基于BBB平台的车载定位监控系统设计

刘博，杨斌

（西南交通大学 信息科学与技术学院，成都610031）

引 言

随着人们生活水平不断提高，私家车越来越多地走进了平常百姓家。这样就引发了一个严重的社会问题，车辆被盗的情况越来越多，在这个趋势下车载定位监控系统越来越得到广大车主关注。车载定位监控系统可以时时刻刻保护车辆的财产安全。这种车辆安防系统将会是汽车租赁公司、汽车厂商保护车辆安全的合理解决方案。

1 硬件平台

1.1 BeagleBone Black开发板

中国版BeagleBone Black（BBB）是英蓓特科技有限公司推出的一款基于AM3359处理器的开源开发套件。处理器集成了4 GHz的ARM Cortex-A8内核，并提供了丰富的外设接口。中国版BBB的扩展接口包括网口、USB Host、USB OTG、TF卡接口、串口、JTAG 接口（默认不焊）、HDMI D Type接口、e MMC、ADC、I2C、SPI、PWM 和LCD屏接口。通用接口包括4组通用输入输出接口（GPIO），每一组GPIO模组提供32个专用的通用接口输入输出引脚，因此通用的GPIO有128个引脚。可编程实时单元和工业通信子系统（PRU-ICSS）包含了两个32位RISC内核（可编程实时单元，即PRUs）、存储器、终端控制器，以及能够支持更多周边接口和协议的内部外设。图1为BeagleBone Black开发板。

1.2 SIM908开发板

图1 BeagleBone Black开发板

图2为SIM908开发板。SIM908是一款集成GPS导航技术的四频GSM/GPRS 模 块。模块结构紧凑，将GPRS和GPS整合在SMT封装里。开发板拥有一个GSM控制串口和GPS控制串口。GSM控制串口可以控制开发板工作状态，开启相应的功能，GPS控制串口功能为读取GPS数据。SIM908开发板可以实现GPS定位和GPRS数据的传输。

1.3 系统硬件架构

整个系统共分为3个部分，如图3所示。第一部分为车载监控终端，由SIM908和BBB开发板构成，SIM908负责GPS数据的采集，并通过GPRS数据传输功能发送GPS数据，BBB开发板负责GPS数据处理和SIM908工作状态的控制。第二部分为移动基站，负责数据的转发交互。第三部分为系统的PC操作上位机，显示车辆位置信息。

图3 系统硬件架构图

2 软件设计

2.1 系统软件构建

系统软件构建如图4所示。

图4 系统软件构建图

2.2 PC上位机软件实现

2.2.1 基于QT实现上位机

在PC操作上位机，有两个Qt Web Kit控件分别用来显示Google地图和Baidu地图、一个IP地址输入对话框、当前GPS信息显示栏等。窗口界面的设计比较简单，在这里主要介绍数据的处理和内部的信号机制。在QT编程中应用最广泛的应该是信号、槽。信号顾名思义，就是一种声明消息，当按钮等触发事件发生的时候，监听的特定槽函数就可以运行，对指定的数据操作进行处理。

在本系统中SIGNAL readyRead（）是TCP通信中特定的信号，它的意义就是当前的数据已经准备妥当，可以进行读取，这个时候就可以触发槽函数void readdata（）对网络传输来的数据进行读取。同样，系统中声明了很多槽函数和信号触发，SIGNAL connected（）是指当TCP通信建立成功后触发connectfinished（）函数，告诉用户连接成功。当连接成功后就开始对获取的GPS进行解析，然后通过QT的QtWeb Kit与JavaScript的交互分别在Google和Baidu地图上描点显示，并在旁边的GPS数据栏中显示当前GPS数据信息。

2.2.2 GPS数据解析原理

GPS数据格式如下：＄GPGGA，092204.999，4250.5589，S，14718.5084，E，1，04，24.4，19.7，M，，，，0000＊1F

字段0：＄GPGGA，语句ID，表明该语句为Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息。

字段1：UTC时间，hhmmss.sss，时分秒格式。

字段2：纬度ddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）。

字段3：纬度N（北纬）或S（南纬）。

字段4：经度dddmm.mmmm，度分格式（前导位数不足则补0）。

字段5：经度E（东经）或 W（西经）。

字段6：GPS状态，0＝未定位，1＝非差分定位，2＝差分定位，3＝无效PPS，6＝正在估算。

字段7：正在使用的卫星数量（00～12）（前导位数不足则补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：地球椭球面相对大地水准面的高度。

字段11：差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）。

字段12：差分站ID号0000～1023（前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空）。

字段13：校验值。

程序设计中，首先应用字符串查找函数对GPGGA字段进行查找，然后分别对其进行相应处理，处理过程中会运用数据的相互转换。比如string和double，应用string库函数atof进行相应的转换。当数据处理结束之后，就可以应用GPS数据进行地图定位。

