00/029c6b4d--92b3-110337acb558华中科技大学
硕士学位论文
基于移动通信网络的车辆监控终端设计
姓名：夏阳
申请学位级别：硕士
专业：通信与信息系统
指导教师：卢益民
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
本文论述了车辆监控系统在国内外的研发现状和未来发展趋势，提出了符合车
辆监控要求的基于移动通信网络监控系统的设计方案，描述了车辆监控信系统的总
体结构，以及服务中心和监控终端的功能，详细论述了终端硬件和软件的实现过程,
并提出了系统可以扩展升级和需要改进的地方。
基于移动通信网络的车辆监控系统由车辆监控终端，系统服务中心和无线传输
网络组成，通过交互式的通信方式，采用主动报警和被动保护的双重保护措施切实
保障车辆和驾驶人员的安全。终端主要负责监控信息的实时采集和上传，并具有主
动报警功能；服务中心负责接收、分析、显示监控信息，同时可以提示监控人员进
行被动防御；传输网采用依托移动通信网络，以无线接入方式连接因特网。本文重
点论述了车辆监控终端的设计与实现。
终端包括了数据处理模块，移动网络数据传输模块，车辆定位信息采集模块和
图像采集模块，利用现有成熟的移动通信技术，静态图像压缩技术和全球定位技术，
通过智能处理分析方法，实现了基于移动网络车辆监控，提供了车辆有效的安全保
障的方案。经过多项测试，车辆监控终端和系统的各项性能都达到了应用要求，能
够完成实际的车辆监控任务，同时具有良好的可扩展性，真正实现了系统的通用性。
关键词：移动通信网络，车辆监控终端，服务中心，GPRS，JPEG
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This paper introduced the development status and trend of vehicle monitoring
system,then proposed a general solution adapted to the requirements of vehicle
monitoring system based on mobile network,described the overall structure of vehicle
monitoring system and the function of service centers、monitor terminal, discussed the
hardware and software implementation process in detail. It pointed out the improvements
which the system may need.
Vehicle monitoring system based on mobile communication network consists of
vehicle monitoring terminal, service center and wireless transmission network, it through
interactive communication, use active and passive protection to insure the safety of
vehicles and driver. Terminal is responsible for monitoring information collection and
real- service center is responsible for receiving, analysis, display
mo transmission network using GPRS to connect the Internet with
fixed IP. This paper focuses on the design and implementation of the vehicle monitoring
The terminal includes data processing module, wireless transmission module,
vehicle location information acquisition module and image acquisition module, using
GPRS, JPEG technology and global positioning technology, through the intelligent
processing and analysis methods to achieve mobile-network-based vehicle monitoring,
provide a effective vehicle security program. After several tests, the performance of the
vehicle monitoring system has reached the application requirements, and Also has good
scalability.
Keywords：Wireless network, vehicle monitoring terminal, the service center, GPRS,
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工
作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论
文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的
研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意
识到，本声明的法律结果由本人承担。
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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允
许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部
或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复
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年解密后适用本授权书。不保密□。
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指导教师签名：
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1.1课题研究背景
随着科学技术的不断发展，经济快速增长，生活水平不断提高，人们对安全监
控的要求也不断提高。车辆监控系统，智能社区安全防护、防盗系统，环境监测系
统，无线图像监控传输等等，在人们经济社会生活中发挥着越来越重要的作用。车
辆安全监控系统主要是通过监控终端采集车辆状况、位置等信息，通过现有的移动
通信网络，将监控数据（包括影像，语音等）传输到监控中心，由监控中心进行处
理，从而产生报警及应对处理等一系列的措施[1]。监控系统的发展为社会和生活带
来的安全保护，从而促进了社会和经济的全面发展。其在军事，工业，科研等各个
领域得到了广泛的应用和发展，但随着电子、通信等方面技术不断发展，人们对安
全要求的不断提高，对监控系统的数据采集传输量、实时性、便携性的要求也越来
越高，基于移动网络的监控系统展现出了前所未有的优势。
到 2010 年中国的私有车、出租车、公司车数量达到了前所未有的高度，并保
持快速的增长。由于社会安全意识的提高，车辆安全保障概念越来越深入人心，传
统的网络接入式监控系统将难以满足车辆安全监控的需求。基于移动通信网络的车
辆监控系统是融合了全球定位技术、摄像和影像采集技术、移动通信技术于一体的
综合监控系统，满足了车辆对移动、便携、实时等一系列监控要求。
基于移动通信网络的车辆监控系统主要由车载监控终端、中心服务系统和移动
通信链路三大部分组成，终端利用定位信息接收模块负责接收全球定位系统采集的
车辆位置和行驶速度等信息，同时配备嵌入式摄像头实时地采集车内状况信息，在
监控数据处理完成之后，通过移动通信网络将数据上传到系统中心；监控服务中心
接收到终端采集信息，利用大型服务器对监控车辆监控的数据进行处理和分析，并
提供车辆位置显示、报警等内容的服务体系；移动通信链路则依托现有成熟的移动
通信网络，保障用户的随时接入和实时的数据传输，提供可靠的移动通信网络资源
[2]。目前为了保证广泛的应用范围和较低的系统成本投入，移动网络车辆监控系统
普遍采用是GPS全球定位作为车辆定位技术，并以先进的GPRS无线网络作为通信
监控系统的智能化和移动化，是未来发展的主要趋势。基于移动通信网络的车
辆监控系统在汽车工业快速发展的大环境下，经济效益和社会效益明显，将会在客
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运管理、私家车的安全防护和出租车行业监控等领域有广泛的应用。
1.2国内外研究的现状以及发展趋势
在 21世纪，汽车工业快速发展，移动通信网络质量的不断提高，定位系统技术
趋于成熟，图像采集压缩技术持续发展，基于移动网络的车辆监控系统在社会生活
