专利名称：一种智能服装用的gps数据压缩方法
技术领域：
本发明涉及无线通信数据压缩领域，特别是涉及一种智能服装用的GPS数据压缩 方法。
背景技术：
随着科技的进步和生活水平的提高，人们对于服装的要求也越来越高，希望服装 除了保温和美观外还应具有更多的功能。由此，可穿戴系统监控人体成为一个研究热点，可 穿着的电子智能服装是多学科交叉技术的融合，在服装设计理念上是一次大胆的创新，它 是在计算机硬件技术不断发展，各种高集成、超微型的元器件的不断出现以及新的计算机 理论与技术不断成熟的背景下应运而生的，是计算“以人为本，人机合一”这一理念的必然 产物。通过调研发现人们对于智能服装需求主要在于下面几个方面1)定位——穿着者或 监护人能够实时或按需地获取穿着者的位置、位移、速度等信息；2)健康监控——监护人能 够实时或按需地获取穿着者的生理健康信息；3)辅助——获取穿着者所处环境或者是辅助 一些智障及老人的出行。就定位而言，服装嵌入式GPS —般体积较小，无存储量大的硬盘设 备，系统的程序一般都装在FLASH或者ROM等介质上，因此在开发时，程序所占用的空间应 限制在一定范围内，然而标准的GPS数据量是非常庞大的，对GPS数据进行压缩在面向智能 服装的应用中显得十分必要。如今，各种数据压缩方法已经广泛用于图像压缩、视频传输以及Internet网络 上，而在嵌入式系统应用中，只有中兴通讯股份有限公司于2009年申请的嵌入式数据压缩 方法。常用的数据压缩方法主要有行程编码、LZW字典编码和霍夫曼编码等，而用在GPS数 据上的压缩方法主要集中在动态霍夫曼压缩方法、LZW字典编码与霍夫曼编码相结合方法 以及小波变换压缩方法上。其中，前两种方法都是一种无损数据压缩方法，而后一种则是有 损数据压缩方法。目前，智能服装的应用处于探索发展阶段，针对智能服装用的GPS数据压 缩方法尚无任何专利及论文发表。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种智能服装用的GPS数据压缩方法，兼顾压 缩时间和压缩效果。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种智能服装用的GPS数据压 缩方法，包括以下步骤(1)对标准GPS数据进行预处理，去除冗余信息，保留对智能服装有用的数据；(2)对已经去除冗余信息的GPS数据进行移位霍夫曼数据压缩。所述的智能服装用的GPS数据压缩方法中所述的步骤(2)中的移位霍夫曼数据压 缩还包括以下子步骤(a)对智能服装有用的数据信源消息进行遍历，并按大小顺序进行排序；(b)将所有符号分割为相等大小的符号块，选取频率较大的信源信息作为主段信源，剩下的构成辅段信源； (c)对主段信源进行霍夫曼编码；(d)利用主段信源编码，辅段信源按照其频率大小把主段信源编码移位，并用“上 /下移字”作为其前缀得到辅段信源编码。所述的智能服装用的GPS数据压缩方法中所述的步骤(1)中的对智能服装有用的 数据包括消息ID、时间、经度和纬度。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果在对数据压缩前先对数据进行预处理，去除了冗余信息，仅保留对于智能服装有用的数 据，大大减少了编码长度，并采用移位霍夫曼方法对其进行压缩，兼顾了压缩速度与压缩效 果，在压缩率上具有良好表现，对于智能服装的远程监控应用有着积极而现实的意义。
图1是本发明的流程图；图2是本发明的移动霍夫曼原理图；图3是本发明的移位霍夫曼数据压缩流程图；图4是本发明的解码流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。本发明的实施方式涉及一种智能服装用的GPS数据压缩方法，如图1所示，包括以 下步骤(1)对标准GPS数据进行预处理，去除冗余信息，保留对智能服装有用的数据；(2) 对已经去除冗余信息的GPS数据进行移位霍夫曼数据压缩。智能服装微控制器与GPS接受机的通信采用串口通信方式。一般说，GPS数据多 是采用美国国家海洋电子协会Marine Association制定的NMEA0183-GPS接口协议标准。 NMEA-0183 格式以 “$” 开始，以 “<CRXLF>” 结束，主要语句有 GPGGA，GPGLL, GPVTG, GPRMC 等。其中的GPGGA语句应用最为广泛，其格式如下$GPGGA, <1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M, <10>，M, <11>，<12>，
