李俊楠　莫偉健　萬智萍

摘 要：為減少船撞擊事故的發(fā)生，提高野外水域工作的方便性，在ARM CortexTMM4開發(fā)平臺的基礎上，設計以無線自組通訊網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳遞的測深防碰撞系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以ARM CortexTMM4芯片作為處理器，ZigBee無線通訊技術、GPS_RTK高精度定位技術和超聲波測量技術作為拓展功能，最終搭建而成并實現(xiàn)測深、定位和防碰撞。測試結果表明，系統(tǒng)是擁有較強的可用性和拓展性能，有利于減少船撞擊事故和方便野外水域工作。

關鍵詞：ARM CortexTM-M4；GPS_RTK； ZigBee；超聲波；拓展性

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

Abstract：In order to decrease the number of ship wreck accidents and improve the convenience in outdoor water working， based on ARM CortexTM-M4 development platform， we designed the sounding anticollision system which relies on the wireless adhoc communication network as data transmission. With the ARM CortexTM-M4 chip processor， the expansion function of ZigBee wireless communication technique， GPS_RTK highprecision location finding technique and ultrasonic measuring technique， the system was built up finally to realize the sounding， locating and anticollision. The test result indicates that this system possess stronger availability and expansion capability.

Key words：ARM CortexTM-M4；GPS_RTK；ZigBee；ultrasonic wave；scalability

1 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們安全意識的不斷提高，無線網(wǎng)絡技術快速地變更，ZigBee技術應用領域也變得相當?shù)膹V泛，信息的傳輸從有線逐漸步入無線傳感網(wǎng)絡傳輸，趨向于信息智能化傳輸。結合當今社會多次出現(xiàn)的貨船碰撞、相撞事件，而且船舶碰撞是導致海洋石油平臺結構損壞的突出風險因素，為減少事故的發(fā)生，利用了目前比較先進的技術對船的各個角度進行實時的監(jiān)測，降低事故的發(fā)生[1]。為保證船只的安全，防止船只在濃霧天氣發(fā)生碰撞，利用超聲波測量技術測量船只與障礙物的相差距離進行監(jiān)測。針對船只受到了一定程度的碰撞，激發(fā)船只的報警系統(tǒng)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡技術傳輸求救信號到安全中心。本設計在船只航運、航海旅行和勘探方面都具有一定的實用意義。

2 系統(tǒng)的總體設計

本系統(tǒng)主要由ARM CortexTM-M4嵌入式平臺數(shù)據(jù)處理模塊、ZigBee無線組網(wǎng)通訊模塊、超聲波障礙物探測防碰撞模塊、GPS定位信息模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和用戶的便攜式計算機數(shù)據(jù)接收模塊組成。 系統(tǒng)功能的總體架構圖如圖1所示。

ARM CortexTM-M4嵌入式平臺數(shù)據(jù)處理模塊中用到功耗低、成本低和易于使用等優(yōu)越性能的ARM CortexTM-M4芯片。Cortex-M4內核是在Cortex-M3內核的基礎上發(fā)展起來的，其性能比提高了20%[2]。ARM CortexTM-M4加入了信號處理控制功能，在處理數(shù)據(jù)和傳送數(shù)據(jù)起到不可忽視的作用，工作時， ARM CortexTM-M4主要利用它強大的數(shù)字信號控制功能、快速的數(shù)據(jù)處理功能，并對測量到的信息起到中轉站的作用。

GPS定位信息模塊，引入了誤差低、精確率高的GPS_RTK技術，RTK（ Real Time Kinematic）屬于動態(tài)測量技術，是一種載波相位差分技術，關鍵就是參考站觀測值的誤差計算和流動站觀測值的誤差消除與定位[3]。RTK定位技術主要是通過實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法， 即是將基準站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機， 進行求差解算坐標。

