1 系統(tǒng)方案

　　GSM(Global System for Mobile Communications)為全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)，是一種起源于歐洲的移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其開(kāi)發(fā)目的是讓全球各地可以共同使用一個(gè)移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，讓用戶使用一部手機(jī)就能行遍全球。GSM通信系統(tǒng)為傳輸需要的各種信令，設(shè)置了多種專門(mén)的控制信道。GSM通信收取一定費(fèi)用，但通信距離長(zhǎng)，死角少，可以實(shí)現(xiàn)全球通信，無(wú)論兩終端相距多遠(yuǎn)都可以通過(guò)GSM進(jìn)行通信。

　　所以為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的對(duì)物品的跟蹤，我們采用了GSM模塊進(jìn)行通信。

　　1.2 功能與指標(biāo)

　　1) 防盜功能：這是設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的最終目的。將防盜目標(biāo)終端放到防止被盜的物品上，當(dāng)物品丟失后，按下尋找指引終端上的按鍵后，可以在LCD液晶屏上看到防盜目標(biāo)終端相對(duì)于尋找指引終端的位置和方位，從而達(dá)到防盜的目的。

　　2) 定位功能：這是本系統(tǒng)的最基礎(chǔ)功能，它是實(shí)現(xiàn)防盜功能的一個(gè)步驟，當(dāng)用戶按下尋找指引終端上的按鍵后可以在液晶屏上顯示自身經(jīng)緯度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的的定位。

　　3) 追蹤功能 ：這是本系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。防盜目標(biāo)終端除了作為防盜器以外還可用作定位器，將防盜目標(biāo)終端放到需要追蹤的目標(biāo)上，通過(guò)尋找指引終端可以準(zhǔn)確的知道追蹤目標(biāo)的位置從而對(duì)追蹤目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

　　指標(biāo)：本系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差主要是由GPS信號(hào)接收器導(dǎo)致，因?yàn)橄到y(tǒng)所使用的GPS信號(hào)接收器屬于較低端的信號(hào)接收器，信息誤差大約在5米左右， 所以本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)尋找指引終端對(duì)防盜目標(biāo)終端的定位，相對(duì)距離誤差不超過(guò)10米，尋找指引終端對(duì)自身經(jīng)緯度進(jìn)行定位誤差不超過(guò)0.0001’。

　　2 實(shí)現(xiàn)原理

　　系統(tǒng)原理

　　當(dāng)按下尋找指引終端上的按鍵時(shí)，尋找指引終端通過(guò)GSM模塊向防盜目標(biāo)終端發(fā)出請(qǐng)求信息，防盜目標(biāo)終端接收到該信息后，通過(guò)GPS信號(hào)接收器接收衛(wèi)星信號(hào)，FPGA通過(guò)DTE接口接受該信息并在GPS模塊中提取出經(jīng)緯度信息，該信息在加密模塊中進(jìn)行加密然后又通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的DCE接口傳送給GSM模塊，GSM模塊將該信息發(fā)送給尋找指引終端，尋找指引終端通過(guò)GSM模 塊接收該信息，并在解密模塊中對(duì)信息進(jìn)行解密，同時(shí)用與防盜目標(biāo)終端相同方式確定自身位置，防盜目標(biāo)終端傳來(lái)的位置信息和尋找指引終端自身接受的位置信息 一并傳入相對(duì)位置計(jì)算模塊。在相對(duì)位置計(jì)算中尋找指引終端計(jì)算出兩終端的相對(duì)位置以及防盜目標(biāo)終端相對(duì)于尋找指引終端的方位。系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示。

　　圖2.1 系統(tǒng)原理示意圖
2.2 各模塊實(shí)現(xiàn)原理

　　2.2.1 UART模塊實(shí)現(xiàn)原理

　　本系統(tǒng)的UART模塊是在EDK 10.1環(huán)境中開(kāi)發(fā)完成，利用了開(kāi)發(fā)環(huán)境所提供的uartns550_v1_00_b驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)提供了發(fā)送函數(shù)void XuartNs550 SendByte (Xuint32 BaseAddress, Xuint8 Data)和接收函數(shù)unsigned int XuartNs550 RecvByte(Xuint32 BaseAddress)。從而使程序可以通過(guò)Uart每次發(fā)送接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

