大学软件工程嵌入式的课程设计_GPS系统和嵌入式数据库

小嵌

大学软件工程嵌入式的课程设计_GPS系统和嵌入式数据库,   

  

GPS

GPS系统的应用非常广泛。包括车辆导航、地球物理资源勘探、市政规划控制、海洋救援、飞机导航、导弹制导等等。不过最能够被我们感受到的还是和我们生活最密切相关的导航服务。

GPS系统一般由地面控制系统、空间卫星、地面接收装置三部分组成。用在导航的设备当中只有一个地面接收装置。地面装置接收来自空间卫星的信号，并计算出自己的位置。有了位置信息以后配合复杂的空间数据处理技术，导航设备就能够轻松地将你送到目的地，并查询出你感兴趣的信息。

近年来，GPS导航设备越来越普及。在日本，使用GPS信号的车载导航设备面世已经有将近20年的历史了。很多人目睹了车载导航设备从昂贵的奢侈品到大量普及的过程。日本现有十多家厂商生产车载导航设备，除了在新车销售同时配装的原装导航设备之外，现在日本年零售的车载导航设备有50多个品种，年销售100万台左右。

据统计，现在日本的车载导航设备的普及率在36％左右，因为商用车使用率比较低，所以如果只限家用轿车的话，普及率应该更高。另外，还有大量的个人导航设备（PND，PersonalNavigationDevice）正在被使用。

自动导航法和GPS

车载导航设备是GPS导航服务最广泛的应用之一。但是，车载导航设备最早只是装载有车速脉冲、罗盘传感器等自动导航法的装置。使用这种自动导航法的装置，要依靠装置自身来推算出车辆的位置。因此，只能够粗略地告诉驾驶员现在的位置及驶向目的地的路线。行驶开始一段时间后，必须对行驶到的地点、行驶方向和行驶角度进行调整，使用起来极不方便也谈不上多准确，只是一个大概的位置服务。所以，最早在日本的车展上看到车载导航设备时，很多厂商的宣传重点都在车辆的准确定位上。

现在GPS方法非常盛行，该方法通过GPS推算出车辆的位置。不过只靠GPS的话，不管怎样设计总会有某种程度的误差。在日本当时就因为美国卫星发送信号的误差，沿着海边行驶的车辆，其导航设备上的自车标志（一个三角形箭头）经常会跑到海上去，让人啼笑皆非。

因此，为了弥补双方的缺点，日本的厂商将GPS和自动导航法装置结合来推算出车辆的位置，很好地解决了车辆自律准确定位的问题。现在即使是车辆进入山洞等无法接收卫星信号的地方，导航设备上自车位置也会很准确地在地图的道路上显现。随着技术的进步，单纯使用GPS信号的导航设备也大量进入市场。GPS逐渐成为各种导航设备的主流技术。

GPS导航和LBS

仅有GPS所获得的准确的空间位置坐标是毫无意义的。导航设备必须和基于位置的信息服务（LBS）相结合才会方便人们的生活，产生巨大的经济效益。随着GPS模块嵌入到诸多的移动设备上去，LBS逐渐成为移动运营商大力发展的下一个增值业务。在日本的汽车GPS导航设备中，LBS非常人性化。导航设备检测出车辆自身的位置后，根据需要查询出用户感兴趣的信息（POI）并提示给用户。

日本的导航设备内地图的POI量非常丰富，比如加油站、饮食店、银行、邮局，甚至厕所等等。开车到相对陌生的地区或者深更半夜时，这种功能十分有效，可以短时间解决问题。另外，外出旅游时，也可以通过检索的选项（比如车站、休闲、地址等）了解某个区域内的名胜古迹，纪念堂、博物馆、服务处、体育场、休闲地等等。检索、保存等操作也十分简便，只要用手指往自己想去的方向点划，就可锁定想去的目标。导航设备内还存储了日本黄页中1000万个电话号和3000万个家庭电话号。也就是说只要输入电话号码，就可以很轻易地检索到从车辆位置到达目的地的路径。一些已经去过的地方，只要在保存过的目录中搜一下，马上就可以激活。外出回家时，只需按一下回家键，导航设备便会依据最早设定的条件，检索出一条便捷的回家路线。

日本导航设备的地图显示也体现了位置服务。比例为50米以下时，地图上还会显示单行道及其方向。比例为10米时，甚至可以设定自己的车在道路的哪一侧。地图的显示可以是平面的，也可以是立体的，立体又可以显示为鸟瞰式和驾驶视野式的，立体图像会在相应地点显示标志性建筑。

GPS导航和ITS

智能交通系统（ITS）将道路、驾驶员和车辆有机地结合在一起，加强三者之间的联系。将交通信息、堵车信息等不断变化的道路状况实时提供给需要的人们，以增强行车安全，减少行车时间，并指导行车路线。

