摘  要： 基于GPS技術(shù)，以太陽能進(jìn)行輔助供電,、以STC12C5A60S2單片機(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)時(shí)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(jì)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(shí)間大大降低,。同時(shí)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(huì)因?yàn)殡娫磫栴}而停止工作,，為系統(tǒng)的長時(shí)定位提供最有力的保障。

　　1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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

　　1.1 單片機(jī)控制模塊

　　單片機(jī)控制模塊對GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)用戶的設(shè)置做出相應(yīng)的處理,。單片機(jī)控制電路選用STC12C5A60S2單片機(jī),，它是1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期、低成本,、低功耗,、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，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(gè)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(jì)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(shí)無法查詢到被保護(hù)對象的信息,，提高系統(tǒng)的長時(shí)可靠性，太陽能充電電路的設(shè)計(jì)可參閱參考文獻(xiàn)[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(jī)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(dòng)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(shí)序圖如圖4所示。當(dāng)VSYNC為高電平時(shí),，表示一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒,；當(dāng)電平翻轉(zhuǎn)時(shí)，則表明一幀圖像數(shù)據(jù)傳輸開始,。當(dāng)HREF無效時(shí),，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(jì)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(fù)責(zé)接收定位數(shù)據(jù),，本設(shè)計(jì)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(dá)50個(gè)通道衛(wèi)星接收功能，同步追蹤GPS衛(wèi)星信號；并有多個(gè)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(dòng)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(jì),。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(shí)現(xiàn)被保護(hù)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(shí)現(xiàn)雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，通過運(yùn)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(shí)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(gè)頻段，支持中文短信和彩信（SMS）,。GSM/GPRS通信模塊的設(shè)計(jì)可參閱參考文獻(xiàn)[7],。

　　1.6 數(shù)據(jù)接口電路

　　STC12C5A60S2單片機(jī)與GPS接收機(jī)、GSM模塊通信采用MAX232芯片,，通過MAX232口可以完成對GPS接收機(jī)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(jì)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(fù)電壓的電器特性,，可以實(shí)現(xiàn)在單電源供電情況下的正負(fù)電源的應(yīng)用[8]。

　　2 主要軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的編程環(huán)境是Keil C51,，整個(gè)系統(tǒng)的軟件編程采用模塊化的設(shè)計(jì)思路,。當(dāng)需要查看保護(hù)對象的定位信息時(shí)，可以發(fā)送短信到GSM模塊,，通過串口使單片機(jī)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(jī)后,，再通過GSM模塊發(fā)回到監(jiān)控用戶的手機(jī)上,；為了彌補(bǔ)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(jī)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(jī)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$GPGGA開頭方式,。為了保證接收到的是有效的數(shù)據(jù),，必須對語句進(jìn)行判斷，判斷是否以“$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(shí)判斷一幀圖像的起始位置。當(dāng)PCLK為下降沿時(shí)讀取8位總線數(shù)據(jù),，等待VSYNC由高電平變成低電平時(shí),，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(jìn)行試驗(yàn)，測試地點(diǎn)為金華城區(qū),，測試包含有隧道,、山頂、市中心等6個(gè)情況較復(fù)雜的地點(diǎn),。用專業(yè)高精度的GPS接收機(jī)測定這6個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步提高精度,；圖像數(shù)據(jù)也較為清晰，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)實(shí)地的圖像采集,；系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,，在整個(gè)測試過程中無任何自動(dòng)關(guān)機(jī),、死機(jī)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(jì)效益顯著，具有較好的市場競爭力,。

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