大學(xué)軟件工程嵌入式的課程設(shè)計_GPS系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫

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大學(xué)軟件工程嵌入式的課程設(shè)計_GPS系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫,   

  

GPS

GPS系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。包括車輛導(dǎo)航、地球物理資源勘探、市政規(guī)劃控制、海洋救援、飛機導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等等。不過最能夠被我們感受到的還是和我們生活最密切相關(guān)的導(dǎo)航服務(wù)。

GPS系統(tǒng)一般由地面控制系統(tǒng)、空間衛(wèi)星、地面接收裝置三部分組成。用在導(dǎo)航的設(shè)備當(dāng)中只有一個地面接收裝置。地面裝置接收來自空間衛(wèi)星的信號，并計算出自己的位置。有了位置信息以后配合復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)處理技術(shù)，導(dǎo)航設(shè)備就能夠輕松地將你送到目的地，并查詢出你感興趣的信息。

近年來，GPS導(dǎo)航設(shè)備越來越普及。在日本，使用GPS信號的車載導(dǎo)航設(shè)備面世已經(jīng)有將近20年的歷史了。很多人目睹了車載導(dǎo)航設(shè)備從昂貴的奢侈品到大量普及的過程。日本現(xiàn)有十多家廠商生產(chǎn)車載導(dǎo)航設(shè)備，除了在新車銷售同時配裝的原裝導(dǎo)航設(shè)備之外，現(xiàn)在日本年零售的車載導(dǎo)航設(shè)備有50多個品種，年銷售100萬臺左右。

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在日本的車載導(dǎo)航設(shè)備的普及率在36％左右，因為商用車使用率比較低，所以如果只限家用轎車的話，普及率應(yīng)該更高。另外，還有大量的個人導(dǎo)航設(shè)備（PND，PersonalNavigationDevice）正在被使用。

自動導(dǎo)航法和GPS

車載導(dǎo)航設(shè)備是GPS導(dǎo)航服務(wù)最廣泛的應(yīng)用之一。但是，車載導(dǎo)航設(shè)備最早只是裝載有車速脈沖、羅盤傳感器等自動導(dǎo)航法的裝置。使用這種自動導(dǎo)航法的裝置，要依靠裝置自身來推算出車輛的位置。因此，只能夠粗略地告訴駕駛員現(xiàn)在的位置及駛向目的地的路線。行駛開始一段時間后，必須對行駛到的地點、行駛方向和行駛角度進行調(diào)整，使用起來極不方便也談不上多準確，只是一個大概的位置服務(wù)。所以，最早在日本的車展上看到車載導(dǎo)航設(shè)備時，很多廠商的宣傳重點都在車輛的準確定位上。

現(xiàn)在GPS方法非常盛行，該方法通過GPS推算出車輛的位置。不過只靠GPS的話，不管怎樣設(shè)計總會有某種程度的誤差。在日本當(dāng)時就因為美國衛(wèi)星發(fā)送信號的誤差，沿著海邊行駛的車輛，其導(dǎo)航設(shè)備上的自車標志（一個三角形箭頭）經(jīng)常會跑到海上去，讓人啼笑皆非。

因此，為了彌補雙方的缺點，日本的廠商將GPS和自動導(dǎo)航法裝置結(jié)合來推算出車輛的位置，很好地解決了車輛自律準確定位的問題�，F(xiàn)在即使是車輛進入山洞等無法接收衛(wèi)星信號的地方，導(dǎo)航設(shè)備上自車位置也會很準確地在地圖的道路上顯現(xiàn)。隨著技術(shù)的進步，單純使用GPS信號的導(dǎo)航設(shè)備也大量進入市場。GPS逐漸成為各種導(dǎo)航設(shè)備的主流技術(shù)。