*hh<CRXLF>0其中，各个符号所代表的含义如表1所示。
所有ASCII码表 1当接收到这样一个完整的NEMA0183格式的语句时，提取有用信息的方法是先判 定起始符$GPGGA的位置，从起始符开始读数据，再通过异或校验后的语句中寻找字符“，”， 然后截取前后两个“，”之间的字符(串)获得所关心的数据，并以回车符为一个GPS语句 的终止符，得到一个完整的GPS信号。—串标准的GPS数据中，针对智能服装定位监护来说，显然有大量的冗余信息，我 们所关心的仅仅是时间、经度和纬度等信息。通过这几个关键信息的处理，在后台监护中心 即可得到穿着者何时位于何地。其中，GPS数据中的消息ID($GPGGA)仅作为一个GPS报文的开始，当收到这个字 段的时候表示，下面开始接受GPS数据。因此传递中可以用一些简单的字符来代替这个帧 头，如使用AAA字符带代替，当接收端收到AAA时代表开始接收GPS数据。UTC时间在面 向智能服装的应用中，定位时间可以方便地告诉监护人穿着者曾经何时到达某地。纬度、经 度这两个数据是进行定位的重要依据，因此不做任何处理，当然对于某个特定地方来说如 中国，其纬度半球与经度半球是确定可以为北纬东经，因此这两个数据位可以简单地做省 略处理。对于其他如质量因子、可使用卫星数、天线高程等数据则是在面向智能服装应用中
5不关心的数据，因此，在进行GPS数据预处理时可将这部分的冗余信息去除，只留下上述的 消息ID、UTC时间、经度和纬度这些对智能服装有用的数据。因此，对于留下的一串消息，其概率分布如图2所示，按照概率分布为几个部分， 其中主段信源由少数概率较大信源的组成(即主段信源由出现频率多的信源组成)，其余 看成辅段信源，主段信源个数为N，辅段信源个数为n。把所有的辅段信源作为一个总的信 源，其概率为各辅段信源概率之和，这时这一串消息的个数由N+n变为N+1。用标准的霍夫 曼编码对主段信源进行编码，并把信源所对应的码字看成“上移/下移字”，辅段信源的编 码按照其概率大小把主段编码移位，并加上“上移或下移字”。因此，针对这样一个经过预处理的智能服装用GPS数据AAA，050901，3931. 4449， 11643. 5123来说，可以考虑使用移位霍夫曼算法对其进行压缩，其步骤如图3所示(a)对信源信息进行遍历，并按大小顺序进行排序。其离散无记忆信源S空间为
ro …(S:\ 3409^ , 5 . 2 6]=}(b)将所有的符号分割为相等大小的符号块，选取频率较大的信源消息1、3、4、0、 9、A作为主段，剩下的构成辅段，记为PM，其信源频率为9。(c)把辅段信源看成一个信源，对其主段信源及辅段信源进行标准霍夫曼编码。这 样主段的每个信源和整个辅段信源会分别分配到一个信源编码，辅段信源所分配到的信源 编码可以看成一个“上移/下移字”，同时也是整个辅段信源的一个关键字，在解码过程中 当遇到这个关键字时则会进入辅段信源编码表里去解码信源。其主段信源编码如表2所 示。其中，PM的编码为“上/下移字”，即辅段信源的关键字。 表 2(d)利用主段信源编码，辅段信源按照其频率大小把主段编码移位，并用“上/下 移字”作为其前缀得到辅段编码，其编码如表3所示。 表 3解码是编码的逆过程，从压缩文件中读出数据的压缩码流，逐系数进行解码，其具 体方法如下(见图4)1)首先重构主段信源编码的霍夫曼树，逐个字节读取压缩码流，匹配主段信源霍 夫曼编码，当其匹配结果不是辅段信源的关键字时，则输出其对应的信源符号，进入步骤3) 检查全部字节输出，没有则重复步骤1)，否则输出完成，如果匹配结果为辅段信源关键字，则进入步骤2)。2)若匹配结果是辅段信源的的关键字时时，则进入辅段信源编码逐个字节进行匹 配，将匹配结果信源输出。接着进入步骤3)检查全部字节是否输出，没有则重复步骤1)，否 则输出完成。3)逐个字节输出，重复前2个步骤，直到所有压缩码流输出完毕。本方法对于智能服装GPS数据的压缩量来自两个方面即去除冗余信息量和移位 霍夫曼编码压缩量。压缩率n应该满足以下表达式
