（计算机软件与理论专业论文）基于pda和gps的嵌入式移动巡线管理的应用与研究.pdf

监j ：旦塑鱼堕曲鹾厶式攫弛巡线蟹理曲! 监脚当塑 究 一一 基于p d a 和g p s 的嵌人式移动巡线管理 的应用与研究 研究生：杨春蕾 专业：计算机软件与理论 指导教师：杜中军 电力输电、长途通信、煤气天然气和石油等的输送线路的巡检工作是这些 生产部门安全生产必不可少的重要工作之一，然而传统巡线工作的低效性、繁 重性使这一工作浪费了大量人力物力，同时由于缺乏有效的监督工具，在巡线 人员工作过程中还经常发生漏检、漏点的情况，使得巡线工作的完整性、管理 的高效性、生产的安全性不能得到很好的保证。 本文的研究目的是利用嵌入式g i s 、g p s 和p d a 的结合实现移动计算环境 下的地图实时显示，并将这些方法和技术应用到巡线工作中，克服了传统巡线 方式的缺点，使系统通过比较接收g p s 的定位信息与巡检点在数据库中的定位 信息是否一致，确保巡线员必须到岗才能巡检；并在任务返回前向巡线员提醒 尚未巡检到的巡检点信息和任务返回后对巡线信息确认，从而避免了漏检、漏 点的情况，有效地保证了巡线工作的正常运行和整个部门的安全生产。 论文首先分析嵌入式地理信息系统的研究现状、技术背景、特点及应用。 然后，以电力输电线路的巡检为例，介绍了对“基于p d a 和g p s 的嵌入式移 动巡线管理系统”这一课题的应用研究，包括需求分析、系统设计、主要子系 统的编码实现、关键技术等主要部分。最后，本文对整个系统进行了客观的性 能分析并提出了系统尚要解决的问题和改进目标。 一丛l j 三q 煎! 鱼堕的i 区厶丛整曲巡线耸理垒应山! i 监究 关键字p d ag p sg i s 嵌入式巡线 。一一一 丛l 。旦盈l 鱼堕的嵌厶! - 逊曲巡丛j 0 i ! 曲应刖i ，姐， a b s t r a c t t h ew o r k 幻c r u i s el i n e so fe l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o n 、l i n e so fl o n g d i s t a n c e c o m m u n i c a t i o na n dp i p e l i n e so fp e t r o l e u mo rg a si sn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tf o rs a f e p r o d u c t i o n b u t t h et r a d i t i o n a lw o r kt oc r u i s ei so n e r o u sa n dn o te f f i c i e n t m e a n w h i l e ，w o r k e r st oc r u i s et h e s el i n e sm i s ss o m ep o i n t sf r e q u e n t l yb e c a u s eo f t h el a c ko fe f f i c i e n ts u p e r v i s a l t h ep a p e r sr e s e a r c hp u r p o s ei st oa c h i e v et h er e a l t i m ed i s p l a yo fg e o g r a p h y i n f o r m a t i o ni nm o b i l ee n v i r o n m e n tb ym a k i n gu s eo ft h ee m b e d d e dg i s ，g p s a n dp d a t h e s em e t h o d sa n dt e c h n i q u e sa p p l i e dt ot h el i n e c r u i s i n gw o r kw i l l o v e r c o m i n gt h ew e a k n e s s e so ft h ea b o v et r a d i t i o n a ll i n e - c r u i s i n gm e t h o d s t h e s y s t e m c a n g u a r a n t e e l i n e c r u i s e r sm u s ta r r i v et h e p o s i t i o n o fc h e c k p l o i n t s t h r o u g hc o m p a r i n gp o s i t i o nd a t ac a l c u l a t e db yg p ss i g n a l sw i t ht h ep o s i t i o nd a t a s t o r e di nd a t a b a s e m o r e o v e r , t h es y s t e mc a nr e m i n dt h el i n e c r u i s e ra b o u tt h e i n f o r m a t i o no ft h ec h e c k p o i n t sw h i c hh a v e n tb e e nc h e c k e d a f t e rt h ec r u i s e r s c o m i n gb a c k ，t