戴俊源，袁紅兵，吳昌東

(南京理工大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094；b.常熟研究院有限公司，江蘇 常熟215513)

0 前言

隨著國(guó)家改革開放步伐的加快，經(jīng)濟(jì)得到快速的發(fā)展，同時(shí)也帶來一些問題如環(huán)境污染。近年來，國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)從先前的先發(fā)展后保護(hù)慢慢轉(zhuǎn)向發(fā)展和保護(hù)并行的軌道上，提倡建設(shè)和諧社會(huì)和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)。低碳生活越來越成為人們追求的對(duì)象，特別是今年3月份全國(guó)大范圍的霧霾天氣，給人們的出行和身心健康帶來很大的影響。針對(duì)這一現(xiàn)狀，非常有必要來開發(fā)智能公共自行車系統(tǒng)，自行車作為一種不消耗能源、無污染的綠色交通工具，有利于緩解車流量、減少汽車尾氣排放、促進(jìn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展［1，2］。

目前，國(guó)內(nèi)少許城市引進(jìn)公共自行車系統(tǒng)，其運(yùn)行效果良好，但其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足發(fā)展的要求，同時(shí)也存在一些問題如實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性差等缺陷?；贑AN總線，利用ARM-μCOS II，結(jié)合GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)的智能公共自行車系統(tǒng)前端，很好地實(shí)現(xiàn)前端和后端相結(jié)合，同時(shí)也提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性，滿足智能公共自行車前端功能設(shè)計(jì)要求。

1 整體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)智能公共自行車系統(tǒng)前端由CAN總線、控制節(jié)點(diǎn)和若干控制子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，控制節(jié)點(diǎn)由CAN控制模塊、SIM900A模塊和SPI-FLASH存儲(chǔ)器模塊組成，每個(gè)控制子節(jié)點(diǎn)由RFID模塊、語音模塊、開關(guān)模塊和CAN控制模塊組成。首先由控制子節(jié)點(diǎn)的RFID模塊讀取用車者的IC卡信息，該信息經(jīng)過控制子節(jié)點(diǎn)的MCU判斷和處理，通過CAN總線傳輸?shù)娇刂乒?jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)利用GPRS TCP/IP將該信息發(fā)送到后端服務(wù)器?？刂乒?jié)點(diǎn)通過SIM900A模塊接收后端服務(wù)器的信息，控制節(jié)點(diǎn)的MCU提取該信息中控制子節(jié)點(diǎn)的地址，通過CAN總線將該信息傳輸?shù)皆摰刂返目刂谱庸?jié)點(diǎn)，控制子節(jié)點(diǎn)的MCU提取該信息中功能碼，執(zhí)行相應(yīng)的功能操作。智能公共自行車系統(tǒng)前端整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中控制子節(jié)點(diǎn)只列出其中一個(gè)，根據(jù)需要可有若干個(gè)控制子節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 電源

考慮到用電的方便性，采用外接220V電源，利用220V轉(zhuǎn)12V的交流變壓器和整流橋獲得低壓直流電源。應(yīng)用DC-DC電源芯片MP4560降壓得到5V直流電壓，MP4560是一個(gè)高頻開關(guān)降壓器，提供高達(dá)2A的輸出電流，具有4.5V～55V的輸入電壓范圍，由LM1117-3.3電壓轉(zhuǎn)換芯片將5V直流電壓轉(zhuǎn)換為3.3V直流電壓以及利用MIC29302電源芯片將5V直流電壓轉(zhuǎn)換為4V直流電壓，4V直流電壓主要給SIM900A模塊提供電源。

2.2 CAN總線

方案中所有的MCU均采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器STM32F103RBT6，STM32F103RBT6具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)，具有一個(gè)CAN控制器，支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是，以最小的CPU負(fù)荷來高效處理大量收到的報(bào)文，其功能完全滿足本方案的要求。CAN收發(fā)器采用德州儀器公司生產(chǎn)的SN65HVD230器件，該器件適用于較高通訊速率、良好抗干擾能力和高可靠CAN總線的串行通信，加之其電氣連接十分簡(jiǎn)單，因而具有良好的實(shí)用性。

2.3 控制子節(jié)點(diǎn)

控制子節(jié)點(diǎn)主要由MCU模塊、電源模塊、RFID身份識(shí)別模塊，語音模塊、CAN電平轉(zhuǎn)換模塊、開關(guān)量模塊和繼電器模塊組成，實(shí)現(xiàn)用車者身份識(shí)別、語音播報(bào)、數(shù)據(jù)傳輸和鎖具開關(guān)等功能?？刂谱庸?jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

方案中RFID射頻芯片采用NXP公司MF RC522射頻芯片，其與MCU通信接口采用SPI模式。語音模塊采用WT588D系列語音單片機(jī)，該系列芯片支持MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴(kuò)展輸出模式，音頻下載接口采用USB總線轉(zhuǎn)接芯片CH341，通過USB總線轉(zhuǎn)4線同步串行接口，實(shí)現(xiàn)從PC機(jī)語音下載。開關(guān)量模塊采用摩托羅拉公司MC1413D產(chǎn)品，結(jié)合繼電器實(shí)現(xiàn)控制鎖具的開和關(guān)。

圖2 控制子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 控制節(jié)點(diǎn)