2.2.3 在线地图加载

QWeb View类提供了一个可以展现和编辑网页文档的widget。QWeb View是Qt Web Kit网页浏览模块的一个主要widget组件，可以用它来展现互联网网页。Qt Designer中创建的一个QWeb View，可以使用QWeb View的load（）方法来加载一个网站，如load（QUrl（"googlemap.html"））同其他所有QT的widget一样，需要调用show（）方法才会显示出QWeb View。QWeb View除了用load方法设定网页路径外，也可以使用set Html方法加载html格式的网页，如set Url（QUrl（"baidumap.html"））。网页文件加载之后，开启QWeb View的JS功能，这样就可以实现与网页文件进行JS交互应用了。

2.2.4 QtWebKit与JavaScript交互实现地图定位

QT与JavaScript互调是通过QWebFrame的两个函数来实现的：add ToJavaScript Window Object（）将 QObject对象传给JS，这样JS就能调用QObject的public slots函数。QT通过evaluateJavaScript（）直接调用JS中的函数，QWeb Kit与JavaScript交互原理图如图5所示。当GPS数据被解析之后通过如下的函数进行交互：

其中BaiDu＿Mark（）为网页中的JavaScript功能函数，如下所示：

图5 QtWeb Kit与JavaScript交互原理图

2.3 车载终端实现

2.3.1 BBB串口驱动和设备树的实现

Device Tree是一种描述硬件的数据结构，起源于OpenFirmware（OF）。在Linux 2.6中，ARM架构的硬件细节过多地被硬编码在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx中，采用Device Tree后，许多硬件的细节可以直接通过它传递给Linux，而不需要在kernel中进行大量的冗余编码。device tree有3种格式：一个是方便阅读的源文件＊.dts（device tree source），另两个是经过编译送给系统使用的文件＊.dtb（device tree blob）和＊.dtbo（device tree blob overlay）。BBB上有UART1～UART5共5个可用的UART串口，配置＊.dts源文件。在/lib/firmware目 录 中 创 建 设 备 树 源 文 件/lib/firmware/BBUART1-00A0.dts。以UART1为例：

P9.24和P9.26分别用作txd和rxd引脚。编译＊.dts文件：dtc-I dts-O dtb-＠ BB-UART1-00A0.dts＞ BBUART1-00A0.dtbo

加载dtbo文件BeagleBone Black中用cape manager软 件 管 理 所 有 的 cape，目 录 是/sys/devices/bone＿capemgr.8/。这个目录内有一个叫做slots的文件，是capemgr软件的对外接口。加载cape：

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

slot是“插槽”的意思，要插上一个cape，就要向这个“插槽”里“插入”（echo）相应的设备，echo的含义是“向标准设备输出”。同样也可以在程序中调用system终端命令挂载device tree来启动UART1：system（"echo BB-UART1＞＄SLOTS"）

通过以上的配置我们就可以方便地使用串口了。

2.3.2 GPS数据采集线程

GPS数据采集线程就是所谓的生产者，它主要的工作是不间断地对GPS数据进行采集，然后通知数据发送线程将打包好的数据发送。

在GPS采集线程中应用了Linux的特色功能异步I/O，Linux异步I/O是Linux2.6版本内核的一个标准特性，异步I/O背后的基本思想是允许进程发起很多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操作完成的通知时，进程就可以检索I/O操作的结果。在一个CPU密集型的应用中，需要预先知道这些数据的位置，所以预先发起异步I/O读请求。等到真正需要用到这些数据的时候，再等待异步I/O完成。使用了异步I/O，在发起I/O请求到实际使用数据这段时间内，CPU还可以继续做其他事情。这样就可以很好地应用CPU的资源，让应用程序更加合理有效地运行。串口数据准备好后，GPS数据采集线程就可以将准备好的GPS数据放入事先申请的队列中，并发送信号给发送线程，告知采集成功。

2.3.3 GPS数据发送线程

SIM908模块的GPRS发送模式一共有两个，分别是非透传模式和透传模式，其中非透传模式具有支持多连接的功能。但是在编程处理时选择了透传模式，透传模式下在设置生效、连接好网络端之后，就可以直接传输数据了。如“AT＋CIPMODE＝1”设置透传模式，“AT＋CIPSTART＝"TCP"，"119.129.252.148"，8080”建 立 TCP/IP连接或UDP，透传模式下建立好连接后就可以直接发送数据，无需发送指令即可相互发送数据。

GPS数据发送线程就是所谓的消费者，它主要负责将准备好的GPS数据发送到监控系统的终端，当GPS数据发送线程接到GPS数据采集线程的信号后，就会访问内存，将内存队列中的数据通过Socket套接字发送到客户端，然后发送一个信号给GPS数据采集线程，告之已经成功发送，可以再次采集数据。

3 测 试

当远程监控终端程序开启的时候，首先将GPS数据进行解析，然后在地图上描点。监控端地图定位如图6所示，图中的左半部分为百度地图的定位显示，右半部分为谷歌地图的定位显示，用两个地图进行对比，从而获得更加合理的定位显示。监控端卫星定位图示如图7所示，地图中标定的位置为西南交通大学0号实验楼。

结 语

本系统使用GPRS作为GPS车辆综合监控调度管理系统的无线传输手段，具有费用低、无需线缆施工及安全可靠、维护方便的特点，是一种经济可行、技术成熟的系统构建方案。通过实际检验，系统工作稳定，能够较精确地完成车辆监控，操作简单方便。

图7 监控端卫星定位图示

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