日本的政府和企业组成了一个ITS的联合组织。这个组织在道路上装配了各种监视器和智能设备，实时采集道路的动态信息。如：车速、流量、路面状况等。然后将这些信息进行汇总和分析，最终通过无线网络传输给感兴趣的导航设备。有了这些信息，导航设备在检索目的地时，可以按照不同的优先条件提供多条行车线路。开车人根据自己的喜好决定其中的一条线路就可以轻松上路了。当然，开车人如果不放心，也可以在上路前查阅每条检索的路线内容。这时导航设备就会显示每个区段经过的道路名称和距离，包括使用收费道路时的费用等等。

当你决定了一条路线后，这条路线就会在导航设备的地图上显示为比较醒目的粗线条，直行或拐弯一目了然。导航设备一路都会用声音提示你行车线路。在各个交叉路口，画面会显示和实际道路上指路牌一样的标识和内容，包括每个交叉路口的名称。开车的人只需听着语音导航就可以确认自己所在位置和应该前行的方向。在多又路口会告诉你具体走哪个车道，转向左还是右。画面会同时显示交叉口有几个车道，是否有左拐右转的专用车道的详细画面。即使因为种种原因错过路口转弯的时机，导航设备马上会自动根据车辆的位置重新检索一条路线来引导你。除了显示地图、导航和行车轨迹外，还显示指南针、时间、堵车信息、距离目的地的剩余路程和预定时间，以及现在车辆所在的行政区划和具体地名等等。所有这些都会实时用语音告诉驾驶员。

GPS导航和娱乐

随着导航设备的普及和众多厂家的竞争需要，很多厂家将娱乐功能和导航设备集成在一起。日本的车载导航设备已经能够看电视、听音乐、看影碟甚至上网，将家庭能够享受到的娱乐环境都搬到了车内。

导航设备的数据

GPS的数据属于地图数据，GIS的数据属于地理数据。地图数据是地理数据的子集。地图数据和地理数据一样基本由空间数据、非空间数据和时间因素组成。空间数据是对具有空间特征的地物对象的数据化表示。空间特征是指空间地物的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻地物的空间关系。在GPS系统中，每个物体空间都是一组具有经纬度和高程度的坐标的点组成的。

各个物体的空间关系也是通过坐标点计算所得。而日常生活中，人们都是依靠各个物体的相对位置关系来确定空间位置的。非空间数据主要是空间目标的属性特征。它是指除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征。如交通流量、天气、空气污染程度、道路宽度等等。时间特性是对空间目标及其属性随着时间变化的一种描述和表现，如拥堵状况会随着时间的变化而变化。

根据GPS数据的特性．人们将复杂的空间对象进行抽象，用数学表达为四大类：数字线划数据、影像数据、数字高程模型和属性数据。其中数字线划数据和属性数据是现在GPS导航系统中最感兴趣的数据。数字线划数据是将空间地物直接抽象为点、线、面的实体，用坐标描述它的位置和形状。数字线划数据是GPS的核心，也是地图数据处理的主要对象。不过，GPS变得如此丰富，应用如此广泛，给我们带来极大方便的还是它的属性数据。空间目标的属性数据是没有限制的，根据不同的目标可以设定任意多的必要的相关属性。

目前在地图数据的处理模型中用的最多的是拓扑矢量数据模型（空间目标可以描述成矢量数据。拓扑矢量数据模型是表示这些矢量数据之间的包含、相交、相离、相邻等拓扑关系的一种数学模型），而属性数据模型通常用的是关系模型。拓扑矢量的图形数据和关系型属性数据之间用何种方式来连接也是一个需要仔细推敲的问题。目前比较常见的办法是扩展RDBMS增加空间数据管理。

无论是导航、位置服务还是智能交通，都需要对地图数据进行大量的查询、更新和删除，因此如何对空间数据建立索引就显得非常重要。常见的空间索引方法一般都是逐级划分地理空间，把查询空间分成若干区域．从而形成各种空间索引结构。被划分的区域包含空间要素并且有唯一标识。我们常见的网格系列索引和R树系列索引都是建立在空间划分基础上的，只不过前者是基于规则分割法的划分。后者是基于对象的划分。

空间（导航）数据库

空间数据库能够很好地将空间数据、影像数据和属性数据无缝连接，是地理信息系统中数据处理的主流。导航数据库可以看作空间数据库的一个子集（也有人认为是交集），是指为处理GPS的各种空间数据和属性数据而建立的具有统一技术标准的地图数据库。它能够存储空间数据和属性数据，并且对这些数据建立索引，方便其他应用系统快速地访问这些数据，同时负责处理空间数据和属性数据的关系。从内容上可以描述成以空间数据（道路网等）为骨架的地理框架信息，其上叠加着属性数据（社会经济信息以及交通信息）等。