計算技術與自動化2015年3月

第34卷第1期李俊楠等：基于CC2533的ZigBee技術智能小船測深防碰撞系統(tǒng)的設計

ZigBee無線組網(wǎng)通訊模塊，在數(shù)據(jù)采集與測量完成后，數(shù)據(jù)將會暫存在處理器中，我們需要把數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路傳送給地面工作人員，系統(tǒng)運用無線組網(wǎng)通訊ZigBee技術。ZigBee 技術是IEEE802.15.4基礎上發(fā)展起來的，是最新的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術[4]。ZigBee技術的無線網(wǎng)絡傳輸模塊主要是用來實現(xiàn)把智能小船探測出來的信息傳送回到移動用戶端，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的實時性數(shù)據(jù)記錄。整個數(shù)據(jù)傳輸體系結構主要由處理器模塊、無線通信模塊和能源模塊組成，處理器模塊和GPS顯示模塊通過串口連接起來。無線ZigBee通訊網(wǎng)是一種網(wǎng)狀網(wǎng)，由三個部分組成：網(wǎng)絡協(xié)調器、路由器和終端設備[5]。系統(tǒng)測量出來的數(shù)據(jù)是通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸?shù)?，在基于ZigBee2007/PRO協(xié)議棧而開發(fā)的ZStack協(xié)議棧中，當應用程序需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過APS數(shù)據(jù)實體發(fā)送數(shù)據(jù)請求到APS，在每一層中加上適當?shù)膸^，組成幀信息，然后發(fā)送出去，傳送到移動用戶端。考慮到無線網(wǎng)絡傳輸?shù)馁|量和傳輸數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)中引入了在應用層新加入了分割傳輸功能和在有效載荷中加入了安全key的安全性較高的基于ZigBee2007/PRO協(xié)議棧而開發(fā)的ZStack協(xié)議棧。

在配置網(wǎng)絡方面，ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構總共有三種情況：星型網(wǎng)絡拓撲、網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲和簇狀網(wǎng)絡拓撲[6]。具體的ZigBee組網(wǎng)拓撲如圖2所示。

為了降低船受到碰撞造成的損失，系統(tǒng)還引入了超聲波障礙物探測防碰撞模塊，當小船受到障礙物碰撞威脅，超聲波探頭把接收到的模擬信號經(jīng)過A/D轉換成數(shù)字信號，激響蜂鳴器，從而達到了報警的目的。

用戶的便攜式數(shù)據(jù)接收模塊主要是考慮到在野外工作的方便，以及能夠獲得實時的數(shù)據(jù)，用戶可以用筆記本電腦安裝系統(tǒng)的觀測軟件，就可以方便地了解到小船的實時數(shù)據(jù)。

整個系統(tǒng)運用了模塊化的形式組建而成，降低了系統(tǒng)平臺的構建難度以及部分模塊的損壞造成對整個系統(tǒng)損壞的威脅，而且優(yōu)化了整個系統(tǒng)的性能，總體上達到了低成本、低功耗、低復雜度和高操作性能。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計部分主要包括ARM CortexTM-M4嵌入式平臺、GPS定位模塊、ZigBee數(shù)據(jù)傳送模塊、超聲波模塊、音頻模塊和電源模塊6個部分。系統(tǒng)硬件設計部分的架構如圖3所示。ARM CortexTM-M4嵌入式平臺數(shù)據(jù)處理模塊主要用到了ARM CortexTM-M4微控制器，以及RS232串口通訊接口。ARM CortexTM-M4擴展有單周期乘法累加 （MAC） 指令、優(yōu)化的 SIMD 運算、飽和運算指令、單精度浮點單元 （FPU）和信號控制功能。平臺留出其他的接口，為了方便系統(tǒng)擴展其他的功能。

GPS定位模塊用到了擁有USB接口的GPS定位器，通過串口轉USB口線把GPS定位器與ARM CortexTM-M4嵌入式平臺相連，GPS定位數(shù)據(jù)通過USB接口傳到處理器，經(jīng)由處理器通過ZigBee發(fā)送器輸送到接收端。

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是用到了由CC2533芯片作為主控芯片的ZigBee節(jié)點設備，在小船上裝的節(jié)點作為發(fā)送端，經(jīng)過多次的節(jié)點轉發(fā)，傳送到長距離的用戶端的接收節(jié)點。

超聲波模塊主要用到了超聲波收發(fā)傳感器、RS232串口、MAX232核心芯片。通過利用RS232串轉TTL模塊把超聲波收發(fā)傳感器獲取到的信息傳送到控制器。