h em a n a g e rw i l le x a m i n et h ec r u i s i n gi n f o r m a t i o nb e f o r es t o r i n gi t i n t od a t a b a s ec e n t e r a l lt h e s em e t h o d sc a na v o i dt h a ts o m ec h e c k p o i n t sa r em i s s e d t ob ec h e c k e d ，a v a i l a b l yg u a r a n t e et h en o r m a lw o r ka n dt h es a f ep r o d u c t i o n a tf i r s t ，t h et h e s i s a n a l y z e s t h e p r e s e n tr e s e a r c h ，t e c h n i q u eb a c k g r o u n d ， c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so ft h ee m b e d d e dg i s t h e n a sa ni n s t a n c ef o r l i n e c r u i s i n gm a n a g es y s t e mb a s e do nt h ep d a & g p s ，t h ec e n t r a lp o r t i o n o ft h e e l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nl i n e c r u i s i n gs y s t e m ，s u c ha ss y s t e ma n a l y s i s ，s y s t e md e s i g n ， t h ee n c o d i n gi m p l e m e n t a t i o no ft h em a i ns u b s y s t e m s e t c i sd e s c r i b e d f i n a l l y ， t h r o u g ht h eo b j e c t i v ea n a l y s i s t ot h es y s t e m ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r ds o m e u n s e t t l e dp r o b l e m sa n dt h ea i m sf o ri m p r o v e m e n t k e y w o r d s p d ag p sg i se m b e d d e d l i n e - c r u i s i n g 3 一 占】：旦塑鱼竖划鹾丛王箜弛巡缝j 3 ：理衄应脚! ： ! 互一 1 1 课题背景 第一章绪论 现实生活中存在很多生产系统与传统的制造业、加工业不同。它们的生产 以输送某种物质为主，并且需要对输送线路进行巡线或巡点，如：电力输电、 长途通信、煤气天然气和石油等。这些系统的输送线路及其周围设备常年累月 暴露于野外，很容易出现故障，而线路的安全运行是各种输送网的生产安全、 经济运行的重要保障，所以巡线是线路运行维护的主要手段之一，涉及生产运 行的安全等十分重要的问题。基于这样的考虑，全国现有的各个与巡线有关的 行业管理局都非常重视线路巡检的管理，并制定了比较详细的规章制度来开展 巡线这项工作，以便于及时地发现问题，尽早处理。这样既可以保证广大用户 使用的可靠性与安全性，又可以防止由于输送设备故障带来的不必要的损失。 目前，很多企业虽然已实施了各种信息管理系统，但是由于巡线业务的特 殊性，需要野外实地操作，因此巡线的信息化管理几乎是个空白。一般来说， 巡线工作具有工作面积广、线路长、沿线环境复杂等特点，对输送线路巡线和 维护的监管提出越来越高的要求，而国内普遍采用两种主要巡线方式：一种为 人工巡检，手工记录，这种方式存在人为因素较多，有着无法监督、管理不便 等弊端；另一种方式则采用读取信息钮的方式，这种方式提高了巡检可靠性和 可监督性，但存在信息钮易丢失、不便管理等不足，不适于多点长线巡线管理。 原有的这些线路巡检方法都由于管理上和技术上的缺陷而不能够及时准确地反 映线路设备的运行状况，这对保证线路设备的稳定运行非常不利。尤其是早期， 当线路或设备发生故障后才进行检修，这样造成的巨大损失是无法挽回的。巡 线工作的耳的就是在故障发生前尽可能早地发现隐患，并及时准确地汇报和处 理。所以研究和开发先进的巡线管理系统，能够很好地督促和配合巡线工作的 完成，这将有利于提高线路运行的安全可靠性。 对应于传统巡线的局限性，方便高效的巡线方式越来越受到人们的关注， 基于p d a 和g p s ( 全球卫星定位系统) 开发的巡线管理系统，利用地理信息 丛：】：旦显鱼堕妇i f 2 ：丛撞弛巡线篮理曲应世生班究 系统技术、g p s 定位原理、嵌人式等技术来实现仅使用集成了g p s 接收机的掌 j ：设备( p d a ) 即可进行的巡线方式，并且有效地对线路输送网的巡线人员进 行管理；保证巡查的到位率；规范巡线工作流程；大大提高巡线的质量，在偏 远荒漠地区还可以防止巡线员迷路、走失；缩短巡线人员巡线到位的时问。从 很大程度上，减少了线路上因工作人员失职、失误造成的缺陷故障，保障了线 路的安全运行。 