GPS導(dǎo)航和LBS

僅有GPS所獲得的準確的空間位置坐標是毫無意義的。導(dǎo)航設(shè)備必須和基于位置的信息服務(wù)（LBS）相結(jié)合才會方便人們的生活，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。隨著GPS模塊嵌入到諸多的移動設(shè)備上去，LBS逐漸成為移動運營商大力發(fā)展的下一個增值業(yè)務(wù)。在日本的汽車GPS導(dǎo)航設(shè)備中，LBS非常人性化。導(dǎo)航設(shè)備檢測出車輛自身的位置后，根據(jù)需要查詢出用戶感興趣的信息（POI）并提示給用戶。

日本的導(dǎo)航設(shè)備內(nèi)地圖的POI量非常豐富，比如加油站、飲食店、銀行、郵局，甚至廁所等等。開車到相對陌生的地區(qū)或者深更半夜時，這種功能十分有效，可以短時間解決問題。另外，外出旅游時，也可以通過檢索的選項（比如車站、休閑、地址等）了解某個區(qū)域內(nèi)的名勝古跡，紀念堂、博物館、服務(wù)處、體育場、休閑地等等。檢索、保存等操作也十分簡便，只要用手指往自己想去的方向點劃，就可鎖定想去的目標。導(dǎo)航設(shè)備內(nèi)還存儲了日本黃頁中1000萬個電話號和3000萬個家庭電話號。也就是說只要輸入電話號碼，就可以很輕易地檢索到從車輛位置到達目的地的路徑。一些已經(jīng)去過的地方，只要在保存過的目錄中搜一下，馬上就可以激活。外出回家時，只需按一下回家鍵，導(dǎo)航設(shè)備便會依據(jù)最早設(shè)定的條件，檢索出一條便捷的回家路線。

日本導(dǎo)航設(shè)備的地圖顯示也體現(xiàn)了位置服務(wù)。比例為50米以下時，地圖上還會顯示單行道及其方向。比例為10米時，甚至可以設(shè)定自己的車在道路的哪一側(cè)。地圖的顯示可以是平面的，也可以是立體的，立體又可以顯示為鳥瞰式和駕駛視野式的，立體圖像會在相應(yīng)地點顯示標志性建筑。

GPS導(dǎo)航和ITS

智能交通系統(tǒng)（ITS）將道路、駕駛員和車輛有機地結(jié)合在一起，加強三者之間的聯(lián)系。將交通信息、堵車信息等不斷變化的道路狀況實時提供給需要的人們，以增強行車安全，減少行車時間，并指導(dǎo)行車路線。

日本的政府和企業(yè)組成了一個ITS的聯(lián)合組織。這個組織在道路上裝配了各種監(jiān)視器和智能設(shè)備，實時采集道路的動態(tài)信息。如：車速、流量、路面狀況等。然后將這些信息進行匯總和分析，最終通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給感興趣的導(dǎo)航設(shè)備。有了這些信息，導(dǎo)航設(shè)備在檢索目的地時，可以按照不同的優(yōu)先條件提供多條行車線路。開車人根據(jù)自己的喜好決定其中的一條線路就可以輕松上路了。當(dāng)然，開車人如果不放心，也可以在上路前查閱每條檢索的路線內(nèi)容。這時導(dǎo)航設(shè)備就會顯示每個區(qū)段經(jīng)過的道路名稱和距離，包括使用收費道路時的費用等等。

當(dāng)你決定了一條路線后，這條路線就會在導(dǎo)航設(shè)備的地圖上顯示為比較醒目的粗線條，直行或拐彎一目了然。導(dǎo)航設(shè)備一路都會用聲音提示你行車線路。在各個交叉路口，畫面會顯示和實際道路上指路牌一樣的標識和內(nèi)容，包括每個交叉路口的名稱。開車的人只需聽著語音導(dǎo)航就可以確認自己所在位置和應(yīng)該前行的方向。在多又路口會告訴你具體走哪個車道，轉(zhuǎn)向左還是右。畫面會同時顯示交叉口有幾個車道，是否有左拐右轉(zhuǎn)的專用車道的詳細畫面。即使因為種種原因錯過路口轉(zhuǎn)彎的時機，導(dǎo)航設(shè)備馬上會自動根據(jù)車輛的位置重新檢索一條路線來引導(dǎo)你。除了顯示地圖、導(dǎo)航和行車軌跡外，還顯示指南針、時間、堵車信息、距離目的地的剩余路程和預(yù)定時間，以及現(xiàn)在車輛所在的行政區(qū)劃和具體地名等等。所有這些都會實時用語音告訴駕駛員。