音頻模塊主要是用于碰撞部分的警報信息的發(fā)出，用到了擁有5 通道DMA、23 個 GPIO、2 個 USART、SPI、I2C 以及 4 個計時器等豐富周邊組件的CC2533芯片，低功耗、8位分辨率的ADC0809芯片，高耐壓、大電流、反向驅動的ULN2003驅動芯片和KH-4025，頻率為50KHz，信噪比為50db的蜂鳴器，當系統(tǒng)遇到碰撞威脅的時候，微控制器會會向音頻模塊發(fā)出一個電平，激發(fā)蜂鳴器達到報警的目的。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計包括3個部分，分別是數(shù)字信號控制的開發(fā)、基于ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸階段的開發(fā)和定位的數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化。

4.1 數(shù)字信號控制與優(yōu)化

按照系統(tǒng)對信號控制的要求，用ARM CortexTM-M4微控制器作為數(shù)字信號控制和處理的處理芯片，數(shù)字信號控制與優(yōu)化主要是通過對芯片進行擴展，并且利用比較優(yōu)化的算法進行處理，通過濾波算法把信號進行進一步的濾波優(yōu)化，使得信號更加地光滑、準確，從而減少測量的誤差。

本系統(tǒng)中在數(shù)字信號處理部分運用了卷積算法對信號進行處理，讓復雜的信號簡單化，提高了芯片的運行速度和工作效率。

卷積運算在cortex-m4上的程序實現(xiàn)[7-8]，程序流程框圖4所示：

4.2 基于ZigBee2007/PRO協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸部分的開發(fā)

數(shù)據(jù)傳輸部分的開發(fā)主要是Z-Stack協(xié)議棧。目前比較規(guī)范的兩種協(xié)議有“ZigBee”和“ZigBee2007/PRO”[9]。本系統(tǒng)主要是利用了ZigBee2007/PRO較高的安全特性， Z-Stack協(xié)議棧就是基于ZigBee2007/PRO協(xié)議進行開發(fā)的，包括協(xié)調器節(jié)點、路由器節(jié)點程序和需要執(zhí)行的各種功能的程序的開發(fā)。在數(shù)據(jù)傳輸模塊中，協(xié)調器節(jié)點主要是負責網(wǎng)絡的構建和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的中轉，路由器節(jié)點負責數(shù)據(jù)的接收。

ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)部分的程序流程框圖和Zigbee網(wǎng)絡路由器終端接收數(shù)據(jù)部分的程序流程框圖如圖5所示：

4.3 基于GPS_RTK定位技術的數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化

GPS_RTK定位技術主要包括數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的傳輸，本系統(tǒng)主要捉住了對這兩方面的技術在原來的基礎上引入了適當?shù)膬?yōu)化算法，提高數(shù)據(jù)的處理效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。GPS接收機根據(jù)載波頻率分成了單頻接收機和雙頻接收機，本系統(tǒng)中GPS接收機采用雙頻接收機，雙頻接收機可以同時接收L1、L2兩種載波的信號，GPS的L1頻率上調制有C/A碼和P（Y）碼，L2頻率上調制有P（Y）碼和L2C碼[10]。對于GPS定位電離層誤差是固有的，單頻接收機消除不了這個誤差，雙頻接收機可以結合L1、L2兩種頻率的衛(wèi)星觀測信息建立模型消除電離層誤差，也可以升級RTK功能，使測量更加準確。

5 系統(tǒng)監(jiān)測軟件及界面的設計

系統(tǒng)監(jiān)測軟件主要由定位坐標、碰撞警告、測量環(huán)境和信息報表四個部分組成。定位坐標就是對小船目前所在位置進行定位，通過無線傳送到監(jiān)測軟件上，從而讓用戶知道小船的所在位置，便于營救人員確定營救目的地。碰撞警告是當小船收到了碰撞的威脅之際，發(fā)出警告信息，并且示意出還有多長距離就會碰上障礙物，起到警告的作用。測量環(huán)境就是把小船在當時所在的地點的實際水深、小船陷水深度測量出來，并送到客戶端軟件。信息報表就是把所有需要測量的數(shù)據(jù)信息匯總起來，可以對以前的記錄數(shù)據(jù)進行搜索。系統(tǒng)監(jiān)測的軟件界面如圖7所示。