国内p d a 产品目前被使用的范围还比较窄，一方面是由于硬件技术的不成 熟，另一方面是国内的嵌入式软件开发刚刚兴起不久。但是已经有一些公司开 发出一些与地图密切相关的软件产品。如： 一、北京灵图软件技术有限公司推出的在移动信息设备上提供地理信息以 及位置信息服务的s m a r t l n h a n d 软件产品。 二、北京慧图公司新近推出一种可运行于掌上电脑、进行移动制图和g i s 应用的野外地质数据采集系统：t o p m a pc e g e n i u s 。 三、北京超图开发出地理信息系统开发平台e s u p e 订v i a p 。 四、台湾“英瑞得信息”公司设计出支持g p s 全球卫星定位系统专用软件 “w a l k m a p 地图随身走”。 五、台湾通路股份有限公司设计出全台p d a 电子地图产品地图领航员 p d a p i l o tf o rp d a 和地图探险家m a p e x p l o r e2 0 0 1f o rw i nc e 。 这些产品都具备一些共同的基本功能，如：图形显示、资料查询、g p s 定 位与导航、距离量算、用户标注、路径选择、语音提示、人性化的界面等。但 都是基于某种应用的初步、单一的嵌入式g i s 产品，离企业级的完整、规模解 决方案还有一定的距离。 此外，还有一些专门针对巡线工作开发的移动巡线系统，如：广州天俊公 司的x s 2 0 0 0 巡检管理系统、汉华软件公司的电力g p s 线路定位及巡检系统等。 但是，这些产品又大多存在另外的问题，首先，他们所使用的设备一般都是p d a + g p s 方式，即p d a 没有内置g p s 接收机需要另配g p s 接收设备，这样一来 巡线员需要带的巡线设备就比较多；此外，复杂的实现方式是另外一个缺点， 这些产品有很多都使用无线通信技术进行实时的地图显示和数据交互，这样不 仅没有必要( 地图显示和上传巡线信息不是实时性任务) 而且需要花费大量的 _ 一一占u ：旦卿u p s 曲 区厶芏撞功巡线篮理! ! 奠j h i 皿兰i 一 一 资金米实现。 小文总结了前人宰1 对巡线管理系统所做的：】j 作，并根据巡线。l ：作和管艇l 作的具体需求，提出了一种新的巡线管理方案，即基于p d a 和g p s 的嵌入式 移动巡线管理系统解决方案，并建立了整个系统的功能模型。按照工程软件丌 发的要求，对软件的需求进行了详细分析，完成了整个系统的方案设计，提出 了采用p d a 和g p s 构成巡线管理系统的具体方案。按照软件工程的开发步骤 对该系统进行了概要设计和详细设计，完成了巡线系统的硬件组成框图和软件 流程图，并利用同步通信技术实现了p d a 掌上电脑与p c 机之问的通讯，从而 为p d a 与p c 机的数据交换奠定了基础。根据巡线管理系统的需要，开发和设 计了p d a 和p c 机的数据库以及它们之问的数据交换，并结合工程实际需要， 在w i n d o w s 平台和p d a 平台上完成了人机界面软件的设计。该系统的完成不 仅克服了传统巡线的缺点，也改进了前人有关软件产品的解决方案，并实现了 在内置g p s 接收机式p d a 设备上开发移动巡线系统的目标，对提高线路输送 网运行的可靠性以及线路设备管理水平具有重要的工程应用价值。 1 2 课题研究的内容概述 课题研究的主要内容首先是与嵌入式g i s 相关的主要技术，例如：g p s 信 号是如何被接收和处理的、g p s 信号在p d a 上的地图实时显示的方法、g p s g i s 集成环境的选择问题、开发嵌入式g i s 系统应该考虑的问题等。继而，通过对 这些主要技术的研究，并根据线路巡检的特殊要求和作业环境给出了基于p d a 和g p s 的嵌入式移动巡线管理系统的解决方案。最后，本文还对该系统进行了 客观的性能分析并提出改进目标和改进方式。 本课题主要解决了以下三个问题：( 1 ) 数字地图与g p s 、p d a 等移动科技 产品集成，实现移动目标的实时定位和移动计算。这一部分主要包括：g p s 信 号接收和数据处理、g p s 信号在地图上的实时定位和显示、g p s 与g i s 集成、 根据实时接收到的g p s 信号画矢量地图的方法；( 2 ) g p s 信号在嵌入式应用程 序中的应用，主要是g p s 信号通过嵌入式应用程序与其他信息结合后被录入后 台数据库的过程，以及在线路巡检工作中系统通过接收到的g p s 定位信息和数 9 一捷工立翘鱼堕凶i 瞳丛毪弛巡线篮理数应卫当班究 据库l | l 的相关信息的对比监督巡线员到岗巡检的方法；( 3 ) p d a 设备的嵌入式 数据库t jp c 机的数据库 j 心问的数据交互。这一部分主要包括：数据交互的 方式、表导入导出的过程、保持数据库的_ 二致性和完整性、不同数据库类型间 数据类型的转换。 论文通过研究移动计算环境下基于p d a 和g p s 的嵌入式移动巡线管理系 统的实现，为今后巡线工作的信息化提供了经验，同时对加强巡查人员的监督、 加强巡查与检修工作的衔接力度起到了非常好的促进作用，也为保证线路输送 网安全运行，提高供能、用能管理自动化水平和工作效率，提高经济和社会效 益提供了有效的手段。课题是在嵌入式技术、移动技术蓬勃发展的形势下提出 的，具有一定的时代意义。 在课题所解决的三个问题中g p s 信号在嵌入式应用程序中的应用是具有 一定的独到之处的。