中的应用也越来越广泛。该系统可以应用到租车管理、私家车防盗、防劫，公司车
辆安全监控等各种场合，大大减轻了车辆监控管理人员的工作量，提高了安全管理
工作的效率。车辆监控系统通过监控终端采集信息，利用移动通信网络，将监控数
据传输到互联网，再由互联网传输到系统服务中心，通过数据的处理分析，对相应
终端实施控制，实现了完全的双向通信功能[3]。这样的系统不仅能够提供完善的远
程监控功能，还能利用监控服务中心强大的数据处理能力和良好的用户界面，对采
集到的各种数据进行分析和处理，方便用户进行各种监控操作，提高了安全管理水
平。由于基于移动通信网络的车辆监控系统具有便携、实时、快速等优良特性，它
在车辆安全监控方面中扮演着非常重要的角色。
为了让该系统具有更高的可靠性以及实用性，还需要我们的不断努力，研究改
进方法，切实从用户的角度出发，升级智能车辆监控系统。在目前基于移动通信网
络的车辆监控系统的研发工作中还存在一些困难，如：监控系统移动通信方式采用
由现有的移动网络运营商提供的GPRS网络，网络通信质量存在着速度和可靠性等
部分不可控的现象；GPS全球定位系统固有的定位信息采集在特殊地段和建筑物内
信号被削弱的缺陷；整体车辆监控系统的开发性不足，通用性不强，无法适应采集
数据不断变化的需求。在这些问题上，需要在以后的设计过程改进设计思想，选择
更加完善的通信平台，充分考虑通用性和扩展性，以模块化思想完成设计工作。
1.3主要研究的内容
本文主要介绍了基于移动通信网络的车辆监控终端的设计与实现，以模块化的
思想论述了系统总体、终端和系统中心的设计。主要研究工作是以车辆监控为实际
应用，实现了基于移动通信网络的车辆监控终端的定位信息采集模块，车内状况监
控模块，移动通信模块的功能，完成了监控中心与终端之间的交互式监控过程。
第一章概述了基于移动通信网络车辆监控系统发展现状和未来的发展趋势。
第二章从监控系统需求技术的角度出发，分别对在设计过程中涉及到的相关核
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心技术进行分析： GPRS无线通信技术、基于无线网络的定位技术和 JPEG图像压
第三章叙述了基于移动通信网络的车辆监控系统的设计过程，介绍了系统的整
体构架和组成，并对监控终端和监控中心的结构、功能进行了阐述。
第四章对基于移动通信网络的车辆监控终端的实现过程进行了详细描述，重点
说明了数据处理功能模块、移动网络传输功能模块、图像采集功能模块和车辆定位
信息采集功能模块的实现过程，以及模块和系统测试结果。
第五章总结撰写论文期间进行的研究开发工作，并展望了未来对本系统具有可
行性的升级工作。
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2基于移动网络的车辆监控系统相关技术
在基于移动网络的车辆监控系统的设计过程中，主要涉及到GPRS无线通信、
定位和 JPEG静态图像压缩三个重要的技术。这些技术在如今科技快速发展的社会
中，发挥着非常关键的作用，促进了多媒体、移动通信等相关产业的发展。以下便
是对车辆监控系统中涉及的三个主要技术的分析。
2.1 GPRS通信技术
GPRS为General Packet Radio Service的缩写，中文含义为通用分组无线服务，
是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS采用分组交换的传
输方式，将需要传输的数据封装成独立的封包，再将这些包发送出去[4]。用户在使
用GPRS时不需要独占信道，而始终保持实时在线，只有在接受或者发送数据时才
会占用宝贵的频道资源，这样多个用户就可以高效率地同时共享同一无线信道。这
样的通信方式充分利用了现有的网络，并提高了无线网络频道资源利用率。
GPRS充分利用现有的覆盖全国范围的GSM无线网络资源。作为GSM第二代
通信网络的延续，它增加服务支持节点、网关支持节点、点对多点服务中心三个网
络节点，然后对现有的GSM基站进行必要的软件更新，增加新的管理程序，通过
路由器实现网络寻址和传输数据连接，移动通信终端用户可以利用手机、上网本等
快速、方便的选择这项远程接入网络数据业务[5]。新增的网络节点的主要作用是记
录当前移动终端所在的位置信息，并且负责完成终端和GGSN之间的分组数据发送
和接收；GGSN主要是实现的是网关功能，用于通信协议转换、数据交换和网络兼
容，它可以完成不同体系结构或协议的数据网络的连接，从而实现数据传输；
PTMSC主要用于处理服务质量设置[6]。GPRS网络构成如图 2.1所示。
GPRS在移动网络数据传输方面的优势非常明显，首先它充分利用了广泛覆盖
的GSM移动通信网络这一资源，支持因特网上应用最广泛的 IP协议和X.25协议，
并引入了分组交换的传输模式提供实时在线功能，使得用户可以始终处于连线和在
线状态，而事实上只有用户真正传输数据才会占有无线信道，摆脱了传统模式下，
用户无论是否传输数据都占有无线信道的电路交换通信方式，有效的节约了网络重
新接入时间。GPRS的分组交换方式不仅将使访问服务变得非常简单、快速，也保
证了无线信道资源的充分利用。其次，GPRS还定义了CS-1、CS-2、CS-3和CS-4
四种编码方案，其最高数据传输速度可以达到 170Kbps，平均数据传输速度也达到
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57.6Kbps，完全能够满足GSM网络用户的一般上网需求[7]。而且GPRS可以提供快
速即时的网络连接，它接入的等待时间短，平均为 2秒，很大的程度的提高无线网
路连接效率，使得用户的上网操作更加便捷、流畅。
图 2.1 GPRS网络组成
目前在移动通信领域，用户对话音通信的需求已经处于完全成熟阶段，但移动
互联网接入业务却依然保持快速增长，全球GSM网上传送的数据量快速的增长，
GPRS应用愈加广泛。一方面，GPRS可提供普通GSM移动用户的浏览网页、Email、
文件传输等业务需求。另一方面也为金融、证券，安全行业，遥感、遥测，交通监
控等需求特殊用户提供数据传输服务。
2.2定位技术
定位技术在世界范围内应用广泛，车辆导航，目标地查询，路线选取等都成为
人们日常生活不可缺少的部分。目前主要的定位技术可以分为传统的卫星定位技术
和异军突起的基于移动通信网络实现的定位技术两大部分。
卫星定位系统主要包括美国的GPS全球定位，俄罗斯的格洛纳斯定位系统，中
国北斗定位系统，欧洲的伽利略定位系统。由美国国防部研制的GPS是目前应用范
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围最广，成本最低的主流卫星定位技术。它将基于空间定位的卫星导航系统和移动
通信技术结合起来，具有全天候、全方位的实时三维导航与定位能力 [8]。新一代卫
星导航与定位系统GPS在太空总共使用了二十四颗卫星，它们距离地表高度均为
20200公里，分别分布在六条升交点互隔 60度的轨道面上，每条轨道上均匀分布四
颗卫星，相邻两轨道上的卫星相隔 40度，这样使得地球任何地方至少同时可看到
四颗卫星，充分保证了其作用面积覆盖全球，并在任何恶劣的天气下都能实现高精
度的实时定位。GPS定位系统空间图如 2.2所示。
图 2.2 GPS定位系统空间图
GPS全球定位系统最初用途集中在军事应用上。在 20世纪中期，美国通过其完
成军事系统的定位和导航，并实现对军事目标有效的监控，从而实现美国在全球的
军事战略。但是随着冷战的结束和全球民间对导航定位需求的快速增加，1983 年
GPS全球定位系统开始应用于矿业开采的探测，和民用航空的导航。由于GPS定位
系统技术具有的实时可靠、交互通讯、灵活动态调度和数据存储及处理等强大的功
能，之后其在测量、监控、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、
资源勘察等方面也得到了广泛的应用和发展[9]。
快速发展的基于移动通信网络定位服务目前在欧美已经是一项成熟的业务，它
依托移动通信终端的普及性，服务系统的优异性能和方便的服务，通过GSM网络
获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），为用户提供相应服务。虽然在中国
该项业务还处于起步阶段，但依靠移动通信网络定位的资源优势，方便快捷的服务，
有效降低定位服务成本等特点，基于移动通信网络定位服务被初步应用于终端、地
理信息等领域，应用前景的广泛性已经逐渐显现出来。
目前，基于移动通信网络位置服务系统主要是基于CELL-ID技术，用户可以通
过位置服务系统，在网络专用；基于网络的MAP-ATI；基于STK卡定位三项技术
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中选择一种实现定位，然后用手机即可立即查询自己的位置信息[10]。移动位置服务
与传统的卫星定位相比，优势在于该系统利用基站资源，摆脱了卫星定位的服务成
本，同时能在正确的时间正确的地点把正确的信息发送给正确的人，用户可以通过
自有移动通信终端上自行控制隐私，保证了信息的保密性和重要的信息的独享性。
而且，该位置服务的覆盖面十分广泛，不仅能够为现有的上亿的普通移动电话用户
提供定位服务，还可以为特殊的集团用户提供一些典型的位置信息服务。
2.3 JPEG图像压缩技术
随着数字图像技术应用的日益广泛和多媒体技术的大规模普及，图像存储、压
缩、传输技术得到很快的发展。静态的图像是图像传输系统中经常使用的一种图像
形式，同时也是实现动态影像的基础。特别是高清图片和动态影像的传输会占用大