GPS導(dǎo)航和娛樂

隨著導(dǎo)航設(shè)備的普及和眾多廠家的競爭需要，很多廠家將娛樂功能和導(dǎo)航設(shè)備集成在一起。日本的車載導(dǎo)航設(shè)備已經(jīng)能夠看電視、聽音樂、看影碟甚至上網(wǎng)，將家庭能夠享受到的娛樂環(huán)境都搬到了車內(nèi)。

導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)

GPS的數(shù)據(jù)屬于地圖數(shù)據(jù)，GIS的數(shù)據(jù)屬于地理數(shù)據(jù)。地圖數(shù)據(jù)是地理數(shù)據(jù)的子集。地圖數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)一樣基本由空間數(shù)據(jù)、非空間數(shù)據(jù)和時間因素組成�？臻g數(shù)據(jù)是對具有空間特征的地物對象的數(shù)據(jù)化表示�？臻g特征是指空間地物的位置、形狀和大小等幾何特征，以及與相鄰地物的空間關(guān)系。在GPS系統(tǒng)中，每個物體空間都是一組具有經(jīng)緯度和高程度的坐標的點組成的。

各個物體的空間關(guān)系也是通過坐標點計算所得。而日常生活中，人們都是依靠各個物體的相對位置關(guān)系來確定空間位置的。非空間數(shù)據(jù)主要是空間目標的屬性特征。它是指除了時間和空間特征以外的空間現(xiàn)象的其他特征。如交通流量、天氣、空氣污染程度、道路寬度等等。時間特性是對空間目標及其屬性隨著時間變化的一種描述和表現(xiàn)，如擁堵狀況會隨著時間的變化而變化。

根據(jù)GPS數(shù)據(jù)的特性．人們將復(fù)雜的空間對象進行抽象，用數(shù)學(xué)表達為四大類：數(shù)字線劃數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和屬性數(shù)據(jù)。其中數(shù)字線劃數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)是現(xiàn)在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中最感興趣的數(shù)據(jù)。數(shù)字線劃數(shù)據(jù)是將空間地物直接抽象為點、線、面的實體，用坐標描述它的位置和形狀。數(shù)字線劃數(shù)據(jù)是GPS的核心，也是地圖數(shù)據(jù)處理的主要對象。不過，GPS變得如此豐富，應(yīng)用如此廣泛，給我們帶來極大方便的還是它的屬性數(shù)據(jù)�？臻g目標的屬性數(shù)據(jù)是沒有限制的，根據(jù)不同的目標可以設(shè)定任意多的必要的相關(guān)屬性。

目前在地圖數(shù)據(jù)的處理模型中用的最多的是拓撲矢量數(shù)據(jù)模型（空間目標可以描述成矢量數(shù)據(jù)。拓撲矢量數(shù)據(jù)模型是表示這些矢量數(shù)據(jù)之間的包含、相交、相離、相鄰等拓撲關(guān)系的一種數(shù)學(xué)模型），而屬性數(shù)據(jù)模型通常用的是關(guān)系模型。拓撲矢量的圖形數(shù)據(jù)和關(guān)系型屬性數(shù)據(jù)之間用何種方式來連接也是一個需要仔細推敲的問題。目前比較常見的辦法是擴展RDBMS增加空間數(shù)據(jù)管理。

無論是導(dǎo)航、位置服務(wù)還是智能交通，都需要對地圖數(shù)據(jù)進行大量的查詢、更新和刪除，因此如何對空間數(shù)據(jù)建立索引就顯得非常重要。常見的空間索引方法一般都是逐級劃分地理空間，把查詢空間分成若干區(qū)域．從而形成各種空間索引結(jié)構(gòu)。被劃分的區(qū)域包含空間要素并且有唯一標識。我們常見的網(wǎng)格系列索引和R樹系列索引都是建立在空間劃分基礎(chǔ)上的，只不過前者是基于規(guī)則分割法的劃分。后者是基于對象的劃分。