系统独创的自画地图方式，为巡线员和管理员提供了另一 种获取地图的方式，既省下了购买商业地图的资金，又可以画出更符合巡线现 场的地图，简单且有效，更加方便使用者操纵，这一点是其他类似软件缺少的。 系统的整体设计符合巡线工作的特点和要求，使得巡线工作的完整性、管理的 高效性、生产的安全性得到很好的保证。移动巡线予系统通过接收g p s 定位信 息与杆塔在数据库中的定位信息的比较，对巡线员是否到岗巡检进行有效的监 督；任务返回前向巡线员提醒尚未巡检到的巡检点信息和任务返回后数据交互 子系统对巡线信息的确认，避免了漏检、漏点的情况，有效地保证了巡线工作 的正常运行和整个部门的安全生产。 1 3 论文的组织结构以及本人在课题实施过程中的贡献 论文包括五章内容。其中，第四章、第五章和第六章是整篇论文的重点和 精华所在。 第一章为绪论部分，主要说明课题研究的技术背景、传统巡线方式的缺点 和对嵌入式g i s 产品的需求以及课题研究的内容概述，此外还介绍了论文的组 织结构以及本人在课题实施过程中的贡献。 第二章和第三章谈论了课题所涉及的技术原理，包括了g i s 、g p s 、嵌人 一一 基j ：e 照独鱼堕艘i 蘑芷毽弛巡线蟹理立生应衄皇班究 一 式g i s 的原理、关键技术、分类和特点等相关信息，以及开发嵌入式g i s 系统 所要考虑的问题等。 第四章和第五章分别介绍了基于p d a 和g p s 的嵌入式移动巡线管理系统 的需求分析和解决方案，通过系统用例图、分包子包图、类图、时序图和配置 图详细说明了在需求分析过程中对系统的静态模型、动态模型和物理模型的描 述。解决方案阐述系统设计思想、系统开发环境、各子系统功能概述，向大家 说明了研发该系统的基本方法。 第六章介绍了在研发过程中遇到的问题和解决过程，并提出了一些开发此 类系统需要注意的一些细节问题，为以后的研究开发人员提供了不可或缺的经 验和帮助。 第七章是结束语，客观地对基于p d a 和g p s 的嵌入式移动巡线管理系统 进行了性能分析，而且对系统的优缺点进行了较为全面的探讨，交代了系统的 局限性并提出希望改进的目标。 最后，是本文的致谢和参考文献部分。 作者基本上参与了课题从规划到实施的整个过程，由于参与课题研发的人 员较少，课题本身难度也不是很大，所以作者承担了不少工作，其中包括：系 统的需求分析、对完成系统功能所需要的技术的研究、对开发整个系统所需设 备和开发工具的研究和选取、系统设计、文档编写、开发数据交互子系统和线 路巡检子系统的应用程序、系统的性能分析及改进目标规划等。 其中对系统的需求分析和系统设计是作者与导师杜中军老师共同完成的； 对完成系统功能所需要的技术的研究、对开发整个系统所需设备和开发工具的 研究和选取工作是与工作小组内的其他同事共同商讨完成的；文档编写工作、 开发数据交互子系统和线路巡检子系统的应用程序工作以及系统的性能分析及 改进目标规划工作由作者独立承担。 基士! 丛塑鱼堕曲邀厶a 芏整动巡线篮理曲应坩与塑 荭一 第二章全球卫星定位系统 g p s ) 原理 全球定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是利用人造地球卫星进 行点位测量导航技术的一种，全称是n a v s t a r ( n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n g a n dr a n g i n g ) g p s ，由美国军方组织研制建立，从1 9 7 3 年开始实施，到九十年 代初完成。用户通过测量到太空各可视卫星的距离来计算他们的当前位置，左 右卫星相当于精确的已知参考点。每颗g p s 卫星时刻发布其位置和时问数据信 号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的 速度就可以计算出接收机到不同卫星的距离。同时收集到至少四颗卫星的数据 时就可以解算出三维坐标、速度和时间。 2 1g p s 系统组成 g p s 系统包括三大部分： 空间部分g p s 卫星星座；g p s 由2 1 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成， 它们均匀分布在六个相互夹角为6 0 度的轨道平面内，即每个轨道上有四颗卫 星。卫星高度离地面约2 0 0 0 0 公里，绕地球运行一周的时间是1 2 恒星时，即一 天绕地球两周。g p s 卫星用l 波段两种频率的无线电波( 1 5 7 5 4 2 m h z 和 1 2 2 7 6 m h z ) 向用户发射导航定位信号，同时接收地面发送的导航电文以及调度 命令。 地面控制部分一地面监控系统；对于导航定位而言，g p s 卫星是一动态 已知点，而卫星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参 数计算得到的。每颗g p s 卫星播发的星历是由地面监控系统提供的，同时 卫星设备的工作监测以及卫星轨道的控制，都由地面控制系统完成。g p s 卫星 的地面控制站系统包括位于美国科罗拉多的主控站以及分布全球的三个注入站 和五个监测站组成，实现对g p s 卫星运行的监控。 用户设备部分g p s 信号接收机。g p s 信号接收机的任务是，捕获g p s 卫星发射的信号，并进行处理，根据信号到达接收机的时问，确定接收机到卫 一一 上e 旦旦拥1 鱼鉴曲 越厶盛氆! 出巡线镫鲤 i i 应上i j 翘唆一 卫星 卫星2卫星3 ( x l 一固2 + ( y l - ，于+ ( z 1 一z ) 2 + 一。