量通信信道的带宽资源和存储设备的空间，由此可见，图片的大小和质量比例关系
将直接影响图片传输系统的速度、可靠性、实用性，因此图片的压缩技术是非常必
要的[11]。由联合图像专家组制定的静态图像压缩标准应运而生，采用该压缩格式的
文件通常被称为 JPG文件。
JPEG作为目前最流行的静态图像格式，其技术先进性和成熟性可见一斑。虽
然使用有损压缩方式来去除掉图像中重复和对视觉影响不明显的部分，从而造成图
像部分原始数据不可修复的损伤，甚至在压缩比例过高的时候，会使解压缩后恢复
的图像质量有明显降低，但是该图像格式依然具有很高的应用价值。首先它允许用
户根据自己对图像质量不同的要求，在 10：1到 40：1之间选择采用任意的压缩级
别对原始的图像文件进行压缩处理 [12]。而且，所有的 JPG 文件都会以“ 0XFF ”、
“ 0XD8 ”字符作为开始 ，以“ 0XFF ”、 “ 0XD9 ”字符作为结束，并具有.jpeg、.jfif、.jpg
或.jpe 的文件扩展名，用户可根据这个标准对图片数据进行检测，保证该格式图片
应用的准确性。
JPEG图像技术的压缩过程经过了颜色转换，变换，量化，编码四个步骤。图
2.3 展示了 JPEG的压缩和解压的过程。因为 JPEG只支持Y（亮度）UV（色度）
颜色模式的数据结构，那么对采用R（红色）G（绿色）B（蓝色）颜色模式的原
始图片压缩之前，颜色转换是 JPEG压缩技术一个不可缺少的环节，根据下面的计
算公式我们可以将RGB转化成为YUV颜色模式。
Y =0.299 R +0.587 G +0.114 B
U =-0.169 R -0.3313 G +0.5 B
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V =0.5 R -0.4187 G -0.0813 B
然后经过了DCT、量化和编码三个部分实现图像的实际压缩过程，达到其他传
统压缩算法无法比拟的程度。压缩过程可以在顺序式，递增式，无失真，阶梯式四
种模式中选择，以适应在不同显示设备上的分辨率要求。DCT是类似于傅立叶变换
的方离散余弦变换法，将图像数据信息进行变换从而得到图片的频谱系数矩阵，接
着分离出数据中高频和低频部分，然后对图像的高频部分进行压缩。由于需要在变
换后，将离散余弦变换得到的频谱矩阵中的元素转换为整数，我们需要把频率系数
转化为近似的整数值。这样的量化过程，形成了与原始数据之间不可修复的误差，
也是造成图像压缩过程中不可修复失真的主要原因。在完成颜色转换和DCT变换之
后，编码部分需要将之前产生的图像数据变成数字信息[13]。编码的方式可选择霍夫
曼编码或算术编码，目前霍夫曼编码为主流的编码方式，它按照以矩阵对角线的法
线方向作“Z”字排列来处理矩阵中的元素。
图 2.3 JPEG的压缩和解压的过程图
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3基于移动网络的车辆监控系统设计
3.1 系统的总体构架和组成
基于移动通信网络的车辆监控系统主要是由车辆监控终端，无线传输信道和监
控中心三大部分组成。该系统从实际的应用出发，满足了车辆定位和车内影像的双
重监控要求，通过终端的数据采集，系统服务中心对终端上传数据的分析，对监控
终端发出指令或产生报警信息帮助监控人员保护车辆及驾驶人员的安全。监控系统
的总体结构图如图 3.1所示。
图 3.1 车辆监控系统的总体结构图
基于移动通信网络的车辆监控系统通过监控终端和服务中心之间实现了实时交
互式的监控方式，实现了终端手动报警和中心监控报警主被动集合的安全防护措
施。当监控终端开启，它通过移动通信网络与监控中心建立连接。车辆监控终端首
先根据中心发出的设置指令，对数据处理模块和其它各功能模块设计参数，满足实
际的监控要求，然后车辆移动监控终端通过各监控数据采集模块接收车辆的监控信
息，其中定位信息采集模块主要通过定位系统接收关于车辆的经纬度、行驶速度等
相关的信息，图像采集模块通过嵌入式摄像头采集车辆状况的影像方面的数据，它
们分别通过微处理器的多组 I/O口和 1个串口将数据传输至数据处理模块；数据处
理模块对监控数据进行储存、处理，同时根据与控制中心的通信协议，对监控数据
进行封装，通过移动通信网络周期性的向监控中心反馈，中心接收到监控数据后对
数据进行分析[14]。当上传监控数据超出系统设定的安全阀值出现异常情况时，及发
生被动报警情况时，中心将对相应的终端进行操作，同时发出报警提示监控人员，
同时监控人员也可根据周期上传的车辆图像信息进行人工的判断，进而实施相关的
监控服务中心 监控终端
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安全措施。
在车辆监控终端设计中，我们还根据实际的安全防护情况出发，增添了具有车
辆防盗、防劫的报警功能的主动报警装置，在硬件设计过程中设计了一个按键连接
到数据处理模块，通过外部中断的方式触发手动报警，当发生紧急情况司机可通过
终端向监控中心主动报警，使中心监控人员及时对该单位车辆进行重点监控并采取
安全措施，这样有效的降低盗窃、抢劫、劫持等恶性事件的发生。
3.2监控终端主要结构和功能
车辆监控终端是车辆监控系统中重要的组成部分之一。在设计过程中，我们主
要将其分为四个功能模块：移动网络数据传输模块、数据处理模块、车辆定位信息
采集模块、图像采集模块。监控终端的结构图如图 3.2 所示。在选择数据通信方式
上，由于车辆是移动的单位，不允许通信线路的实际接入，所以以无线接入为系统
通信的最佳方式，同时考虑到监控中心需要对多个监控终端进行数据交互处理，因
此需要选择一个成熟的移动通信网络来保证数据传输的可靠性，准确性和实时性。
GPRS无线网络通信传输速度快，接入时间短等优点正好满足所有系统要求。
图 3.2 监控终端的结构图
数据处理模块我们选用了Silicon公司的C微处理器芯片，它能够完成
传输数据处理的基础上，兼顾车辆监控终端便携的特点，该款芯片体积小、功耗小，
同时能够满足监控数据处理要求。无线数据传输模块采用是 SIMCOM公司的
SIM300C芯片完成主要的移动通信传输工作。定位技术目前主要包括美国的GPS全
球定位，俄罗斯的格洛纳斯定位系统，中国北斗定位系统，欧洲的伽利略定位系统
和快速发展的基于移动通信网络位置服务。这里我们选择具有捕获速度快，无静态
移动网络数据传输模块
数据处理模块
定位信息采集模块
图像采集模块
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漂移，动态性能好等特点的GPS定位技术来完成定位功能模块。图像采集模块选用
了适合嵌入式系统的 JPEG3000数码摄像头，它能够满足车辆监控的图像质量要求，
而且不需要单独的电源供电，功耗小，体积小，不影响车内的美观，不会遮挡车辆
驾驶员的视线，保证车辆的行驶安全。
车辆监控终端在功能实现上，用人性化思想，根据实际的车辆安全需要，集合
定位、影像的监控技术，采用主动和被动两种工作方式，提供多种报警渠道，满足
不同场合，不同人员，对车辆安全程度不同的要求，保证车辆安全。以下是对监控
终端一些简单的功能描述：
（1）车辆定位信息采集和传输
车辆监控终端在与监控中心建立连接后，根据中心发出的相关设定参数，通
过 GPS定位模块采集车辆的经纬度，行驶速度等位置信息，再经过微处理器
C将数据处理，根据既定的通信协议，上传至监控中心[15]。移动监控终端
支持周期的主动采集、发送车辆位置数据，同时也支持随时收到监控中心指令立即
采集、发送监控目标信息的被动工作方式。
（2）车内影像图片分辨率选择、采集与传输功能
JPEG3000摄像头可以输出 320*240和 160*128两种分辨率的彩色图像，它可根
据中心的指令，实现图片采集模式选择，完成指定的图像采集。该模块在采集到的
图像后，会将数据储存在数据处理模块的外部储存器中，并根据 JPG图像文件数据
都是以“ 0XFF ”、“ 0XD8 ”字符作为开始 ，以“ 0XFF ”、 “ 0XD9 ”作为文件的结束的
特点，对图片数据进行检测，确保准确性。如果发现错误现象，微处理器将发出指
令重新采集图像[17]。不仅如此，移动监控终端支持根据监控中心设定参数周期采集、
发送车辆状况图像，同时也支持在收到监控中心指令的时刻立即采集、发送监控目
标信息的被动工作方式。
（3）驾驶员手动报警，监控终端主动报警功能
车辆监控终端既可以根据采集的数据信息分析后采用主动报警的方式，也可在
监控装置无法检测到危险状况时，采用驾驶员手动报警的方式。通过两种方式的结
合，可以增加安全防护的手段，增加车辆安全系数。主动报警类型包括：GPS盲区
报警，及当车辆行驶至GPS盲区，定位模块无法采集位置信息时，终端根据协议向
服务中心发出报警信息；防盗报警，在终端的功能模块可添加防盗感应装置以及探
测器，当着火，盗窃等紧急情况发生时，感应装置将触发报警，并立即向中心发出
报警信息，提醒安全人员。同时车辆监控终端也支持手动报警，在电路设计上增加
手动报警按钮，驾驶员如遇到劫持等监控终端可能无法检测的突发危险状况时，可
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以触碰一个微小的按键来向中心报警。
（4）功能扩展接口
为了保证了监控终端在未来应用中的可升级性，实现与车内温度、湿度检测设
备等扩展功能模块的兼容，系统需要提供必要的预留扩展接口。在电路设计的过程
中，我们预留了几组 I/O口和中断端口。在以后的研发中，当终端需要集合其他功
能模块时，可以利用这些扩展接口，通过芯片内部的交叉开关控制器，实现扩展模
块与数据处理模块之间的数据传输和处理。
3.3监控中心主要结构和功能