空間（導(dǎo)航）數(shù)據(jù)庫

空間數(shù)據(jù)庫能夠很好地將空間數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)無縫連接，是地理信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的主流。導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫可以看作空間數(shù)據(jù)庫的一個子集（也有人認為是交集），是指為處理GPS的各種空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)而建立的具有統(tǒng)一技術(shù)標準的地圖數(shù)據(jù)庫。它能夠存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并且對這些數(shù)據(jù)建立索引，方便其他應(yīng)用系統(tǒng)快速地訪問這些數(shù)據(jù)，同時負責(zé)處理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)系。從內(nèi)容上可以描述成以空間數(shù)據(jù)（道路網(wǎng)等）為骨架的地理框架信息，其上疊加著屬性數(shù)據(jù)（社會經(jīng)濟信息以及交通信息）等。

市場上成熟的幾個企業(yè)級的空間數(shù)據(jù)庫都是將空間數(shù)據(jù)存儲在RDBMS中，但是RDBMS一開始并沒有提供空間數(shù)據(jù)類型（如點、線、多邊形等），也沒有提供對這些空間數(shù)據(jù)類型的操作（如：判斷空間對象之間的包含、相鄰、相交等關(guān)系及求差、距離、最短路徑等計算）。后來人們在RDBMS的基礎(chǔ)上發(fā)展了支持空間數(shù)據(jù)的存儲和操作。常見的處理辦法如下：

在數(shù)據(jù)庫中可以定義多種空間數(shù)據(jù)類型，每種空間數(shù)據(jù)都以二進制的形式存儲具體的信息，同時存儲對該二進制數(shù)據(jù)的描述信息（稱為空間元數(shù)據(jù)）。每個空間目標（對象）就是符合這個二進制字段規(guī)格的具體數(shù)值。把空間數(shù)據(jù)以二進制的字段形式存儲，就能夠在同一張表內(nèi)同時允許空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)同時存在，大大方便了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的操作。

除了空間數(shù)據(jù)以外，隨著導(dǎo)航設(shè)備的發(fā)展，影像數(shù)據(jù)的處理和多媒體數(shù)據(jù)的處理也是必須解決的問題。這涉及到另外一個話題——多媒體數(shù)據(jù)庫。不過一些大型的企業(yè)級數(shù)據(jù)庫提供商的產(chǎn)品，基本上可以滿足空間數(shù)據(jù)庫和多媒體數(shù)據(jù)庫的處理要求�？臻g數(shù)據(jù)庫提供了容易理解和調(diào)用的各種接口，屏蔽了復(fù)雜而抽象的各種空間數(shù)據(jù)的存儲和計算方法，使得最終用戶不需要花費多大的精力來理解這些復(fù)雜的過程就能夠輕松地進行空間數(shù)據(jù)的處理。

如：Empress數(shù)據(jù)庫對空間數(shù)據(jù)的存儲、插入、修改操作完全和普通關(guān)系型數(shù)據(jù)一樣，一個Insert／update語句就可以；查詢空間目標之間的關(guān)系，也可以用簡單的SQL語句來實現(xiàn)。一條簡單的select語句就可以查詢出幾個空間對象之間相鄰、相交、包含等復(fù)雜的拓撲關(guān)系�？臻g數(shù)據(jù)庫在很好地完成空間數(shù)據(jù)的存儲和操作以外，還為開發(fā)者提供了簡單方便的調(diào)用方式�？臻g數(shù)據(jù)如何組織也會影響具體的應(yīng)用。在導(dǎo)航中應(yīng)用時，數(shù)據(jù)的組織應(yīng)該以路徑優(yōu)化和目標查找的高效為目標。這樣，在數(shù)據(jù)存儲的時候，就應(yīng)該考慮具體的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)如何劃分成不同的集合并關(guān)聯(lián)，進而，使得具體的應(yīng)用變得更加高效。尤其是在嵌入式領(lǐng)域，由于資源的限制和效率的要求，必須進行有針對性的優(yōu)化。嵌入式領(lǐng)域的Empress空間（導(dǎo)航）數(shù)據(jù)庫