( t t o g = d ? ( x 2 一砷2 免一y 户+ ( 砀一z ) 2 + 一( t k ) 一砰 ( x 3 一萄2 斗( 砖一y ) 2 + ( 冯一z 严+ 一。( t b ) = 曾 ( x 4 一曲o + ( y 4 一，于+ ( 巧一z ) 一。( t h ) 一即 求解未知数 ( 苫! y 圣，t ) 定位定时 图2 - 2g p s 卫星定位原理 上述四个方程式中x 、y 、z 为待测点坐标，t o 为接收机的钟差为未知参数， 其中d i = e a t i ，( i - l 、2 、3 、4 ) ，d i 分别为卫星i 到接收机之间的距离，a t i 分 别为卫星i 的信号到达接收机所经历的时间，x i 、y i 、z i 为卫星i 在t 时刻的 空间直角坐标，t i 为卫星钟的钟差，c 为光速。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差t o 。 2 4g p $ 信号及信号格式 g p s 接收机只要处于工作状态就会源源不断地把接收并计算出的g p s 导航 定位信息通过串口传送到计算机中。从串口接收到的数据会被放置于缓存，在 没有进一步处理之前缓存中是一长串字节流，这些信息在没有经过分类提取之 型j 。旦丑j 鱼竖曲鹾整曲巡缝萱理曲应脚刍硒宜一 前是无法加以利用的。凶此，必须通过程序将各个字段的信息从缓存字节流中 提取出来，将其转化成有实际意义的，可供高层决策使用的定位信息数据。i 司 其他通讯协议类似，对g p s 进行信息提取必须首先明确其帧结构，然后才能根 据其结构完成对各定位信息的提取。以g a r m i ng p s 天线板为例，其发送到计算 机的数据主要由帧头、帧尾和帧内数据组成，根据数据帧的不同，帧头也不相 同，主要有”s g p g g a ”、”$ g p g s a ”、”$ g p g s v ”以及”$ g p r m c ”等。这些帧 头标识了后续帧内数据的组成结构，各帧均以回车符和换行符作为帧尾标识一 帧的结束。对于通常的情况，我们所关心的定位数据如经纬度、速度、时间等 均可以从”$ g p r m c ”帧中获取得到，该帧的结构及各字段释义如下： $ g p r m c ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， h h c 1 当前位置的格林尼治时问，格式为h h r m n s s c 2 ，状态，a 为有效位置，v 为非有效接收警告，即当前天线视野上 方的卫星个数少于3 颗。 纬度。格式为d c l m m r a m o n a c 4 ，标明南北半球，n 为北半球、s 为南半球 径度，格式为d d d m m 哪m c 6 ，标明东西半球，e 为东半球、w 为西半球 c 7 ，地面上的速度，范围为0 0 到9 9 9 9 ( 8 方位角，范围为0 0 0 0 到3 5 9 9 度 ( 9 日期，格式为d d m m y y 地磁变化，从0 0 0 0 到1 8 0 0 度 c 1 1 地磁变化方向，为e 或w 至于其他几种帧格式，除了特殊用途外，平时并不常用，虽然接收机也在 源源不断地向主机发送各种数据帧，但在处理时一般先通过对帧头的判断而只 对”$ g p r m c ”帧进行数据的提取处理。如果情况特殊，需要从其他帧获取数据， 处理方法与之也是完全类似的。由于帧内各数据段由逗号分割，因此在处理缓 存数据时一般是通过搜寻a s c i i 码”$ ”来判断是否是帧头，在对帧头的类别进 行识别后再通过对所经历逗号个数的计数来判断出当前正在处理的是哪一种定 位导航参数，并作出相应的处理。 1 6 丛王d 盈! 鱼堕曲撤厶式整动巡堡篮理曲应l l = ! i | ! 【究 一 此外，臼前许多g p s 厂商遵循n m e a 0 1 8 3 协议针对p d a 掌j i , z n j i 4 发确：多导 航j 诅g p s 。，这些g p s 捉供串行通汛接i ，串行通讯参数为： 波特律= 4 8 0 0 数据位= 8 位停止位= 1 位无奇偶校验 g p s 与掌上电脑通讯时，通过串口每秒钟发送1 0 条数据。实际导航应用读 取g p s 的空问定位数据时，我们可以根据需要每隔几秒钟更新一次经纬度和时 间数据。而更频繁的数据更新就投有必要了，而且会白白浪费掌上设备有限的 电池。 如果此时和卫星的通讯正常的话，可以接收到的数据格式样如下： s g p r m c ，2 0 4 7 0 0 ，a ，3 4 0 3 8 6 8 ，n ，1 1 7 0 9 4 3 2 ，w ，0 0 1 9 ，3 3 6 9 ，1 7 0 6 9 8 ，0 1 3 6 ， e + 6 e 数据说明如下： s g p r m c 代表g p s 推荐的最短数据。 2 0 4 7 0 0 ：u t c _ t i m e2 4 小时制的标准时间，按照小时分钟秒的格式。 a ：a 或者v ，a 表示数据”o k ”、v 表示一个警告。 3 4 0 3 8 6 8 ：l a t 纬度值，精确到小数点前4 位，后3 位。 n ：l a td i rn 表示北纬，s 表示南纬。 1 1 7 0 9 4 3 2 ：l o n 经度值，精确到小数点前5 位，后3 位。 w ：l o nd i rw 表示西经，e 表示东经。 如果当前没有和卫星取得联系，那么字符串的格式为： s g p r m c ，u t c _ t i m e ，v ，。 