图 3.3 监控中心的结构图
监控中心是整个车辆监控系统的大脑，是监控终端管理和上传监控数据处理的
核心部分，主要由三个部分组成：中心服务器，输出设备，输入设备。监控中心的
结构组成如图 3.3 所示。中心服务器集合网络连接、数据储存和处理、监控信息显
示输出等功能，服务器中的以太网卡负责实现监控中心网络连接，通信协议转换，
接收与发送数据包[18]。在接收到终端上传的监控数据后，服务器处理部分执行对数
据的分析功能，产生相应的指令控制终端，同时通过输出设备将监控信息显示给中
心监控人员。中心服务器的数据的存储与查询功能主要是通过数据库实现， 数据
库系统不仅保证了中心对终端用户数据的管理，也保证了监控数据的及时保存。
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监控系统服务中心拥有友好的界面显示，摆脱了传统的文本显示车辆位置的方
式，通过对车辆定位数据的分析，集合电子地图技术，将车辆的位置直观的显示出
来，极大的方便了监控人员的观察。当产生报警信息时，利用界面上醒目的提示红
灯插件，迅速引起监控人员的注意，有效缩短安全措施实施时间。终端用户管理则
切实保证了用户权益和用户资料的隐私，方便了对终端权限的分配[19]。以下便是监
控中心实现的主要功能：
（1）车辆位置显示功能
根据车辆定位信息采集模块上传的车辆定位信息只是经纬度，行驶速度等直接
的数字信息，这样的表现形式很难使中心的安全人员在第一时间判断出车辆位置是
否处于安全范围。
监控中心的电子地图显示功能在MAPX控件基础之上进行再次的开发完成的，
实现包括了主地图和缩略图两部分。观察者根据电子地图上的不同标示便可直接的
查看出车辆位置，让车辆位置显示非常直观。同时中心界面兼还顾了人性化的概念，
具有了放大，缩小，移动，漫游，以及测距等多种功能，满足了不同的观察需求。
（2）图像数据检测、存储、显示功能
静态图像是网络中比较流行影像显示方式，应用到监控系统时，非常有利于监
控人员对车辆情况的直接判断。监控中心对接收到的图像数据能够首先根据 JPEG
静态图像压缩技术的特点进行检测，当图像数据在传输过程中出现丢失或者错误
时，监控将发出指令要求监控终端重新传输错误部分的图像数据。如果图片数据检
测无误，系统将图片数据储存的同时将车内状况图像显示到界面上，以方便监控人
员进行观察[20]。在图像显示的选择上，监控中心支持对历史图片的回览功能，帮助
监控人员对特殊情况进行人工分析处理。
（3）数据处理分析功能
数据处理分析是监控中心最基本，也是最关键的功能。监控中心服务器需要对
来自不同渠道的不同类型的数据进行处理和分析，这些数据包括了车辆情况的图像
数据，终端的控制信息数据，报警信息数据，车辆定位信息数据等。那么这要求中
心在支持多网络连接的基础上，能够对各数据包进行判断和解析，并根据相应的通
信协议准确的解封数据包。与此类似，当中心对各功能模块控制时，需要对发送的
数据按照既定的协议封装成数据包。
在成功的解封接收的数据包后，中心还继续对部分数据进行判断，如车辆定位
信息，报警信息等。当车辆行驶至GPS盲区或者紧急呼救情况发生时，数据处理系
统迅速的做出反应，警告监控人员。
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（4）报警处理功能
当报警信息传输到监控中心时，中心需要迅速的做出响应，由此可见系统报警
处理功能的处理速度是安全控制的关键。各种不同的紧急情况的发生可能是在任何
时间，那么中心也需要能够满足随时应对报警处理的要求。目前，终端上传的报警
信息主要有两种形式，一为终端自动报警，二为驾驶人员手动报警，报警类型分为
盗窃报警，GPS盲区报警，车辆火灾报警，劫持报警等。
在设计过程中，通过不断的测试和模拟实验，中心已满足了随时、快速处理报
警信息的要求。在对报警信息进行迅速判断和处理后，系统通过界面的红灯插件提
示中心监控人员监控目标发生紧急情况，现场人员快速查看报警类型显示栏和图像
窗口了解报警类型和车辆情况，依据实际情况及时作出反应，选用 110报警，安排
维修，加强监控等安全防护手段。
（5）终端用户管理
监控中心设计了用户管理系统，通过这个系统中心将对每个终端用户的权限以
及个人信息进行管理。中心管理人员通过该系统可以添加、删除用户，设置用户权
限，并通过查看记录终端用户的所用使用时间段和具体的操作的功能，防止用户进
行非法的操作。即使在终端用户数量过多时，中心管理人员能够方便的随时查看用
户使用情况，改变用户设置，保证了整个监控系统的可靠性和简便性。
（6）备份、恢复功能
在监控中心的服务器中保存着大量的用户基本信息、用户历史操作内容、终端
设置参数、历史报警记录、历史监控图像等非常重要的信息。为了提高系统的安全
可靠性，监控中心在设计中增加了备份和恢复的功能。在中心系统发生故障，导致
数据丢失后，中心管理人员可以通过该项功能恢复重要的数据和信息。
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4基于移动通信网络的车辆监控终端设计
4.1 车辆监控终端工作流程
图 4.1 车辆监控终端工作流程图
车辆监控终端工作流程如图 4.1 所示。终端上电启动后，首先进行运行必要的
初始化工作，在启动各功能模块的同时进行自检，保证终端处于工作准备状态。随
后终端需要主动向发起连接，中心接收到终端的连接请求，查询用户管理系统，验
证终端用户的合法性，同时记录终端 IP 地址和运行端口号，在确定的用户的使用
权限后，中心发出确认指令，同意建立连接。在监控终端和中心
系统初始化
与监控中心建立连接
设置系统参数
发送监控数据
发送报警信息
采集监控数据
监控周期达到？
中心采集指令？
监控数据异常？
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连接成功后，监控中心立即发送对终端各模块的设置信息，完成对终端监控数据采
集、发送周期，图像分辨率等参数的设定。
之后，监控终端进入了正常的监控工作阶段，循环检测各工作标示变量。当发
送周期到达或者接收到中心命令时，终端将重新采集监控数据，检测数据的准确性，
在确认无误后，其按照已定的通信协议将监控数据发送出去。监控中心通过移动通
信网络接收监控终端上传的数据包，如果在规定的时间内没有完成数据的接收，或
者在中心检测数据包过程中发现发生掉包和失真的现象，中心就指令要求终端重新
传送指定的数据部分。在设计监控中心与车辆监控终端连接协议，我们采用了类似
于 TCP/IP 的协议的连接方式，两者之间经历了终端请求建，中心同意，建立连接
的三个步骤，同时双方都拥有对数据正确性检验的能力，支持出错重发的机制[21]。
4.2车辆监控终端硬件实现
4.2.1 系统电路总体电路
车辆监控终端是监控系统的一个嵌入式应用，它继承了体积小，功耗少，功能
完善等优良特点。图 4.2 为车辆监控终端的原理图。监控终端的系统电路集合电压
转化芯片、微处理器芯片， SIM300C 芯片，扩展的片外储存芯片，
Copernicus GPSOEM 板， JPEG3000嵌入式摄像头，SIM卡；提供 JTAG接口实现
在线调试和单片机的程序写入[22]；并预留扩展 I/O接口，保证终端在今后的研究设
计过程中能完成升级。在电路设计过程中，考虑到整体调试的方便性，我们加入
SP3223芯片，它完成了RS323信号的转换，为系统提供了与 PC直接通信的串口，
利用这种方案我们就能够再调试的过程中通过 PC 机上的串口模拟发送软件，直接
向SIM300C发送AT命令，极大的方便了与监控中心之间的通信测试[23]。
车辆监控终端系统通过微处理器C控制各功能模块，实现监控中心与
数据终端的交互式数据通信。Copernicus GPS OEM 板主要完成车辆定位信息的采
集，将日期，时间，经度，纬度，高度和跟踪卫星数目等信息传送给C单
片机；SIM300C芯片主要满足系统移动通信网络传输的需求，通过GPRS网络，连
接进入互联网，提供数据传输平台； JPEG3000是一种简化的嵌入式数码相机，它
将摄像、视频捕捉、视频压缩、8 位数据接口集成一体，能够快速通过摄像头进行
视频捕捉，将采集到的影像信息压缩，通过集成的八位接口发送 JPEG格式的图片，
单帧数据最低传输速度可达到 3K/S。RST按键实现监控终端重新初始化功能，ALM
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按键通过与C芯片外部中断端口的连接，实现手动报警的功能。
图 4.2车辆监控终端的原理图
数据处理模块
数据处理模块硬件主要由C微处理器芯片和 IDT71V124SA10Y8片外
XRAM芯片组成，完成定位信息，报警信息和图像信息的储存、处理等工作。由于
JPEG3000支持大小分别为3K/7K两种分辨率的 JPG格式的图像文件，而C
单片机片内只有256字节的数据RAM和用于外部数据存储4K字节的RAM，以及64K
字节的FLASH程序存储器。当监控系统运行在高分辨率图像采集模式时，片内RAM
无法满足图像储存的空间要求，这里我们通过芯片外部存储器接口（EMIF）连接了
片外储存芯片 IDT71V124SA10Y8。接口选用了复用方式，及数据总线和地址总线的
低8位共享相同的端口引脚，在ALE信号的控制下，74HC573实现外部锁存器功能保
持RAM地址的低8位，保证C芯片与 IDT71V124SA10Y8之间数据传输。另
外在处理器芯片的INT1引脚上，还接入了一个手动报警按键，车辆驾驶员人可通过
这个按键使终端进入报警处理程序。该模块的数据处理部分C的原理图如
图4.3所示。