市场上成熟的几个企业级的空间数据库都是将空间数据存储在RDBMS中，但是RDBMS一开始并没有提供空间数据类型（如点、线、多边形等），也没有提供对这些空间数据类型的操作（如：判断空间对象之间的包含、相邻、相交等关系及求差、距离、最短路径等计算）。后来人们在RDBMS的基础上发展了支持空间数据的存储和操作。常见的处理办法如下：

在数据库中可以定义多种空间数据类型，每种空间数据都以二进制的形式存储具体的信息，同时存储对该二进制数据的描述信息（称为空间元数据）。每个空间目标（对象）就是符合这个二进制字段规格的具体数值。把空间数据以二进制的字段形式存储，就能够在同一张表内同时允许空间数据和属性数据同时存在，大大方便了空间数据和属性数据的操作。

除了空间数据以外，随着导航设备的发展，影像数据的处理和多媒体数据的处理也是必须解决的问题。这涉及到另外一个话题——多媒体数据库。不过一些大型的企业级数据库提供商的产品，基本上可以满足空间数据库和多媒体数据库的处理要求。空间数据库提供了容易理解和调用的各种接口，屏蔽了复杂而抽象的各种空间数据的存储和计算方法，使得最终用户不需要花费多大的精力来理解这些复杂的过程就能够轻松地进行空间数据的处理。

如：Empress数据库对空间数据的存储、插入、修改操作完全和普通关系型数据一样，一个Insert／update语句就可以；查询空间目标之间的关系，也可以用简单的SQL语句来实现。一条简单的select语句就可以查询出几个空间对象之间相邻、相交、包含等复杂的拓扑关系。空间数据库在很好地完成空间数据的存储和操作以外，还为开发者提供了简单方便的调用方式。空间数据如何组织也会影响具体的应用。在导航中应用时，数据的组织应该以路径优化和目标查找的高效为目标。这样，在数据存储的时候，就应该考虑具体的空间数据和属性数据如何划分成不同的集合并关联，进而，使得具体的应用变得更加高效。尤其是在嵌入式领域，由于资源的限制和效率的要求，必须进行有针对性的优化。嵌入式领域的Empress空间（导航）数据库

现在，企业级应用当中，大家都会使用空间数据库来处理空间数据和属性数据，以及二者之间的关系，对这些信息进行检索和更新都非常方便。在嵌入式领域则很难有比较好的空间数据库产品。这是因为嵌入式领域内存和磁盘的存储空间有限，CPU的处理能力也有限。现有的一些嵌入式数据库的提供商基本上只能提供最基本的关系型数据处理引擎或结构化数据处理引擎，基本上没有针对空间数据处理的数据处理引擎。不过Empress嵌入式数据库有30年的积累，不仅提供关系型和结构型的数据引擎，也有专门针对空间数据处理的数据库引擎，在北美的许多军事项目中有很多实例。当然，正如前文所说，针对导航领域的优化是必要的，Empress也正在为全球著名的厂商进行这方面的工作。

在国内的嵌入式领域，许多厂家仍然坚持文件的方式，原因很简单，主要是没有看到国内有成熟的嵌入式数据库在这个领域的成功应用，一时也很难说服自己。所以，以下简单列举嵌入式领域空间数据库和文件系统的对比。

Empress嵌入式领域的空间数据管理引擎不仅提供标准的和扩展的SQL语句，还提供了高速灵活的C语言接口。因为。嵌入式领域往往稳定性、速度和性能是首要的，为了减少系统开销。增加数据处理的灵活性，必须要有高速灵活的接口。

另外，嵌入式领域对数据库的引擎尺寸也很敏感。Empress嵌入式领域的空间数据管理引擎的尺寸根据客户选择的功能多少会有差距。引擎是可以嵌入到最终的应用程序中去的，对最终用户是透明的，不需要维护。

下面简单介绍一下全球最大的某汽车厂商使用Empress嵌入式空间数据库为车载导航设备的数据处理核心组件以后带来的一些变化。

首先，可以进行复杂的复合检索、模糊检索。如：“要在距离北京天安门10公里范围内，并距离北京火车站3公里的范围内的地方寻找名字当中有‘锦’字的三星级以上宾馆”。这种检索要用文件方式恐怕很难实现，即使勉强实现代价也非常昂贵。在嵌入式空间数据库内，则很容易实现，效率也非常高。

其次，可以对数据库内的空间数据及其属性数据进行实时的更新，同时要保证这些更新的安全性，防止重复更新、无效更新甚至对原有数据的一致性产生破坏。Empress空间数据库利用事务、各种粒度的锁等来达到这些目的。

  

GPS和嵌入式数据库

最后，不同的使用者可以设定自己的个性化数据和个性化功能。在使用导航时会根据个人的身份数据的不同。而产生不同的检索结果。并且，可以对使用者的隐私数据进行引擎级别的加密，保证绝对安全。