并將接收到的位置信息傳送給單片機后,，再通過GSM模塊發(fā)回到監(jiān)控用戶的手機上,；為了彌補GPS存在的誤差，可以使用系統(tǒng)中的圖像采集電路,，將采集到的圖像數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到手機上顯示,。系統(tǒng)的程序主要包括GPS模塊程序和圖像采集模塊程序。

　　2.1 GPS模塊程序

　　GPS接收機每隔1 s向串口發(fā)送一串字符串,，根據(jù)GPS接收器模塊型號的不同,，字符串的開頭字段也不同，主要有$GPRMC和$GPGGA等[9],。U-blox NEO-6M采用的是$GPGGA開頭方式,。為了保證接收到的是有效的數(shù)據(jù)，必須對語句進行判斷,，判斷是否以“$GPGGA”語句為開頭。如果無效,，則丟棄數(shù)據(jù)包,，讀取下一次的定位數(shù)據(jù)。GPS定位流程如圖6所示,。

　　2.2 圖像采集程序

　　通過VSYNC為高電平時判斷一幀圖像的起始位置,。當PCLK為下降沿時讀取8位總線數(shù)據(jù)，等待VSYNC由高電平變成低電平時,，將存入內(nèi)存的數(shù)據(jù)經(jīng)GSM模塊發(fā)送出去,，完成圖像數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。圖像采集流程如圖7所示,。

　　3 測試結(jié)果與性能分析

　　3.1 定位精度測試

　　對所開發(fā)的定位系統(tǒng)進行試驗,，測試地點為金華城區(qū)，測試包含有隧道,、山頂,、市中心等6個情況較復雜的地點。用專業(yè)高精度的GPS接收機測定這6個點的位置坐標作為標準值,，與測試系統(tǒng)在同一位置得到的6個點的坐標進行對比,，測試結(jié)果如表1所示。

　　3.2 圖像采集測試

　　圖像數(shù)據(jù)幀的起始標志為0XFFD8，結(jié)束標志為0XFFD9,。盡管圖片經(jīng)過壓縮,，但還是得到較為清晰的圖像，如圖8所示,。

　　實驗結(jié)果表明,，用本文系統(tǒng)采集得到的位置信息與標準值的誤差不超過2 m，其誤差主要是由GPS本身的誤差所導致的,。若采用更高頻的GPS（20 Hz以上）接收模塊,，可進一步提高精度；圖像數(shù)據(jù)也較為清晰,，實現(xiàn)了實時實地的圖像采集,；系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在整個測試過程中無任何自動關(guān)機,、死機等現(xiàn)象發(fā)生,；太陽能充電電路也能保證非常好的續(xù)航，其發(fā)熱性和抗干擾性能均反應正常,。該技術(shù)可以應用于視覺導航,、車輛防盜、老人,、小孩定位,、犯人管理等領(lǐng)域，經(jīng)濟效益顯著,，具有較好的市場競爭力,。

　　參考文獻

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