Silicon公司的C芯片在我国乃至全世界嵌入式设计有着非常广泛的
应用，内部电路集成了CIP-51微控制器内核、ROM、RAM、I/O、定时/计数器、ADC、
DAC、PCA、SPI、SMBus等部件，它完全兼容传统单片机的MCS-51内核指令
COPERNICUS
Extended I/O
(IDT71V124SA10Y8)
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集，并把计算机的基本组成单元以及数字和模拟外设集成在一个芯片上，构成了一
个完整的片上Soc系统，是完全的混合信号系统级芯片。在执行速度方面，该款芯
片表现非常出色，由于采用流水线处理结构，指令运行速度达到传统 51单片机的
10倍以上[24]。在监控系统运行当中，我们将数据处理电路的主频设置为 25MHz，
实际的工作测试后显示，对于终端给定的绝大部分指令，C的执行时间都
低于 2个系统时钟周期。
不仅如此，该芯片的时钟系统更加完善，支持双时钟源，且时钟源可编程。在
对系统时钟要求较高时使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC等外部振荡器提供的系
统时钟，也可以在低功耗且对时钟频率要求不高的情况下使用系统默认的内部独立
运行的时钟发生器。这里我们选用频率为 22.1184M的外部晶体振荡器时钟源，通
过设置外部振荡器控制寄存器（OSCXCN）中的XTLVLD和XFCN值，使系统稳
定的运行在 25MHz的主时钟上。
图 4.3 数据处理部分原理图
车辆监控终端的数据处理部分外设的功能模块较多，数据传输通道顺序复杂，
为保证系统运行的有序性和可靠性，需要使用的微处理芯片支持多种中断和复位方
式，并可以设置各中断的优先级。C提供了 22个中断源和 7个复位源，
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远多于传统单片机，从而允许大量的模拟、数字外设中断微控制器和复位控制器接
入。它还具有 8个 8字节宽的标准 I/O端口，大量减少了外部连线和器件扩展，有
利于提高系统的可靠性和抗干扰性[25]。这些 I/O端口都可以被配置为推挽或漏极开
路输出。在引脚弱上拉状态下，芯片进一步巩固了低功耗的优势，拓宽了嵌入式设
计的应用领域。
为满足监控终端项目应用要求，数据处理模块需要提供两个全双工串口与移动
网络数据传输模块、车辆定位信息采集模块连接，一组 8位 I/O口与图像采集模块
连接，一组数据总线和地址总线与外部储存XRAM连接完成数据传输。在硬件电路
设计的过程中，通过 8051单片机芯片内部的数字交叉开关配置寄存器XBR0、
XBR1、XBR2，我们将这些功能端口映射到 P0、P1、P2、P3、P4端口的引脚上。
不仅如此，通过设置交叉开关控制寄存器，该款微处理器芯片还可将计数器/定时器、
串行总线、硬件中断ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数
字信号配置在端口 I/O引脚上。
C芯片内部功能也有了很多的改进，具有数据采集所需的ADC和
DAC，以及一个PCA。其中ADC和DAC都有两个，分别为可编程转换速率的 9
路 12位逐次逼近型和 8路 8位标准型ADC；可将 12位的数字量转换连续变化电
压波形的同步输出DAC。片内PCA即为可编程计数器/定时器阵列，它包括了一个
支持 6种时钟源的 16位计数器/定时器和 5个具有多种工作方式的可编程的捕捉/
比较模块。片内 JTAG 边界扫描和调试电路可以观察和修改芯片的存储器和寄存
器，并支持断点、观察点的设置以及单步及运行和停机等状态命令。用户可以在应
用系统上的对C芯片进行非侵入式（不占用片内资源）、全速的在线调试。
与采用标准MCU仿真器的单片机相比，这项功能为嵌入式开发者的测试工作带来
了极大的便利。
由于串口传输速度和GPRS无线网络的传输速度均低于 JPEG3000的图像输出
速度，所以我在采集图像信息的同时必须将数据保存下来，再发送给监控中心。正
如前面所提到的，当 JPEG3000处于 320*240分辨率模式采集影像时，C片
内用于外部数据储存的大少为 4K的RAM无法满足 7K大小空间要求，所以监控终
端采集数据后，先将采集到的 JPG 图像文件暂存片外RAM中，微处理器检查 JPG
文件正确性，再依次将数据读取利用串口发送到SIM300C，然后通过移动通信网络
上传到监控中心。IDT71V124SA10Y8是一款使用 IDT的高性能，高可靠性CMOS技
术的 128K*8 高速静态RAM，该芯片具有目前最先进电路设计技术，只需要单一
3.3V电源供电，管脚少，有效了减少了噪音的产生，满足了监控终端系统对数据存
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取高效、高速、稳定的需求。通过/CS 使能引脚、/OE 输出允许引脚、/WE 写入允
许三个引脚有序的控制数据读写。 IDT71V124SA10Y8与C之间采用复用
的连接方式。原理图如图 4.4所示。
图 4.4 数据存储部分原理图
IDT71V124SA10Y8的读写过程在硬件设计中时序的理解具有非常重要的意
义，下面将对这两个过程进行简要的分析。
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IDT71V124SA10Y8读操作时序图
在微处理器芯片需要从片外RAM中读取数据时，首先将地址写入地址总线并保
持，使能 IDT71V124SA10Y8，让其进入工作状态，然后通过拉低/OE 引脚，允许
读取操作，就可以读出指定的数据单元。
IDT71V124SA10Y8写操作时序图
在微处理器芯片需要向片外RAM中写入数据时，首先将地址写入地址总线并保
持，使能 IDT71V124SA10Y8，让其进入工作状态，然后通过拉低/WE 引脚，允许
写入操作，就可以指定存储位置写入数据。
4.2.3 移动网络数据传输模块
在移动通信网络传输模块我们选择了 SIMCOM公司的SIM300C芯片，它集成了
成熟可靠的 TCP /UDP协议，用户只需要使用简单的 AT命令就可实现对无线通信
的控制。体积小，只有 50mm*33mm*6.2mm 的规格；采用节能设计，只需要 4.2V
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单电源供电，由于内部移动数据通信系统采用与充电电路集成的工作方式，即使芯
片处于完全工作状态，其功耗也依然很小，在休眠状态中，功率消耗更是低至
10.5mW，非常适合嵌入式设计中的电池供电应用；具有很宽的工作温度范围，可
以在室外稳定的运行[27]。由此可见SIM300C十分适合车辆监控终端移动网络数据传
输模块开发的要求。
图 4.7 移动通信网络传输模块部分原理图
SIM300C功能性同样强大，它提供十级时隙能力，集合CS-1、CS-2、CS-3和
CS-4四种GPRS的编码方案，支持GSM和GPRS两种无线通信方式，既可以通过
GSM进行短信的收发和语音通话[28]，也可以通过GPRS连入互联网完成数据传输。
用户可根据通信需求不同，选择系统工作在 900MHz 的EGSM系统，1800MHz 的
DCS系统和 1900MHz的PCS系统，同时其众多的物理接口，包括射频天线接口、
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键盘接口、液晶显示接口，2 个串口，3 个音频接口等，可以帮助开发者完成各项
工程应用。
如图 4.7 移动通信网络传输模块部分的原理图所示，SIM300C通过串口与微处
理器连接，同时利用SIM_VDD、SIM_RST、SIM_IO、SIM_CLK四个信号线与SIM
卡插槽连接，依靠移动通信运营提供的服务来完成通信过程。由于SIM300C包含了
两个串口，为了方便测试工作，除了与C通信一个串口外，我们将另一个
串口连接到 2 驱动器/2 接收器的RS232收发器SP3223，通过RS232接口我们就能
够方便的与 PC连接。通过PC_UART、MCU_UART两个排插控制通信对象，利用
简单的连线变化，可以非常方便的选择SIM300C是与 MCU或 PC机直接通信[29]。
当SIM300C直接与计算机连接时，我们就可以利用串口模拟收发软件通过 PC直接
发送 AT 命令给移动通信网络传输模块，完成通信质量，协议合理性等实验，很大
程度的简化了测试过程。
4.2.4 图像采集模块
图 4.8JPEG3000数码相机模块
由于车辆往往处于高速的前行中，汽车内部空间狭小且光线不稳定，数据传输
模块系统选用了移动通信网络实现监控终端与中心之间的数据通信，GPRS网络数
据传输的理论最大速度为 180k/s，那么要求我们选用的图像采集装置在完成车内影
像捕捉和摄像的基础上，能适合低速信号的工程应用；同时还要充分适合车内环境，
具有体积小，功耗少和自动调节增益、自动曝光等特点，保证工作的稳定性和可靠
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性。基于以上系统要求的考虑，我们选用了与经常使用的数码相机十分相似的嵌入
式摄像头产品 JPEG3000，它主要由直径为 12mm，焦距为 6mm的摄像头、图像采
集驱动芯片，图像数据压缩处理芯片三部分组成，集合了视频捕捉和压缩功能。它
只有 70mm*50mm 的大小，不需要独立电源供电，工作电压为 5V，耗电电流仅为
90MA，但图像采集质量却仍然采样达到 30 万像素。图 4.8 展示了 JPEG3000嵌入
