基于嵌入式linux的车辆稽查系统设计书

基于嵌入式linux的车辆稽查系统设计书内容摘要：

，而关于车辆以前违规次数、车辆欠费情况等现场不能取得的重要信息往往无能为力。 甚至有时候驾驶员无证驾驶，也可以推搪说成是忘记带驾驶证了，这给交通部门工 作带来很大的干扰。 第二种是采用笔记本电脑，通过查询笔记本电脑存储的车辆信息和驾驶员信息数据库而进行的车辆稽查。 这种方法首先最大的缺点是数据库不能够实时同步，并且需要经常更新和维护数据库，给工作人员带来很大麻烦。 其次是携带不方便，浪费资源。 因为笔记本只用来查询，而不能集工作人员手机功能与一身，并且投资巨大，浪费财政。 第三种是采用便携式智能车辆稽查系统，该系统由笔记本电脑、摄像机、支架、 Windows 2020/XP 操作系统、相关的识别软件构成，可以安放在收费站上面，也可以安放在车辆上面，具有实时捕捉图像、 自动识别车牌号，并且检查车辆是否欠费或者来历不明并且进行报警。 该系统是目前最为先进的车辆稽查系统，能够大大提高工作人员的工作效率。 主要缺点是费用高，每套系统要 5 到 6 万人民币，并且在不能代替一切的车辆稽查，比如查询不能通过摄像头拍到的车辆或者是查询泊车是否超时等，均无能为力。 三种方法的优缺点比较如下表所示： 第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 6 名称 缺点 纯人工路面稽查 ， 不方便 笔记本路面稽查 ，使用麻烦 智能稽查系统 ，不方便 表 12 三种稽查方法的优缺点比较 基于嵌入式 Linux 的车辆稽查系统可以有效解决上述问题，用户只要一个手持终端，就可以进行路面车辆的轻松稽查，方便快捷，并且可以和数据库实时同步。 该系统成本低廉、功耗低、集合了开源 Linux 技术，具有推 广使用价值和借鉴意义。 特色和 创新点 虽然嵌入式 Linux 并不是一个新鲜的话题，但是本系统在设计的时候充分考虑到了用户成本、系统稳定性、用户的需要等内容，使得本系统具有以下特色和创新点。  充分采用开源技术。 终端大部分技术均采用了开源技术，包括引导程序、 Linux操作系统、图形界面开发框架，服务器也采用了开源的 Linux 作为服务器。  成本低廉。 由于采用了开发技术，可以减少成本，而终端的设计本身就是立足在高性价比的 ARM 芯片上，而上网是采用 GPRS 上网，可以减少大部分的通信费用。  高安全性。 采用 DES 加 密算法实现服务器和终端的安全通信，并且用户需要认证才可以接入数据库。  集中控制。 终端采用 GPS 技术，使得服务器可以监控所有终端的状态、位置。  系统的可维护性和升级。 大部分嵌入式系统在完成产品推出后，系统就难以升级，而本系统由于有强大的 Linux 做为操作系统，可以不断地添加外部设备，充分利用开源技术，并且可以保持与时俱进，进行产品的升级。 由于采用了中央数据库，从而可以保证系统的可维护性。  用户界面友好。 大部分嵌入式设备的图形界面均相当简单，主要是满足了不同的第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 7 需求，而本系统采用的图形界面框架，可以设计出和 Window 上相似的图形界面，相比其他嵌入式产品来说，友好的图形界面是一大特色。  可规模生产，具有产业价值。 嵌入式系统的一大特点就是用户量大，同样，本系统一旦设计完成通过调试，可以大规模生产，并做为推广之用。  自主知识产权。 2 任务概述 目标 本系统的目标是实现一个基于嵌入式 Linux 技术 、 GPRS 技术、 GPS 技术、加解密技术 的手持终端设备和基于 Inter 的服务器系统。 系统 采用 C/S 模型， 可以解决路面车辆信息的查询和数据库更新、 拨打电话等功能，并具有高安全性和全网监控、全球导航功能。 用户 特点 本系统面向的用户属于交通稽查部门或者交警相关部门人员。 这些人员对计算机的熟悉程度较低，因此系统应该具有友好的使用界面和稳定性。 对于服务器可以由相关专业人员维护。 系统特点 1． 终端 性价比高。 因为采用了 arm9 芯片和 Linux 操作系统，在提高终端性能的同时降低价格。 