　　2.2.4 經(jīng)緯度提取模塊原理

　　如果設(shè)備和衛(wèi)星的通訊正常，可以接收到如下格式的字符數(shù)據(jù)： $GPRMC,204700,A,3403.868,N,11709.432,W,001.9,336.9,170698,013.6,E*6En。

　　數(shù)據(jù)說(shuō)明如下：

　　$GPRMC 代表GPS推薦的最短數(shù)據(jù),3403.868 代表緯度值，N表示北緯，S表示南緯;11709.432代表經(jīng)度值，W表示西經(jīng)，E表示東經(jīng)。

　　在接收進(jìn)程receive 中收到“n”之后，表示收到一條完整的信息。系統(tǒng)在void GPS_parse(GPS_INF度 *GPS) 方法中進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析，若信號(hào)有效則提取GPS信號(hào)中的經(jīng)緯度信息。GPS信號(hào)的經(jīng)度緯度是字符串類型，需要轉(zhuǎn)化為double類型。

　　2.2.3 GSM模塊實(shí)現(xiàn)原理

　　GSM控 制程序最基本的實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)Xuint8 XUartNs550_RecvByte(Xuint32 BaseAddress),void XuartNs550_SendByte uint32 BaseAddress,Xuint8 Data)兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。這兩個(gè)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送都是阻塞的，該阻塞機(jī)制確保了發(fā)送與接受的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。綜上所述，通過(guò)使用這兩個(gè)基本的串口通 信函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了FPGA對(duì)GSM模塊的控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)短信息的接收與發(fā)送。AT命令是被廣泛采用的調(diào)制解調(diào)器命令語(yǔ)言，它提供了計(jì)算機(jī)或終端對(duì)調(diào)制解調(diào)器的控制接口。在GSM模塊的應(yīng)用中，AT命令實(shí)現(xiàn)了對(duì)GSM大多數(shù)的操作控制，本系統(tǒng)即使用了AT指令集對(duì)GSM進(jìn)行控制。

　　2.2.4 加密解密模塊實(shí)現(xiàn)原理

　　本系統(tǒng)采用DES加密算法。DES算法把64位的明文輸入塊變?yōu)?4位的密文輸出塊，它所使用的密鑰也是64位。首先，DES把輸入的64位數(shù) 據(jù)塊按位重新組合，并把輸出分為L(zhǎng)0、R0兩部分，每部分各長(zhǎng)32位，并進(jìn)行前后置換(輸入的第58位換到第一位，第50位換到第2位，依此類推，最后一 位是原來(lái)的第7位)，最終由L0輸出左32位，R0輸出右32位，根據(jù)這個(gè)法則經(jīng)過(guò)16次迭代運(yùn)算后，得到L16、R16，將此作為輸入，進(jìn)行與初始置換 相反的逆置換，即得到密文輸出。本系統(tǒng)對(duì)加密模塊以函數(shù)調(diào)用的方式加以實(shí)現(xiàn)。

　　3 系統(tǒng)測(cè)試

　　本系統(tǒng)基于GPS和GSM技術(shù)在FPGA開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了追蹤和定位的功能，為了檢測(cè)系統(tǒng)的的功能并找出其中的不足，我們制定了詳細(xì)的測(cè)試方案，并對(duì)不同環(huán)境下系統(tǒng)的性能以及系統(tǒng)的容錯(cuò)性進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的性能做出了客觀的評(píng)價(jià)，突出展現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)也找出了系統(tǒng)的不足。

　　3.1 系統(tǒng)自測(cè)試方案(部分)

　　考慮到兩個(gè)終端的距離可能會(huì)影響到結(jié)果精確度(因?yàn)榫嚯x較短時(shí)，GPS發(fā)送的兩終端的經(jīng)緯度相差會(huì)很小，進(jìn)而會(huì)造成較大誤差)，所以我們使兩終 端的距離在20～7800m范圍內(nèi)變化，測(cè)量不同距離下的距離誤差和方位角度誤差。另外，我們還考慮到終端所在的環(huán)境(如地理環(huán)境、天氣狀況等)可能會(huì)對(duì) GPS以及GSM的工作產(chǎn)生影響，所以我們也在不同的地理環(huán)境以及天氣狀況下對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試。

　　3.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果(部分)

　　表3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)(部分)