式数码相机模块。
图像采集模块与数据处理模块的连接也是非常方便 ，只需通过 JPEG3000的 8
位数据接口与C的一组 I/O 端口连接即可，接口图如 4.9 所示，极大的方
便了硬件电路的设计。在通过摄像头采集到原始图像数据之后， JPEG3000用标准
的 JPEG静态图像压缩算法，将原始图像压缩为只有原有数据量 1/25的 JPG格式文
件，而且图像质量没有明显的下降[30]。当数据处理模块接收到数据时不需要经过再
处理就可立即把图像数据发送出去，监控中心的系统同样也完全兼容该格式的图片
文件，可以直接显示在监控界面上。
图 4.9数据处理模块接口图
4.2.5 车辆定位信息采集模块
GPS定位模块我选用了Copernicus GPSOEM板，它使用Trimble公司生产的GPS
模块，尺寸只有11.6mm*31.8mm*26.5mm，具有比普通GPS接收板更小的功耗，仅
为94MW，但是这并不影响其水平误差小于3米、垂直误差小于10米的高定位精度，
50ns（UTC）的高灵敏度，连续接收－152 dBm，重捕获－142 dBm的高授时准确度
等特性。该接收板支持NMEA -0183 ,、TSIP、TAIP三种通信协议，具有8个并行通
道，可持续跟踪8颗卫星，在接收天线获取的卫星信号后，经过变频、放大、滤波、
相关、混频等一系列处理，可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量，通过
获取了卫星的位置信息和测算出卫星信号传播时间计算出定位单位所在位置[31]。以
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上的特点完全符合监控终端的车辆GPS定位数据采集应用。图4.10为定位信息采集模
块与数据处理模块之间接口原理图。
图 4.10定位信息模块接口图
Copernicus GPSOEM板接口采用标准 2×4插针接头，其引脚的定义和电气特性
如表 4.1。
表 4.1 Copernicus GPS OEM板引脚定义
引脚号 功能定义 电特性
1 天线电源 3.3V
2 主电源 3.3V
3 串口A输出 TTL/CMOS电平兼容
4 串口B输入 TTL/CMOS电平兼容
5 串口A输入 TTL/CMOS电平兼容
6 1PPS输出 TTL/CMOS电平兼容
7 串口B输出 TTL/CMOS电平兼容
8 电源与信号地
4.3 车辆监控终端软件实现
车辆监控终端软件设计主要是在 Keil uVision3 平台完成的，它包含了
Silicon Labs集成开发环境，为设计者提供了用于软件开发和测试项目的必要工具。
软件部件由初始化模块，数据处理模块，定位信息采集模块，JPEG图像采集模块，
移动通信网络传输模块组成。以下论述各功能模块软件实现。
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4.3.1 系统主程序
系统的主程序设计介绍了软件编程中MAIN函数中的主要处理部分的步骤和实
现过程，主要包括了初始化和循环运行状态两个过程，初始化工作包括了
C的初始化和各个功能模块接口的初始化，运行状态是在与监控中心建立
连接后，实现监控数据的采集、处理、传输。主程序流程如图 4.11所示。
主程序中系统初始化函数完成基本的芯片初始化工作，首先需要向WDTCN寄
存器写入0xDE 后再写入0xAD禁止看门狗定时器；然后通过OSCICN寄存器选择
外部振荡器作为系统时钟，并赋值OSCXCN为 0x67，保证系统时钟源处于晶体振
荡器方式，选择 K因子= 1400，通过计算系统运行频率为 25MHz。芯片接口初始化
函数通过设置XBR0、XBR2、P?MDOUT寄存器，开启串口 1、2，选择 P0-P7对
应的输出方式为漏极开路或推挽。经过以上过程，C芯片的基本初始化完
成，下面需要对各功能模块接口进行设置[33]。
外部存储器接口初始化：EMI0CF赋值 0X0024让 P4-P7 I/O口工作在采用带块
选择的，可读片内和片外XRAM的复用模式，从而作为外部存储器端口。再通过
EMI0TC控制外部存储器时序，地址建立时间为 1个系统时钟周期；读写脉冲宽度
为 11个系统周期；地址保持时间为 1个系统时钟周期。
GPSOEM板接口初始化：首先打开串口 1的中断，设置UART1的定时器使用
系统时钟，然后控制寄存器SCON1和定时器控制寄存器T4CON分别赋值 0xd0 和
0x34，使串口 1设置为一个起始位，八个数据位，一个停止位，波特率为 9600。
手动报警和复位按键接口初始化：需要先置 IE寄存器的 EA为 1打开全局中断，
然后允许外部中断 1和 2。这样在按键按下时，监控系统进入外部中断处理程序，
实现功能。
图像采集模块接口初始化：由于 JPEG3000直接采用 8 位 I/O 与C通
信，不需要对端口类型进行设置，只需要对 P4_3引脚置 0，避免进入上电自动采集
状态即可。
移动通信网络传输模块接口初始化：控制 UART0 的 SCON0 寄存器为 8 位数
据，可变波特率工作方式，再通过T2CON、RCAP2H、RCAP2L设置串口 0采用
定时器 2 自动装载高字节，并以定时器 2 溢出作为波特率时钟源，比特率设为
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图 4.11主程序流程图
经过了以上了初始化工作，监控终端已经完全进入工作状态，执行主循环监控
过程。主循环主要的工作是查询各状态标志变量，从而进入相应的处理子程序。如
系统初始化
端口初始化
与监控中心建立连接
网络掉线处理
发送图像信息
各功能模块初始化
发送定位信息
改变分辨率
网络连接正常？
发送报警信息
Sampleflag=1
设置分辨率？
监控周期到达？
发送定位信息？
发送图像信息？
监控报警？
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在SIM300C处于工作状态后，主程序将检测网络连接状况标志变量，如出现断网现
象，将进入网络掉线的处理程序 Reconnect_GPRS()重新接入互联网；如接收中心的
采样周期修改命令，终端将进入周期修改函数 Soft_Clock()，同时校时。当终端接
收到中心指令或者采样周期到达时，sendflag 将被置 1，main 函数检测到标志量的
变化后，微处理器将启动监控定位和图像信息采集，并对数据进行分析，在发送数
据包之前，决定是否同时发送报警信息[34]。运行主循环如下所示：
Check_Net();
//检测修复网络
if(GPRS_STATUS==0) Reconnect_GPRS()
if(ReadFlag1)
ReadFlag1=0;
Send_Sample_Data();
// 周期数据发送
if(ReadFlag2)
ReadFlag2=0;
Send_Current_Data();
//即时定位数据发送
if(Mody_Time_Flag)
Mody_Time_Flag=0;
Correct_Time();
//校正时间
if(modify_cycle_flag)
modify_cycle_flag=0;
Soft_Clock(sample_cycle);
//确定下次采样时间
if(send_new_photo)
//发送新的图像
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send_new_photo=0;
delay_ms(1);
//JPEG3000中断处理
delay_ms(2000);
Send_new_photo();
if(lost_photo_packet)
//重新传输发送图像丢失的包
lost_photo_packet=0;
Send_lost_photo(lost_photo_number);
delay_ms(100);
Is_Sample();
//采样周期到达判断
if(sample_flag)
Soft_Clock(sample_cycle);
Sample_Process();
Save_Data();
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4.3.2 移动网络数据传输模块软件设计
图 4.12数据传输模块流程图
无线数据传输模块的软件实现过程首先需要进行SIM300C的初始化，包括先从
FLASH 存储器中读取本终端的 IP 地址、端口号、终端号等信息，再通过 Cipstart
命令启动芯片连接监控中心，进入数据传输准备状态，等待数据传输。
当数据处理模块需要发送监控数据时，首先需要将接收到各采集模块的数据储
存到片外的 XRAM 中，并自我检测保证正确性之后，再发送出去。在这过程中，
数据传输模块得到了数据处理模块的通知，即将需要传输数据，模块通过发送准备
函数检查移动网络数据传输模块的连接状态。如网络连接断开就立即重新接入，网
络连接正常则并告知SIM300C即将传输数据的长度，然后通过串口数据发送函数利
用把监控数据传输到SIM300C上，当接收到数据达到指定长度时SIM300C自动通过
GPRS网络发送到监控中心[35]。数据传输模块的发送流程如图 4.12所示。
SIM300C的发送主要是根据微处理器芯片通过串口发来的 AT命令完成的，以
下是对程序设计中主要用到的 AT命令的介绍[36]。
AT+CGATT：检测GPRS附着是否成功。附着成功返回+ CGATT :1，失败返回
+ CGATT : 0。
AT+CIPSTART：根据选择的通信协议（TCP、UDP）、IP 地址、端口号，启