并且 GPRS 上网费用低，永远在线，按流量计费也进一步降 低了费用，解决 了费用问题。 2． 终端 功能多。 该系统集成查询、拨打电话、发送短消息功能于一身，并且提供了一个 PDA 界面，可以获得很多的桌面应用软件，比如上网、文本编辑器等。 在后续的开发中，可以加上无线局域网、蓝牙功能，与小型打印机相连，实现增开罚单、缴费开单等功能。 3． 终端 携带方便。 本系统体积小，可以随身携带，可以当做通用的智能手机那样使用，因此适合街道交通警察查询车辆情况。 4. 高安全性。 服务器和终端的通讯是加密的，可以保证通信的安全。 用户登录采用认证系统，可以保护本地数据库。 服务器可以监控所有终端的状态信息。 第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 8 3 需求 分析 功能需求 系统的功能结构图如图 21 所示。 性能需求 终端 响应时间： 秒 持续供电： 3 天 可靠性： 365 天 服务器可支持终端 ： 500 台 成本需求 终端单价： 600 元 拨打电话 基于嵌入式 Linux车辆稽查系统 手持终端设备 服务器 图形界面 车辆查询 数据库更新 图形界面 数据库管理 终端管理 图 31 系统功能结构图 GPS 导航 全网监控 第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 9 安全性需求 由于车辆稽查数据库为保密性数据库，非合法人员不能使用、窃取数据库数据，因此，在通信时候必须保证安全性。 本系统通过用户认证、通信加密等方式来实现安全性。 4. 总体设计 根据需求分析结果，总结出车辆稽查系统需要满足的一些特性，分别为：低成本、高安全、界面友好、性能稳定、具有可扩展性、服务器并发量大。 根据这些特点，作者在此提出了如下系统结构， 采用 C/S 模型。 如图 41 所示。 终端采用 ARM9 芯片，带有 GPRS 模块可以无线上网，以触摸屏做为数据输入和显示，并具有 GPS 功能。 采用 Linux 作为操作系统和 C/C++编程语言，借助 QT 框架，提供了 友好的图形界面。 查询数据以 TCP/IP 数据包的形式输送给 GPRS 网络。 GPRS 网络通过无线基站，将收到的数据 包 通过其网关（ GGSN） 送入 到因特网中，而因特网 将数据包传送到服务器，供服务器处理。 稽查系统服务器采用红帽 Linux 企业版做为操作系统，以 Oracle 作为后台数据库，以 java 作为编程语言。 主要 负责接收终端发送过来的 TCP/IP 数据包并执行数据库查询或更新操作，并且返回给果，同时提供图形界面以支持对终端的管理工作 、监控工作 和对数据库进行操作。 在实际运行的时候， 服务器可以采用 专线 接入到 GPRS 网络中， 这样可以避免重要数据库在因特网上的传送。 图 41 系统总体结构图 第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 10 5. 终端 详细设计 终端硬件设计 终端硬件设计如下图所示，其中电源电路、复位电路等没有标出来。 下图主要是列举了一些重要的功能，考虑可扩展性，可以在未来接上 WIFI 和蓝牙、红外 、摄像头等 接口。 处理器 终端采用 三星公司的 S3C2410 芯片。 S3C2410 是一款基于 ARM920T 内核的 16/32位 RISC 嵌入式微处理器， 主要面向手持设备以及高性价比， 低功耗的应用。 运行的频率可以达 266MHz。 ARM920T 核由 ARM9TDMI，存储管理单元（ MMU）和高速缓存三部分组成。 其中MMU可以管理虚拟内存， 高速缓存由独立的 16KB 指令 Cache 和 16KB 数据 Cache 组成。 S3C2410 丰富的接口电路为以后的扩展性打下了基础。 S3C2410 外设概览：  支持 STN 和 TFT 的 LCD 控制器。 S3C2410 （ ARM9) 64M SDRAM 64M flash 串口控制器 LCD液晶显示器 GPRS模块 图 51 终端 硬件 组成 串口控制器 GPS模块 第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 11  SDRAM 控制器和外部存储 器接口。  