下面是一个例子： $ o p r m c ，2 0 4 1 4 9 ，v ，1 7 0 6 9 8 ，t 3 a 一丛二旦丑! 鱼堕曲i 吐筮式谴功巡线管! ! ! 的应脚：! ：趔【究一一 3 1 地理信息系统 第三章地理信息系统 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是一种决策支持系 统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在 于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属 性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系 列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空阃位置参考信息和非位置信 息两个组成部分。 从技术系统的角度来考虑，地理信息系统是以地理空间数据库( g e o s p a t i a l d a t a b a s e ) 为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地 理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。 地理信息系统具有以下三个方面的特征： 第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和 动态性； 第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常 规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以 完成的任务； 第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息 系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。 地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统；其内涵却是由计算机程 序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用 地理信息系统时，他所面对的数据不再是毫无意义的，而是把客观世界抽象为 模型化的空间数据，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面 的内容，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信 息系统的意义。一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统，从视觉、计量和逻 辑上对地理系统在功能方面进行模拟，信息的流动以及信息流动的结果，完全 一一一丝】：l 丛盈l g 堕曲嵌芏谴曲巡毯i 里理曲应】_ | - ! j 璋院 一 d 1 计卯：机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持 下提取地理系统各不同侧而、不同层次的空问和时n d 特征，也u 丁以快速地模拟 自然过程的演变或思维过程的结果，取得地理预测或“实验”的结果，选择优 化方案，用于管理与决策。 3 1 1 地理信息系统的构成 与普通的信息系统类似，一个完整的g i s 主要由四个部分构成，即计算机 硬件系统、计算机软件系统、地理数据( 或空间数据) 和系统管理操作人员。 其核心部分是计算机系统( 软件和硬件) ，空间数据反映g i s 的地理内容，而 管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。系统构成如图3 1 所 不。币 。舞热 圆 圈3 - 1 ：地理信息系统的构成 3 1 2g i s 的计算机硬件与软件系统 g i s 由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。构成计算机 9 ：丛j 。旦孢鱼堕的鹾；芷接边巡线签理曲丘脚! 娥究一一 一 硬件系统的基本组件包括输入，输出设备、q ，央处理单7 c 、存储器( 包括主存储 器、j 1 | i 助存储器硬件) 等，这些硬f l ：_ * l t 件协1 4 a _ f l ；，向汁算机系统提供必要的 信息，使其完成任务；保存数据以备现在或将来使用；将处理得到的结果或信 息提供给用户。 计算机软件系统是指必需的各种程序。对于g i s 应用而言，通常包括：计 算机系统软件、地理信息系统软件和其他支持软件，以及应用分析程序。 其中，其他支持软件包括通用的g i s 软件包，也可以包括数据库管理系统、 计算机图形软件包、计算机图像处理系统、c a d 等，用于支持对空间数据输入、 存储、转换、输出和与用户接口。而应用分析程序是系统开发人员或用户根据 地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的 扩充与延伸。 3 1 3 地理信息技术的发展特点与发展趋势 新一代地理信息技术主要以组件式g i s 、i n t e r n e tg i s 和嵌入式g i s 等软件 为代表。国际上诸多g i s 专业软件公司，都在着手和投入新一代g i s 技术研究、 开发和市场争夺。 