连接监控服务中心
等待数据传输
进入发送数据准备
网络连接状况正常？
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动GPRS无线网络拨号连接。正确返回 OK，错误返回 ERROR。
AT+CIPSEND：进入发送准备状态，等待填写数据达到预定的长度，然后按照
相应的通信协议，自动通过GPRS网络发送。发送成功返回 SEND OK，不成功返回
SEND FAIL。
AT+CIPCLOSE、AT+CIPSHUT：关闭当前GPRS移动网络环境。
AT+CIPSTATUS：查询GPRS模块的连接状态。在线返回CONNECT OK，连
接失败返回 IP IND，STATE : 对方掉线或断开连接返回 IP CLOSED，天线问题断
开连接返回PDP DEACT，正在连接中返回TCP CONNECTING。
AT+CCLK：按照后接的数据设定模块当前时间，正确放回 OK，错误返回
为了保证车辆监控中心与移动终端之间的通信和数据传输，我们设计他们之间
基于移动通信网络的通信协议，来实现终端与中心之间的数据传输。协议主要包括
监控中心下传终端指令帧，终端上传监控数据帧和传输机制，有效的保证了系统数
据通信传输的可靠性和稳定性。
监控中心下传指令帧主要是完成系统校时，图像数据接收完成确认，数据传输
丢包重传指定帧，调节图像采集分辨率等，及时的将系统信息反馈给终端用户。帧
头文件大小为 10个字节包含帧同步，终端号，指令类型，数据部分长度，扩展字。
数据部分最大为 15个字节，发送指定命令需要下传终端的数据。
在移动通信网络通信中，因为SIM300C芯片一次发送最大数据长度为 1024 个
字节，为了能够使监控数据及时的发送到中心，我们让终端上传监控数据帧采用了
最大数据发送长度，保证系统的实时和高效。帧头文件大小为 24 个字节，主要包
含帧同步，终端号，报警，数据类型，文件大小，文件帧数，帧序列号，数据部分
长度，扩展字；数据部分最大为 1000个字节，用来发送图像和定位信息[37]。
表 4.2 中心下传指令帧结构
帧同步 终端号 指令类型 数据部分长度 扩展字 数据部分
帧同步（2个字节）
由连续的 2个十六进制数构成，以两个十六进制数据 0XCF、0X42开始。
终端号（1个字节）
用户在系统中的识别号码，帮助中心与正确的对象通信。
命令类型（1个字节）
0X01表示中心要求终端校正时间，保持中心一致。数据长度为 14 个字节。如
“14”表示现在的时间为 2010年 12月 10号下午 2点 25分 14秒，终
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端进行确定。
0x02表示中心要求终端设置图像采集分辨率，数据部分长度为 1个字节，0代
表分辨率为 160*124,1代表 240*180。
0X03表示中心设置终端定位和图像监控信息采集发送周期。数据部分长度为 4
个字节，1~2字节表示定位信息发送周期，3~4字节表示图像信息发送周期。
0X11表示要求终端发送定位信息，无数据段。
0X24表示要求终端发送新的监控图像数据，无数据段。
0X25表示要求终端发送传输过程中发生掉包的图像数据，数据部分长度最大为
7个字节，每个字节分别表示相应的丢包帧数。
0X26表示正确无掉包的接收完整的图像数据，无数据段。
数据部分长度（2个字节）
表示帧数据部分的总长度。
扩展字（4个字节）
为系统升级预留字节。
表 4.3 终端上传监控数据帧格式
帧同步 终端号 报警
扩展字 数据部分
帧同步（2个字节）
由连续的 2个十六进制数构成，以两个十六进制数据 0XCF、0X42开始。
终端号（1个字节）
用户在系统中的识别号码，保证中心接收到正确终端的监控数据。
报警（1个字节）
表示车辆当前位置和车辆情况是否处于紧急状况，中心根据此部分提示监控人
员，0代表正常，1代表报警。
数据类型（1个字节）
0X31表示本次上传数据为新监控图像数据。
0X32表示本次上传数据为传输过程丢包重发的数据。
0X33表示本次上传数据为车辆定位信息。
表示本次监控数据上传文件的大小。
由于SIM300C一次发送最大数据长度为 1024 个字节，那么监控采集的信息可
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能需要分割为多帧发送，文件帧数表示本次监控数据上传文件被分割的帧数。
表示当前帧在文件中的序号。
为系统升级预留字节。
无线数据传输模块与监控中心通信采用“自我检测，出错重传”机制。中心在接
收数据包时，发送超时或者根据帧头文件中的“文件帧数”发现丢包时，监控中心将
下传重发类型的指令帧要求终端重新发送指定文件指定序列号的帧，直到中心下传
确认帧告知终端本次数据传输全部完成[38]；同样，监控终端在发送完监控数据之后，
将启动定时函数，在指定时间内没有收到服务中心的确认帧或者重传帧时，终端将
重新发送所有当次需要传输的数据，直到收到确认帧。服务中心与监控终端通信流
程如图 4.13所示。
图 4.13 服务中心与监控终端通信流程图
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4.3.3 图像采集模块软件设计
图 4.14车辆定位信息采集模块流程图
JPEG3000在上电后有一个时间约为 1900ms的复位和初始化过程，完成后进入
预备状态，所以在系统运行而没有采集图片数据时需要将 JPEG3000的使能引脚
CAPEN持续为 0，避免进入上电自动采集状态。然后监控终端根据中心关于图像分
辨率选择要求，改变CAPMODE引脚的值（0为 160*128，1为 320*240）。
在监控终端需要采集图像信息时，首先使能 CAPEN为 1， JPEG3000的摄像头
进入图像采集状态
储存图像数据到 XRAM
判断工作模式 JPEGMOD
(0=160*128,1=320*240)
接收到“0XFF,0XD8”
接收的最后两个字节
数据为“0XFF,0XD9”?
发送图像数据
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开始采集图像数据，随后与C外部中断 0 连接的 JPEGINT 引脚产生中断
信号，通知微处理器读取数据。终端进入中断处理子程序，将 5号端口接收到的 JPG
文件数据存储到片外XRAM的 photo data数组中。系统接收的 JPG格式的图像数据
是以“0XFF”“0XD8”，“0XFF”“0XD9”作为文件的开始和结束的字符标志，所以我们
在接收到“0XFF”“0XD8”就立刻重新置CAPEN为 0，防止 JPEG3000进入不必要的
持续采集图像的状态，图像数据接收完毕后检测最后两个字节是否为
“0XFF”“0XD9”，实现对图像信息正确性的检测，如不符合重新采集直到正确为止，
如成功则进入图片发送函数。需要指出的是在监控系统运行时，中心根据实际情况
需要改变模块工作模式，调节分辨率需要在图像采集完成之后，及“0XFF”“0XD9”
后，新图像采集之前改变CAPMODE引脚的值实现转换[39]。图像采集模块处理流程
如图 4.14所示。
4.3.4 车辆定位信息采集模块软件设计
Copernicus GPSOEM 板与C之间利用串口选择NMEA -0183通信协议
实现数据传输，首先PGRMC语句选择启动模式，配置接收机的工作状态，这些设
定的参数将保存在永久存储器中，在每次上电时将自动生效；然后通过PGRMI语
句设置当前工作状态，包括初始位置、时间、秒脉冲状态、差分模式、输出间隔等
信息，帮助捕获GPS卫星；再利用输出语句开关 PRRMO选择接收消息的格式为
GPGGA语句，同时打开该语句，完成输出方式选择[40]。车辆定位信息采集模块工
作流程如图 4.15所示。
Copernicus GPS OEM板支持NMEA -0183、TSIP、TAIP三种输出协议，在这
次的设计过程我们采用 NMEA -0183格式，该协议设置波特率为 9600，数据结构为
8个数据位、1个起始位、1个停止位，无奇偶校验位。Copernicus GPS OEM板在
以上操作之后根据NMEA -0183协议输出以GPALM、GPGGA、GPGSA、GPGSV、
GPRMC、GPVTG、PGRME、PGRMF、PGRMT、PGRMV开头的GPS定位信
息语句[41]。我们以GPGGA语句来接收时间、日期、方位、速度和磁偏角等信息，
可以满足车辆监控终端的定位要求。在定位数据的处理过程中，C对定位
信息分析，判断车辆的位置是不是超出了系统设定的阀值而处于监控盲区或者其他
的危险地段。如发生紧急情况，则在数据传输部分的数据包中加入报警信息，提醒
监控人员。
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图 4.15车辆定位信息采集模块流程图
以下是PGRMI、PGRMC和GPGGA语句结构[42]。
表4.4 接收机初始化信息（PGRMI）
$PGRMI,,,,,,,*hh
（纬度） xxyy.yyyy（度分）
（纬度半球） N代表北半球、S代表南半球
（经度） xxxyy.yyyy（度分)
（经度半球） E代表东经、W代表西经
（UTC日期） xx（日）yy（月）zz（年）
（UTC时间） xx（时）yy（分）zz（秒）
（接收机命令） A表示处于自动定位状态，R表示机器处于重新启动状态
选择启动模式
选择当前工作状态
选择消息格式
等待接收数据
收到‘$’？
接收定位数据
收到“CR”，“LF”？
识别消息头
更新储存数据