NandFlash 控制器。  3 个通道的 UART，其中一个通道可作为 IrDA 红外通讯接口。  4 个通道的 DMA。  4 个具有 PWM 功能的定时器和一个内部时钟。  8 通道的 10 位 ADC。  四线电阻式触摸屏接口。  IIS 音频接口。  2 个 USB 主机接口， 1 个 USB 设备接口。  1 个 IIC 总线接口和 2 个 SPI 总线接口。  SD 卡接口。  看门狗定时器和 RTC 实时时钟。  117 位通用 I/O 口和 24 位外部中断源。 GPRS 模 块 GPRS 模块采用 PTM 100 模块，该模块兼容标准的 AT 指令集，内嵌 TCP/IP 协议和彩信功能和 GSM 功能，可以很好地满足我们的实验要求。 处理器和 GPRS 模块通信采用 AT 指令， 部分 AT 指令如下： 1． ATE0 用于关闭 GPRS 模块的串口回显 2． ATZ 测试是否正常工作 3． ATD+电话号码 用于拨打电话 4． AT+CMGF= AT+GMGS=“电话号码” 用于发送短消息 5． AT^CIPSTART=TCP,对方 IP，端口号 建立 TCP 连接 6． AT^CIPSEND=字符串 发送 TCP 数据 7． AT^CIPCLOSE 关闭 TCP 连接 GPS 模块 GPS 接收模块选用芬兰 Fast rax 公司的 i Trax100。 该模块支持 NMEA0183 和 Sony ASCⅡ协议的数据格式。 GPS 模块通过串口 将数据以固定的帧格式发送至 处理器。 GPS 模块需要配备专门的 GPS 天线接收 GPS 卫星信号。 一般在比较开阔的地区 ， 需接 收 3 颗以上的 GPS 卫星信号才能进行准确定位。 其输出语句采用的是 NMEA 0183 即 ASCII 格式码，包括 GG A、 GSA、 RMC、 GSV、 RMC、 RMT、 VTG 等。 这些定位语句不仅 给出了位置、速度、时间等信息 ,而且指出了当第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 12 地的卫星接收情况。 根据项目的实际需求 ,本设计只提取 GGA 数据。 GGA 数据的数据格式为 :所有的信息由 $开始 ,以换行结束 ,紧跟着 $后的五个字符解释了信息的基本类型 ， 多重的信息之间用逗号隔开。 其中〈 CR〉代表回车控制符 ,〈 LF〉 代表换行控制符。 具体说明如下 : $ GPGG A ,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,*checksumCRLF 1UTC 时间： 格式； 2定位状态： A=有效定位， V=无效定位； 3纬度 格式； 4纬度半球 N （北半球）或 S （南半球）； 5经度 格式； 6经度半球 E （东经）或 W （西经）； 7地面速率； 8地面航向； 9UTC 日期， ddmmyy （日月年）格式； 10磁偏角； 终端软件设计 终端软件由引导程序、操作系统、应用程序组成。 而应用程序借助操作系统，实现了车辆查询、更新、拨打电话、加解密、图形界面显示等功能。 三者关系如下： uboot 引导程序 Linux 操作系统内核 图 52 终端软件组成 终端硬件 基于 QT 框架的图形界面 GPS 导航 查询车辆 信息息 拨打电话、发送 短信 第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 13 终端引导程序 BootLoader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。 通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。 对于嵌入式系统来说，常用的 Bootloader 很多，有 uboot、 vivi、 Blob、 RedBoot、ARMBoot 等等，也可以自己开发制作 Bootloader，为了减少软件开发周期，应该选择开放的 Bootloader，通过修改部分代码进行移植。 