「 ，(Redundance Huffmancode \7/= -+ ~-- xl00%
1 TLTL )上式中TL为信息串长度，Redundance为冗余信息量，Huffmancode为移位霍夫曼
编码压缩量。针对一串标准的GPS数据来说，其共有66个字符，21种字符，因此其标准算术编码 长度为66*5 = 330字节。经过去除冗余信息后，剩下31个字符，14种字符，此时编码长度 为31*4 = 124字节。冗余信息量Redundance为330-124 = 206字节。就去除冗余后的智能服装用GPS数据AAA，050901，3931. 4449，11643. 5123来说， 其编码的平均长度为Lavg = 3. 58比特/信源。因此，移位霍夫曼编码压缩量Huffmancode 为31*(5-3.58) = 44字节。由此可以得到n = 75%，可见本方法对于智能服装用GPS数 据具有良好的压缩能力。由于本方法保留了时间及经纬度等对智能服装有用的数据，故是 一种无损数据压缩方法。常见的无损数据压缩方法有行程编码，LZW字典编码，标准霍夫曼编码，现就这几 种方法与本方案中移位霍夫曼编码进行比较。行程编码(run-length encoding，简称“RLE”)是寻找一系列重复出现的字符， 并把它们压缩成单个字符，其后一个J计数，说明字符在顺串中出现次数。如，可以把字符 AAAAAABBBBCCCC压缩为成字符A6B4C4。然而对GPS数据来言，字符并无任何重复性，因此 使用行程编码会使得压缩数据比原始数据更大，显然是种无效压缩。LZW字典编码，即在编码处理开始阶段，先构造一个对信源符号进行编码的编码本 或“字典”。编译器编译字符串时，用较短的代码来表示较长的字符串来实现压缩。对AAA， 050901，3931. 4449，11643. 5123这一串GPS数据构建字典，可代替的重复字段只有A-A与 4-4这两个字段，可见对于面向智能服装的GPS数据压缩，LZW编码几乎不起到任何压缩作 用。对于标准霍夫曼编码来说，其平均信源编码长度为，这串智能服
装GPS数据的霍夫曼编码长度为Lavg = 3. 41比特/信源。可见移位霍夫曼编码的效果和 最佳霍夫曼编码的效果相差无几，然而从时间复杂度上来说，移位霍夫曼编码则要小很多， 对于智能服装这种实时性要求高的穿戴性GPS来说，无疑是很有必要的。
权利要求
一种智能服装用的GPS数据压缩方法，其特征在于，包括以下步骤(1)对标准GPS数据进行预处理，去除冗余信息，保留对智能服装有用的数据；(2)对已经去除冗余信息的GPS数据进行移位霍夫曼数据压缩。
2.根据权利要求1所述的智能服装用的GPS数据压缩方法，其特征在于，所述的步骤 (2)中的移位霍夫曼数据压缩还包括以下子步骤(a)对智能服装有用的数据信源消息进行遍历，并按大小顺序进行排序；(b)将所有符号分割为相等大小的符号块，选取频率较大的信源信息作为主段信源，剩 下的构成辅段信源；(c)对主段信源进行霍夫曼编码；(d)利用主段信源编码，辅段信源按照其频率大小把主段信源编码移位，并用“上/下 移字”作为其前缀得到辅段信源编码。
3.根据权利要求1所述的智能服装用的GPS数据压缩方法，其特征在于，所述的步骤 (1)中的对智能服装有用的数据包括消息ID、时间、经度和纬度。
全文摘要
本发明涉及一种智能服装用的GPS数据压缩方法，包括以下步骤(1)对标准GPS数据进行预处理，去除冗余信息，留下时间及经纬度等对智能服装有用的数据；(2)对已经去除冗余信息的GPS数据进行移位霍夫曼数据压缩。本发明在对数据压缩前先对数据进行预处理，去除了冗余信息，仅保留对于智能服装有用的数据，大大减少了编码长度，并采用移位霍夫曼方法对其进行压缩，兼顾了压缩速度与压缩效果，在压缩率上具有良好表现，对于智能服装的远程监控应用有着积极而现实的意义。
文档编号H03M7/40GK101895298SQ20101022287
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者丁永生, 任立红, 何富祥 申请人:东华大学