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表4.5 接收机初始化信息（PGRMC）
$PGRMC,,,,,,,,,,,,,,*hh
（定位模式） A表示自动模式，2表示2D定位模式，3表示3D定位模式
（海拔高度） 数值范围：-米
（坐标系统索引） 如使用自定义坐标，则4到8的字节填写坐标数值
（半长轴） 数值范围：0000米，分辨率：0.001米
（扁率倒数） 数值范围：285~310米，分辨率：10-9米
（X轴） 数值范围：-米，分辨率：1米
（Y轴） 数值范围：-米，分辨率：1米
（Z轴） 数值范围：-米，分辨率：1米
（模式选择） A表示自动采集模式，D代表差分模式
（波特率选择） 1=0,3=0,5=19200
（滤波模式选择） 0表示不滤波，1表示自动，其他表示选择的滤波时间常数
（PPS脉冲模式） 1表示无秒脉冲输出，2表示脉冲输出频率为1Hz
（秒脉冲长度） n数值范围：0~48，脉冲长度为(n+1)*20ms
（递推时间） 数值范围：1~30秒
表4.6 Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息
$GPGGA,,,,,,,,,,M,,M,,*hh
（UTC时间） xx(时)yy(分)zz(秒)
（纬度） xxyy.yyyy
（纬度半球） N代表北半球、S代表南半球
（经度） xxxyy.yyyy
（经度半球） E代表东经、W代表西经
（GPS状态） 0表示未定位，1表示非差分定位，2表示差分定位，6表示正在估算
（使用卫星数量） 数值范围：0~12个
（水平精度因子） 数值范围：0.5~99.9
（海拔高度） 数值范围：-99.9米
（相对高度） 数值范围：-米，分辨率：1米
（差分时间） 差分定位模式下有效，单位：秒
（差分站ID号） 数值范围：
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4.4监控系统实验结果
为了确保车辆监控系统运行正常和稳定，我们首先对监控终端各功能模块进行
功能测试，分别对无线数据传输，图像，定位数据的运行稳定性进行了验证。然后
我将监控终端与模拟系统服务中心连接，对监控系统进行联调测试，对系统的整体
性能进行评估。
4.4.1 终端测试结果
车辆监控终端的移动网络数据传输模块测试通过 PC 机的 RS-232 接口与
SIM300C模块的串口 0连接，利用仿真终端实现数据的交互。此仿真终端不仅可以
实现模拟终端的仿真数据传输，通过 GPRS通信方式传输到监控中心，进行实时监
控，还可以对 SIM300C模块调试。
首先在“GPRS通信”中设置监控中心 IP地址（218.199.82.13）和端口号（5000），
选择传输协议为 UDP 协议，完成通信参数设置，确保 GPRS 模块与网络中心的正
确连接。界面试图如图 4.16所示。
图 4.16 GPRS通信设置界面
然后在“本地串口控制”中选择串口并设置 RS-232 接口连接参数。波特率的
设置为 115200bps，发送参数设置为非周期性的文本格式的发送方式，串口状态监
控实现实时监测 RS-232接口的数据传输状态。界面试图如图 4.17所示。
在完成连接的初始化工作后通过发送区来发送 AT命令设置 SIM300C参数，上
传监控中心“GPS信息”中模拟的车辆定位信息和通过“打开文件”选定的模拟车
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图 4.17 基于 GPRS的通用数据传输系统仿真平台界面
移动网络数据传输模块测试结果如表 4.7所示。
表 4.7 移动网络数据传输模块测试结果
传输操作 操作次数 成功返回次数 平均时延
AT+CGATT？ 30 30 <1s
AT+CIPSTATUS 30 30 <1s
发送一张图片(10K 左右) 30 30 11s
发送 GPS 数据 30 30 3 s
车辆定位信息采集模块的测试利用 Copernicus GPS OEM板自带的 RS232串口
与测试 PC的直接连接，使用串口调试器发送命令PGRMC、PGRMI、PRRMO配
置定位信息采集模块的工作状态，设置当前的时间和地点，选择输出语句。然后接
收GPGGA语句内容，最后根据返回定位结果判断正确与否。
发送&GPRMC,A,0,0,0,0,0,0,0,0,A,4,1,1,12,1命令 20次成功返回 20次。
发送&GPRMI,,N,,E,103命令 20次成功返回 20
GPGGA语句作为本次实验定位信息的接收语句，Copernicus GPS OEM 板 20
次接收返回的定位数据正确，车辆定位模块工作正常稳定。
图像采集模块测试通过 JPEG3000自带的评估电路板和接收显示程序来测试图
像采集的模块的工作稳定性。评估板通过串口接收用户采集命令，操作 JPEG3000采
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集图像。接收的 JPG图像使用评估板的SRAM作为缓存，将数据发送到 PC的显示
界面。测试过程选择采用 320*240分辨率，结果如图 4.18所示， JPEG3000采集状
态稳定，图像清晰。
图 4.18 图像采集模块测试效果图
4.4.2 系统联调测试结果
模块测试完成，确保终端各模块工作运行正常稳定之后后，还需要对整体的连
接进行测试。以实验室 PC 机作为模拟中心服务器，将每个功能模块连接后的监控
终端与系统中心端连接。终端把定位和图像数据发送到中心服务器的中心端监控软
件，通过显示模块负责的数据显示，测试监控整体性能和系统运行可靠性。经多次
试验，无线网络传输过程中定位数据和报警数据丢失率小于百分之一，正确显示率
百分之百；图片数据包丢失率百分之二左右，经掉包重传策略后的图片接收成功率
百分之百，图片正确接收后的正确显示率百分之百，测试结果如表 4.8。
表 4.8 系统总体测试结果
传输数据类型 传输次数 成功次数 平均时延
JPEG3000数据(160*128) 20 20 13s
JPEG3000数据(320*240) 20 20 15s
Copernicus GPS数据 40 40 4s
如图 4.19是监控系统总体联调测试过程中的监控中心显示界面的效果图，这里
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我们模拟发送报警的情况，中心端在接收到监控数据之后，分析监控数据发现报警
信息，警指示灯变红提示监控人员注意，同时用红点将终端位置标示在电子地图中
央，显示界面的下框显示了接收到的地理数据信息，右上角图片框显示终端采集的
图像。从整体测试效果来看，监控终端功能基本实现，车辆监控系统基本能够正常
稳定的运行。
图 4.19服务中心显示图
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基于移动通信网络的车辆监控系统的设计过程完全遵守应用系统的开发流程，
按照用户的实际需求，兼顾了系统的扩展和可升级性，采用模块化的设计方式，严
格做好设计，测试等每一步工作。
监控终端的硬件设计工作主要经过了应用分析，器件选择，原理图图绘制，电
路调试等一系列的工作。在系统开发的初期，我们从用户需求角度出发充分调研，
列出了系统需要实现的监控功能，充分考虑嵌入系统节能，体积小等工程要求，设
计出系统的整体结构图，并分解成多个功能模块，根据目前的技术发展水平，精心
选取实现各模块功能的器件。监控终端的原理图的绘制帮助实现了 PCB 板的布线
和印制。在完成了对各个功能模块的模拟测试之后，对监控终端硬件总体进行了功
能检测，保证终端在硬件方面运行的可靠性和稳定性。
软件设计过程首先考虑终端应用的可变性，然后依据模块化的设计思想整理出
系统主程序框架以及各模块的实现功能。经过编写程序、调试和写入运行等工作，
实现了终端的软件部分。在经过了模拟测试之后，将模块组合起来，程序写入到芯
片中，不断的利用监控终端和系统中心的交互通信，测试连接和数据传输情况。同
时对每个实验的结果都做了完备的记录，并根据记录小组讨论分析，对程序进行改
进，确保系统软件的高效。
经过了长时间的学习和研发工作，基于移动通信网络的车辆监控系统终端已基
本完成。系统联调测试结果显示，监控终端和系统中心数据传输正常，工作稳定。
虽然车辆监控系统各项性能指标都达到了预期效果，但依然存在一些可以升级改进
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基于移动通信网络的车辆监控系统终端设计课题的研发工作和论文撰写，都是
在我的导师卢益民教授的悉心指导下完成的。从课题的选题、方案的制定、项目工
作的完成以及论文的写作，卢老师始终总是给予我细心的指导，并提出很多宝贵的
意见。卢益民教授治学严谨、工作认真，研究生期间给了我很多生活和学习上建议
和帮助，使我的学术研究能力、实践动手能力以及生活交际能力都得到了极大地提
高。在此谨向导师表示我衷心的感谢和深深的敬意！
感谢父母养育之恩，他们 20 多年的默默支持和无私的奉献，是我获得了现在
的成绩。在生活上他们始终给予我最好的照顾，并不断地给予我精神上的鼓励和安
慰，让我能够全身心地投入研究生阶段的学习中。
感谢华中科技大学电子与信息工程系各位领导的热情关怀、指导和帮助，使我
不断地开拓进取，并能够顺利完成学业。
感谢朱振凤、贾涛等同学在工作和生活中给予我的帮助和支持，在平时学习交
流中，我学到了很多有益的东西。
最后再次感谢所有关心和帮助过我的人们！
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