uboot 是德国 DENX 小组开发的用于多种嵌入式 CPU的 bootloader 程序，它可以运行在基于 ARM、 PowerPC、 MIPS 等多种嵌入式开发板上。 由于其开源性，并且可移植的平台多、功能丰富、稳定性好，本系统 使用 uboot 做为启动引导程序。 操作系统 随着消费类电子产品的快速发展，嵌入式操作系统得到了广泛的应用。 目前，主流的嵌入式操作系统有 Vxworks、 Windows CE、 uc/OS－ II、 uClinux、 Embedded Linux 等。 本系统采用嵌入式 Linux 为软件开发平台，采用了 内核，沿袭了主流 Linux 的绝大部分特性，是一个 完全免费的、开放源代码的系统，用户可以根据用户自己的不同要求对操作系统进行裁减，以节省不必要的开销。 另外， Linux 系统开发资源丰富，拥有丰富的驱动程序、应用程序和开发工具，能够根据用户的需要，移植到嵌入式 Linux 系统中。 开源的操作系统和驱动程序，为终端的开发缩短了周期。 应用程序 应用程序 采用 C 和 C＋＋混合编程。 主要完成系统的大部分功能，利用 Linux 系统调用，可以直接通过串口和 GPS、 GPRS 通信，从而完成无线上网、全球导航等功能，利用GSM 功能，还可以实现拨打电话、发送短息等等。 利用 QT 框架，可 以编写图形界面，将有关数据以图形界面显示出来。 应用程序与服务器的数据需要经过加解密，因此需要借助加解密算法进行数据的封转，和服务器的通信需要遵循一定的协议，这个协议是架设在 TCP 协议之上的应用层协议，是本系统专有的。 应用程序模块图如 图 53 所示。 注意如果需要和服务器通信的数据一般需要加解密，而数据如果本地使用，则不需要加解密。 第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 14 基于 QT 框架的图形界面 GPS 导航 DES 加解密引擎 用户 登陆 认证 查询车辆信息 开罚 单单 打电话、发信 息 Linux串口 API（ 库 ） 图 53 应用程序软件构成 GPRS/GPS 通用函数 图形界面 图形界面采用 QTE。 QT/Embedded 是一个为嵌入式设备上的图形用户接口和应用开发而定做的 C++开 发包，它通常可以运行在多种不同的处理器平台上。 运行 Qt/Embedded所需要的系统资源可以很小，只要求一个较小的存储空间和内存。 Qt/Embeded 可以运行在不同的处理器上部署的 Linux 系统。 图形界面采用 QT 框架开发，而有关的 GPS 导航功能、查询车辆功能、开罚单功能、打电话、发信息等终端功能依赖函数实现，属于面向对象和面向过程混合编程。 这些封转好的函数如下 表所示： 第五届省长杯工业设计大赛 项目编号 D00018 15 函数原型 功能描述 int login(char *name, char *passwd ) 功能： 用户登录 参数： name 存放用户名称， passwd 存放密码 返回值：成功返回 0，失败返回 1，错误原因存放在 result 变量中 int search(char *number, char *buf, int len ) 功能： 查询车辆 参数： number 存放车辆号码， buf 存放查洵得到的数据， len 存放 buf 的长度 返回值： 成功返回 0，失败返回 1，错误原因存放在 result 变量中 int update( char *number, char *item, int value ) 功能：更新 数据库 车辆信息 ，供开罚单使用 参数： number 存放车辆号码， item 指定要更新的条目， value 是对应的值 返回值： 成功返回 0，失败返回 1，错误原因存放在 result 变量中 int get_gps( char *buf, int *len) 功能 :取得 GPS定位信息 参数： buf 存放 GPS 定位信息， len 存放 buf 长度 返回值：。