1 ) 组件式g i s 技术 组件式g i s 是一种新的g i s 开发思想，它是将g i s 功能分散制作成a c t i v e xc o n t r o l 和a u t o m a t i o n ，这些标准的a c t i v exc o n t r o l 和a u t o m a t i o n 可以被支 持他们的开发环境调用，以便在原有的或新开发的信息系统中加入g i s 功能。 国际上许多大型g i s 软件商在9 0 年代中期开展组件式g i s 软件的开发， 如e s r i 的m a p o b j e c t s ，m a p l n f o 的m a p x 等，都属于组件式g i s 软件产品。 由于这些大型g i s 公司在早期的传统g i s 发展方面，无论是市场还是技术都有 着沉重的负担，所以它们所开发的组件式g i s 软件功能有限，只能应用于数据 浏览和简单系统的集成。 2 ) i n t e m e tg i s 技术 i n t e r n e tg i s 技术无疑是9 0 年代以来g i s 发展的热点，众多的厂商纷纷推 出了i n t e r a c t g i s 产品和解决方案，抢占市场。i n t e m e t g i s 是基于i n t e m e t 发展 起来的新型g i s 技术，是在i n t e r n e t 平台上实现地理信息发布和空间应用的解 丛j ：p 堕显iq ! 堡曲 越2 芏整曲巡丛签+ 鲤的应l 卫j 塑 巍一 决方案。随着i n t e r n e t 的迅猛发展，i n t e r n e tg i s 的应用需求剧增，其应j | j 皿也 非常广泛。通过i n t e r n e tg i s 不仅可以进行空间数据发柿，为电子商务等应用提 供服务平台，同时也可以为手持设备、车载设备等嵌入式设备和其他移动设备 提供地理信息应用服务。 3 ) 嵌入式g i s 技术 嵌入式g i s 软件是可以运行在嵌入式计算机系统上高度浓缩、高度精简的 g i s 软件系统。嵌入式计算机系统式隐藏在各种装置、产品和系统( 如掌上电 脑、机顶盒、车载盒、手机等信息电器) 之中，由软硬件高度专业化的特定计 算机系统、嵌入式操作系统和嵌入式g i s 软件组成。 随着计算机和信息技术的发展，g i s 迅速地变化着。在未来l o 年内的g i s 发展将会向网络化、标准化、数据商业化、系统专门化、企业化、全球化和大 众化方向发展，并越来越多地融人人们的工作和生活。 3 2 嵌入式g i s 嵌入式g i s 是g i s 与新兴嵌入式硬件相结合的一个产物，是原有的g i s 领 域的分支与延伸、补充与发展，是以采集、存储、管理、分析和描述空间信息的 计算机系统。其主要涉及对现实世界的地理建模技术以及空间数据采集、管理、 分析和显示技术。当前，随着g p s 、全站仪、遥感技术的发展，空间数据的采集 已获得飞速发展。g i s 数据模型的研究以及数据库技术的发展也使得空间数据 的管理变得方便快捷。计算机图形学的发展更加强了g i s 中图形的显示和处理 能力。嵌入式g i s 就是在嵌入式设备上运行的g i s ，是系统设计与开发层次上的 应用，是一个软硬件结合的系统。由于它是运行在资源紧缺的嵌入式设备上，因 此嵌人式g i s 应用程序必须考虑如何合理利用资源，尽量减少资源的消耗，包括 c p u 运算量、内存和外存的消耗，尽可能地提高效率。 嵌入式g i s 的是嵌人式技术、g i s 、移动终端、移动定位等技术共同支撑 的新兴边缘领域，其研究和发展主要依赖这些技术的发展和更新。 一一 丛i q 垂l 上q 堕曲嵌厶盐穆弛班线毯理曲划型0 坦f 盆 一 3 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备 或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系 统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件 代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体 系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用 软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。 嵌入式系统包括硬件和软件两部分，硬件包括处理器微处理器、存储器 及外设器件和i 0 端口、图形控制器等；软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程，有时设计人员把这两种软件组合 在一起。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序编程 与硬件的交互作用。 3 2 1 1 嵌入式计算机系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 1 、嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 与通用型的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、 体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络 的耦合也越来越紧密。 