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(zhǔn)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(yīng)用于視覺導(dǎo)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(dǎo)航定位系統(tǒng), GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于定位系統(tǒng)中非常理想；內(nèi)部集成MAX810專業(yè)復(fù)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(dāng)VSYNC為高電平時，表示一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒；當(dāng)電平翻轉(zhuǎn)時，則表明一幀圖像數(shù)據(jù)傳輸開始。當(dāng)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(zé)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(biāo)準(zhǔn)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(wù)應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(luò)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(dāng)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(fù)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(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)值，與測試系統(tǒng)在同一位置得到的6個點的坐標(biāo)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(biāo)志為0XFFD8，結(jié)束標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)值的誤差不超過2 m，其誤差主要是由GPS本身的誤差所導(dǎo)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(yīng)正常。該技術(shù)可以應(yīng)用于視覺導(dǎo)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

　　[1] 張光華.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)輔助與增強定位技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

　　[2] 管鳳旭，姜智超，吳秋雨，等.指靜脈與折痕雙模態(tài)圖像采集系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(2)：124-127.

　　[3] 張歡，鈕文良，王淑英，等.太陽能充電系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，22(4)：54-58.

　　[4] 于靜，車俊鐵，張吉月.太陽能發(fā)電技術(shù)綜述[J].世界科技研究與發(fā)展，2008，30(1)：56-59.

　　[5] 朱剛.基于GSM/GPS汽車防盜系統(tǒng)的設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

　　[6] 系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(2)：73-76，79.

　　[7] 胡敏.基于ZigBee的電動車遙控防盜系統(tǒng)的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2012.

　　[8] 張娟.基于移動定位技術(shù)的公安巡防管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

　　[9] 束劍.基于GSM/GPS的嵌入式汽車防盜系統(tǒng)的實現(xiàn)與研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.