 
3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

　　本系統(tǒng)采用GPS和GSM受天氣等自然因素影響較小，所以無(wú)論是在晴天還是下雨天都能夠?qū)崿F(xiàn)尋找指引終端對(duì)防盜目標(biāo)終端的精確定位。因使用的GPS定位系統(tǒng)質(zhì)量較差，當(dāng)兩終端相距較近時(shí)相對(duì)誤差過(guò)大。但此情況下已沒(méi)有必要通過(guò)本系統(tǒng)尋找防盜目標(biāo)終端，可直接通過(guò)肉眼觀察找到。

　　4 特色

　　信息安全性高，這是本作品的一大特色。當(dāng)前市場(chǎng)上的防盜定位產(chǎn)品，大多沒(méi)有對(duì)待追蹤的物品的經(jīng)緯度信息進(jìn)行加密，這樣信息如果被第三方截獲，物 品的安全很可能受到威脅。而本作品在很大程度上彌補(bǔ)了這一缺陷。第一，對(duì)傳輸?shù)慕?jīng)緯度信息將其加密后傳輸，防止物品的位置信息被第三方截獲并被惡意修改或 利用;第二，GSM通信本身就有很好的防盜能力，在對(duì)信息加密的基礎(chǔ)上，利用GSM通信的這一特點(diǎn)進(jìn)一步保證了信息的安全性。

　　受天氣等外在因素的影響小。這是由GPS和GSM的特點(diǎn)決定的。首先GPS信號(hào)不會(huì)受到濃厚云層、大霧、下雨和下雪等不良天氣的影響，GPS信號(hào)的波長(zhǎng)足以讓它穿越空氣中的各種障礙物，換句話說(shuō)，多數(shù)惡劣天氣完全不會(huì)對(duì)GPS的正常工作產(chǎn)生影響;再就是GSM通信也幾乎不受多數(shù)不利天氣的影響。

　　定位追蹤的有效距離較遠(yuǎn)。所謂定位追蹤的有效距離，在此處可以理解為兩終端均能接收到各自當(dāng)前位置的有效經(jīng)緯度信號(hào)并能正常地通信時(shí)，兩終端的相對(duì)距離。首先GPS的有效定位范圍是全球性的，在絕大多數(shù)情況下，GPS都能提供有效而準(zhǔn)確的經(jīng)緯度位置，從而保證了系統(tǒng)所用的位置數(shù)據(jù)的時(shí)效性，進(jìn)而增大了定位追蹤的有效距離。其次，GSM通信也具有全球化的應(yīng)用，無(wú)論通信距離的長(zhǎng)短，GSM都能所保證傳送的信息具有良好的穩(wěn)定性與正確性。

　　成本較低。Spartan-3E系列的器件密度范圍為10萬(wàn)到160萬(wàn)系統(tǒng)門(mén)，其單位邏輯單元的成本是FPGA行 業(yè)中最低的。Spartan-3E器件在業(yè)界第一個(gè)突破了2美元的10萬(wàn)系統(tǒng)門(mén)售價(jià)和10美元的100多萬(wàn)系統(tǒng)門(mén)售價(jià)的極限。所以盡管本系統(tǒng)包含的各模塊 都比較復(fù)雜，外圍器件較多，但由于整個(gè)系統(tǒng)基于Spartan-3E且Spartan-3E提供了豐富的外圍設(shè)備接口，因此系統(tǒng)各部分均得到了很好的實(shí) 現(xiàn)，充分利用了Spartan-3E開(kāi)發(fā)板的高性價(jià)比特性。

　　本作品的可擴(kuò)展性強(qiáng)。雖然本作品完全實(shí)現(xiàn)了定位追蹤功 能和基本的人機(jī)交互功能。但由于開(kāi)發(fā)時(shí)間有限，仍有一些功能可以進(jìn)一步被擴(kuò)展完善，所以本作品的性能仍具有很大的提升空間。例如在功能擴(kuò)展方面，利用 Spartan-3E的強(qiáng)大功能，可以進(jìn)行一對(duì)多通信，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)物品的同時(shí)跟蹤，極大地?cái)U(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值;人機(jī)交互方面，本系統(tǒng)利用的是 開(kāi)發(fā)板提供的16×2 LCD和少數(shù)幾個(gè)按鍵，終端與用戶的交互功能有限，因此完全可改用VGA顯示，鍵盤(pán)輸入及語(yǔ)音對(duì)人機(jī)交互功能進(jìn)行擴(kuò)展，這樣會(huì)極大豐富本作品的功能及應(yīng)用 場(chǎng)合，擴(kuò)大其市場(chǎng)前景。