摘 要： 基于GPS技術，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模塊接發數據、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。測試表明，系統能準確顯示監控對象的位置及圖片信息，相對位置誤差小于2 m。該技術可以應用于視覺導航、車輛防盜、老人/小孩定位、犯人管理等領域。
關鍵詞： 可視化；GPS衛星定位；GSM/GPRS通信；OV2640圖像傳感器
全球定位系統GPS[1]是目前最先進的衛星導航定位系統, GPS衛星定位技術已經普遍應用于車輛防盜、人員定位等領域。但傳統的GPS設備定位精度低、不能傳輸圖像和續航能力有限等問題突出，雖然衛星系統可以查看道路信息，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很有必要。
針對以上問題，本文設計了一種基于OV2640傳感器的定位系統，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]，降低了圖像的數據量，圖像數據的發送時間大大降低。同時針對電源續航的問題，提出了以太陽能供電的方式為系統供電，確保系統不會因為電源問題而停止工作，為系統的長時定位提供最有力的保障。
1 系統硬件電路設計
定位系統主要由6個模塊構成，其硬件結構框圖如圖1所示。
1.1 單片機控制模塊
單片機控制模塊對GPS定位數據進行分析，并根據用戶的設置做出相應的處理。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8051；具有8路高速10位A/D轉換，60 KB的Flash程序存儲器和1 280 B的片內RAM，應用于定位系統中非常理想；內部集成MAX810專業復位電路，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需要一個穩定的電源供電才能正常工作，因此電源管理模塊的設計對系統的工作起著至關重要的作用[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，防止系統在電源耗盡時無法查詢到被保護對象的信息，提高系統的長時可靠性，太陽能充電電路的設計可參閱參考文獻[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、驅動電路、紅外LED，如圖3所示。從OV2640獲取圖像數據，需要用到的信號線包括：8位數據總線、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，表示一幀數據已經準備就緒；當電平翻轉時，則表明一幀圖像數據傳輸開始。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，在電路的設計中添加了紅外LED。
1.4 GPS衛星定位模塊
衛星定位模塊主要負責接收定位數據，本設計選用瑞士U-blox公司的第6代高靈敏度小型化NEO-6M衛星定位接收模塊，其具有多達50個通道衛星接收功能，同步追蹤GPS衛星信號；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(標準設定為4 800 b/s)；該芯片的定位精度在2.5 m以內；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計。衛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。其作用是實現被保護對象與監控用戶之間的數據通信。系統采用SIMCOM公司的SIM300模塊，支持AT命令集實現雙向傳輸指令和數據，通過運用2 B的UNICODE編碼（USC2）的協議數據單元PDU（Protocol Data Unit）編碼實現與業務應用模塊的通信。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通信模塊的設計可參閱參考文獻[7]。
1.6 數據接口電路
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串口設計的電平轉換電路，它利用電荷泵倍壓器電路，可以將5 V的供電電壓轉換成正負電壓的電器特性，可以實現在單電源供電情況下的正負電源的應用[8]。
2 主要軟件設計
本系統設計的編程環境是Keil C51，整個系統的軟件編程采用模塊化的設計思路。當需要查看保護對象的定位信息時，可以發送短信到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模塊發回到監控用戶的手機上；為了彌補GPS存在的誤差，可以使用系統中的圖像采集電路，將采集到的圖像數據通過GPRS網絡發送到手機上顯示。系統的程序主要包括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向串口發送一串字符串，根據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$GPGGA開頭方式。為了保證接收到的是有效的數據，必須對語句進行判斷，判斷是否以“$GPGGA”語句為開頭。如果無效，則丟棄數據包，讀取下一次的定位數據。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位總線數據，等待VSYNC由高電平變成低電平時，將存入內存的數據經GSM模塊發送出去，完成圖像數據的采集與發送。圖像采集流程如圖7所示。
3 測試結果與性能分析
3.1 定位精度測試
對所開發的定位系統進行試驗，測試地點為金華城區，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，與測試系統在同一位置得到的6個點的坐標進行對比，測試結果如表1所示。
3.2 圖像采集測試
圖像數據幀的起始標志為0XFFD8，結束標志為0XFFD9。盡管圖片經過壓縮，但還是得到較為清晰的圖像，如圖8所示。
實驗結果表明，用本文系統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；圖像數據也較為清晰，實現了實時實地的圖像采集；系統運行穩定，在整個測試過程中無任何自動關機、死機等現象發生；太陽能充電電路也能保證非常好的續航，其發熱性和抗干擾性能均反應正常。該技術可以應用于視覺導航、車輛防盜、老人、小孩定位、犯人管理等領域，經濟效益顯著，具有較好的市場競爭力。
參考文獻
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