控制節(jié)點(diǎn)由MCU模塊、電源模塊、CAN總線模塊、SPI-FLASH存儲(chǔ)器模塊和GPRS無線通信模塊組成，主要完成與各個(gè)控制子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和與后端進(jìn)行無線通訊。

GPRS無線通訊模塊采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM900A，該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，利用SIM900A TCP/IP傳輸功能，可以將公共自行車前端數(shù)據(jù)發(fā)送到任意一個(gè)具有公網(wǎng)IP地址的主機(jī)上去，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸［7，8］。SPI-FLASH存儲(chǔ)器模塊采用串行閃存W25Q16，該模塊主要用于當(dāng)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時(shí)緩存前端需要通過無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，當(dāng)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時(shí)MCU從存儲(chǔ)器中讀取緩存數(shù)據(jù)，控制GPRS將數(shù)據(jù)傳輸出去，同時(shí)也儲(chǔ)存一些相關(guān)的配置信息?？刂乒?jié)點(diǎn)的LCD模塊，主要用來顯示當(dāng)前一些信息，如溫度、時(shí)間、日期、節(jié)點(diǎn)號(hào)、聯(lián)系電話等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 μCOS II操作系統(tǒng)移植

根據(jù)微處理器STM32F103-RBT6完成μCOS II操作系統(tǒng)移植，其關(guān)鍵在于系統(tǒng)時(shí)鐘和中斷的處理，主要需要修改OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C三個(gè)文件。根據(jù)STM32F103-RBT6的Cortex-M3架構(gòu)的棧是由高地址向低地址增長(zhǎng)，因此在OS_CPU.H中宏定義OS_STK_GROWTH為1，表示堆棧的地址由高向低地址增長(zhǎng)，其任務(wù)切換OSCtxSw()模式定義為OS_CRITICAL_METHOD==3第三種模式；μCOS II中OS_CPU_C.C定義中斷函數(shù)OS_CPU_SysTickHandler()，而在標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)CMSIS提供的啟動(dòng)文件中的stm32f10x_it.c中也定義了中斷函數(shù)SysTick_Handler()，為了避免重復(fù)將OS_CPU_SysTickHandler(void)函數(shù)注釋掉，將OS_CPU_PendSVHandler(void)函數(shù)替換為PendSV_Handler(void)。

3.2 CAN

控制節(jié)點(diǎn)CAN接收過濾器配置為對(duì)其下的控制子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)均可接收，控制子節(jié)點(diǎn)CAN接收過濾器配置為只對(duì)控制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收，其屏蔽信息通過對(duì)子節(jié)點(diǎn)地址過濾來實(shí)現(xiàn)，控制節(jié)點(diǎn)地址配置為0x0000。由于整個(gè)前端功能復(fù)雜度不高，不需要采用CAN相應(yīng)的協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)，采用自定義數(shù)據(jù)傳輸格式，數(shù)據(jù)幀主要包括命令幀和錯(cuò)誤幀，數(shù)據(jù)幀格式和部分功能碼如表1所示。

表1 CAN總線通信數(shù)據(jù)幀格式和部分功能碼

3.3 控制子節(jié)點(diǎn)

控制子節(jié)點(diǎn)通過讀取IC卡號(hào)和判斷自行車狀況，通過CAN總線與控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)借車、還車功能。其IC卡分為普通和管理卡，普通卡借車和還車需要先經(jīng)過后端信息核實(shí)，核實(shí)通過才可借車和成功還車，管理卡則不需要經(jīng)過后端信息核實(shí)即可成功操作，控制子節(jié)點(diǎn)借車和還車流程如圖3所示。

圖3 控制子節(jié)點(diǎn)借車和還車流程圖

3.4 GPRS程序編寫

實(shí)現(xiàn)GPRS TCP/IP無線傳輸功能的程序主要包括SIM900A模塊初始化、AT命令配置、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。調(diào)用GPRS_Init()函數(shù)完成初始化，其開啟通過把PWRKEY信號(hào)拉低一段時(shí)間然后釋放來完成的，無線數(shù)據(jù)的傳輸是通過MCU的USART向SIM900A發(fā)送AT配置命令來實(shí)現(xiàn)的，其AT命令配置如下所示。

"AT "

"AT+CREG=1"

"AT+CGCLASS="B" "

"AT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET" "

"AT+CGATT=1 "

"AT+CIPSTART="TCP"，"IP號(hào)"，"端口號(hào)" "

"AT+CIPSEND "

"發(fā)送的內(nèi)容"

‘ '

0x1a

5 結(jié)語

綜上所述，基于CAN總線與GPRS/GSM的智能公共自行車系統(tǒng)前端是利用CAN總線控制和日益完善的全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及ARM控制技術(shù)的一種全新智能公共自行車系統(tǒng)前端。實(shí)現(xiàn)了智能公共自行車系統(tǒng)前端的硬件及軟件設(shè)計(jì)，通過RFID讀取IC卡號(hào)，判斷控制子端自行車狀態(tài)，利用CAN總線將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)娇刂乒?jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)利用GPRS TCP/IP將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)胶蠖?，控制?jié)點(diǎn)通過GPRS接收后端的數(shù)據(jù)，提取控制子節(jié)點(diǎn)的地址，利用CAN總線將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到控制子節(jié)點(diǎn)，控制字節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)幀中的功能碼，完成相應(yīng)的功能控制，從而實(shí)現(xiàn)智能化，具有很好的推廣和使用價(jià)值。

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