現(xiàn)在，企業(yè)級應(yīng)用當(dāng)中，大家都會使用空間數(shù)據(jù)庫來處理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，以及二者之間的關(guān)系，對這些信息進行檢索和更新都非常方便。在嵌入式領(lǐng)域則很難有比較好的空間數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。這是因為嵌入式領(lǐng)域內(nèi)存和磁盤的存儲空間有限，CPU的處理能力也有限�，F(xiàn)有的一些嵌入式數(shù)據(jù)庫的提供商基本上只能提供最基本的關(guān)系型數(shù)據(jù)處理引擎或結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理引擎，基本上沒有針對空間數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)處理引擎。不過Empress嵌入式數(shù)據(jù)庫有30年的積累，不僅提供關(guān)系型和結(jié)構(gòu)型的數(shù)據(jù)引擎，也有專門針對空間數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)庫引擎，在北美的許多軍事項目中有很多實例。當(dāng)然，正如前文所說，針對導(dǎo)航領(lǐng)域的優(yōu)化是必要的，Empress也正在為全球著名的廠商進行這方面的工作。

在國內(nèi)的嵌入式領(lǐng)域，許多廠家仍然堅持文件的方式，原因很簡單，主要是沒有看到國內(nèi)有成熟的嵌入式數(shù)據(jù)庫在這個領(lǐng)域的成功應(yīng)用，一時也很難說服自己。所以，以下簡單列舉嵌入式領(lǐng)域空間數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)的對比。

Empress嵌入式領(lǐng)域的空間數(shù)據(jù)管理引擎不僅提供標準的和擴展的SQL語句，還提供了高速靈活的C語言接口。因為。嵌入式領(lǐng)域往往穩(wěn)定性、速度和性能是首要的，為了減少系統(tǒng)開銷。增加數(shù)據(jù)處理的靈活性，必須要有高速靈活的接口。

另外，嵌入式領(lǐng)域?qū)��?shù)據(jù)庫的引擎尺寸也很敏感。Empress嵌入式領(lǐng)域的空間數(shù)據(jù)管理引擎的尺寸根據(jù)客戶選擇的功能多少會有差距。引擎是可以嵌入到最終的應(yīng)用程序中去的，對最終用戶是透明的，不需要維護。

下面簡單介紹一下全球最大的某汽車廠商使用Empress嵌入式空間數(shù)據(jù)庫為車載導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)處理核心組件以后帶來的一些變化。

首先，可以進行復(fù)雜的復(fù)合檢索、模糊檢索。如：“要在距離北京天安門10公里范圍內(nèi)，并距離北京火車站3公里的范圍內(nèi)的地方尋找名字當(dāng)中有‘錦’字的三星級以上賓館”。這種檢索要用文件方式恐怕很難實現(xiàn)，即使勉強實現(xiàn)代價也非常昂貴。在嵌入式空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)，則很容易實現(xiàn)，效率也非常高。

其次，可以對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)進行實時的更新，同時要保證這些更新的安全性，防止重復(fù)更新、無效更新甚至對原有數(shù)據(jù)的一致性產(chǎn)生破壞。Empress空間數(shù)據(jù)庫利用事務(wù)、各種粒度的鎖等來達到這些目的。

  

GPS和嵌入式數(shù)據(jù)庫

最后，不同的使用者可以設(shè)定自己的個性化數(shù)據(jù)和個性化功能。在使用導(dǎo)航時會根據(jù)個人的身份數(shù)據(jù)的不同。而產(chǎn)生不同的檢索結(jié)果。并且，可以對使用者的隱私數(shù)據(jù)進行引擎級別的加密，保證絕對安全。