2 、嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密 集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 、嵌人式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的 选择更具有竞争力。 4 、嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 一基j ! 旦独鱼堕鲍逝盛整弛巡线簧理曲应用生皿宜 一一一 品同步进行，凶此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 、为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都i 固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 、嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是 不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 3 2 1 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( e m b e d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 种类有一百多种，代表性的 产品有以下几种： 1 ) w i n d o w s c e w i n d o w sc e 最为显著的特征是与w i n d o w s9 5 9 8 等桌面操作系统在外观 和操作上的相似性，因此从桌面p c 系统过渡到基于w i n d o w sc e 的设备非常 容易。w i n d o w sc e 4 0 的优点是内容丰富、功能全面、整体性强。其中内置了 对安全性、多种通信协议和多媒体的支持，还包括p o c k e ti n t e r n e te x p l o r e r 、 p o c k e to u t l o o k 和p o c k e tw o r d 等一些列完整的应用程序。w i n d o w sc e4 0 具有 较好的实时能力，支持嵌套中断，允许更高优先级的中断首先得到响应。与p a l m o s 相比，p o c k e tp c 通过其多线程处理器是线多任务功能，这相对于单任务的 p a l mo s 来说是一个优点。此外，p o c k e tp c 对于硬件系统的支持。无论是在 处理器、内存还是屏幕及其他方面都比p a l mo s 强大，因而可以很轻松的支持 包括m p 3 、w m a 、语音识别在内的多媒体应用，这也是目前p o c k e tp c 较p a l m o s 优胜的地方。除了高度模块化外，w i n d o w sc e 拥有全面开发工具包，其中 包括了经过优化的供嵌入式软件开发使用的e m b e d d e dv i s u a lt o o l s4 0 。 2 ) 专用的实时操作系统( r t o s ) 代表性的产品有q n x 、v x w o r k s 、p s o s 、l y n x ，还有h o p e n ，中文名称为 “女娲”，它是由中科院开发的嵌人式o s 。 3 ) 嵌入式l i n u x 这是嵌人式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循 g p l 协议，在近一年多以来成为研究热点，嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本 质区别，p c 上用到的硬件嵌入式l i n u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序 一 丛j ：旦丑! 鱼坠曲嵌厶基旌功巡煞暨理曲应吐生研究 源代码都可以得到，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。 嵌入式操作系统优点缺点 多媒体功能 更强的i n t e m e t 功能源代码不公开对每一个 w i n d o w sc e高度模块化应用都要版税体积庞大，占 很好的开发支持环境用很多的r o m 和r a m 与w i n d o w s 系列兼容 价格昂贵 一般不提供源代码，只 模块化提供二进制代码。需要专门 专用实时操作系统实时性好的技术人员掌握开发技术和 稳定性好维护，所以软件的开发和维 护成本都高。 支持的硬件数量有限。 跨平台、裁剪性好、性 能稳定、开放源代码、内核自身过于庞大、开发难 l i n t l x 小、效率高、无线连接、开度较高、标准未成型。 发速度快。 3 2 2 嵌入式数据库 表3 - 1 嵌入式操作系统的比较 数据库系统先后出现了集中式数据库系统、分布式数据库系统、b a s 多 层结构的数据库系统、嵌入式数据库和移动数据库。当然，这些系统也可以共 存在同一个计算环境中。嵌入式数据库技术的发展过程来看，计算环境和数据 库技术基本保持着一种同步发展的态势，互相影响、互相促进。 一般来说，嵌入式数据库可以从系统的体系结构方面来定义：嵌入式数据 库系统是支持某种特定计算模式的数据库管理系统，数据库系统与操作系统、 具体应用集成在一起，运行在各种智能型嵌入设备或移动设备上。 由于