6 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)經(jīng)過搭建之后，并對系統(tǒng)進行一定的測試。在一個面積有50M2的湖里，用戶接收端就安排在附近的一個亭子里，把ZigBee子節(jié)點設備安裝在湖的四周圍，并引向接收端，移動點通過RS232接口與cortex—M4連接用來發(fā)送測量的數(shù)據(jù)通過節(jié)點的轉發(fā)送到用戶端。

經(jīng)過測試，在測試環(huán)境里面，系統(tǒng)的ZigBee設備能夠自動搜索到其他節(jié)點，通過手動連接，并且能夠獲得比較準確的測量數(shù)據(jù)。

在防碰撞警報測量測試中，小船離障礙物有6M（船頭離障礙物的距離）的地方為記錄點A，報警周期為T=200ms，空氣中傳播速度V=340M/S，波特率為P=9600，在船與障礙物碰撞期間采取4個點。測量距離、實際距離與相對誤差數(shù)值如表1所示。表中測量結果說明本系統(tǒng)的防碰撞部分的誤差在3CM～25CM，誤差范圍大致上符合要求。

7 結 語

本系統(tǒng)用到了精確度較高的GPS_RTK定位技術做為小船的定位、低功耗和低復雜度的ZigBee無線通訊網(wǎng)絡用來對測量到的數(shù)據(jù)進行傳輸，超聲波技術用來測量距離的長度并和蜂鳴器進行結合達到報警的目的。經(jīng)過測試，系統(tǒng)的各項功能基本得以實現(xiàn)，并對擴展的功能預留出擴展的接口以作為功能擴展作用，本系統(tǒng)可以用在戶外作業(yè)，對水域的探測與安全防御有一定的幫助。

參考文獻

[1] 史有剛， 埕島油田船舶碰撞平臺概率分析[J].石油礦場機械，2010，39（ 8）：98-100.

[2] 劉貫營，趙玉榮. Cortex-M4內核微處理器DMA方式的高速A/D采樣[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012（7）：71-72.

[3] 鄒璇，唐衛(wèi)明. 區(qū)域地基增強PPP_RTK模糊度快速固定方法研究[J].大地測量與地球動力學，2014，34（1）：76-83.

[4] 肖廣榮，姚家勝，劉惠.基于ZigBee技術的石油開采過程的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].西安石油大學學報，2014，29（1）：101-106.

[5] 蘇中濱，王學進.基于ZigBee技術的奶牛定位系統(tǒng)組網(wǎng)方案研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報，2013，44（2）：136-141.

[6] 馮揚.智能小區(qū)無線網(wǎng)絡系統(tǒng)安全研究[J].電子測量技術，2014，37（2）：132-136.

[7] 薄祥雷，何怡剛.基于影響因子的頻域盲源分離排序算法[J].電子學報，2014，（2）：360-365.

[8] 趙淵，張進.大電網(wǎng)可靠性評估的卷積計算模型[J]電網(wǎng)技術，2013.37（9）：2466-2473.

[9] XU F， ZHU M. Design and Implementation of Library Monitoring System Based on ZigBee[J]. Journal of Computational Information Systems， 2013， 9（13）： 5281-5289.

[10]焦海松，陳軍.電磁干擾對GPS雙頻接收機定位精度的影響[J].測繪科學技術學報，2013，30（6）：559-568.

[11]方新磊，郝偉，陳宏. 基于頻域濾波的加速度信號處理[J].儀表技術與傳感器，2012，（4）：94-96.

[12]王翔，黃知濤，周一宇. 基于循環(huán)頻域濾波及Schmidt正交對消的單通道信號分離算法[J].國防科技大學學報，2012，34（4）：120-125.

[13]馬秀榮，張媛. 基于功率譜形態(tài)學的LFM信號參數(shù)估計[J].系統(tǒng)工程與電子技術，2014，36（1）：16-22.

[14]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協(xié)議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009：185-304.

[15]高守瑋，吳燦陽. ZigBee技術實踐教程：基于CC2430/31的無線傳感器網(wǎng)絡解決方案[M].北京： 北京航空航天大學出版社，2011.