盧亞軍，黃艷虎，熊慶捷

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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基于ZigBee無(wú)線通信的汽車(chē)反射式HUD設(shè)計(jì)研究

盧亞軍，黃艷虎，熊慶捷

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

汽車(chē)作為現(xiàn)代交通工具日益普及，其安全性受到關(guān)注。汽車(chē)駕駛員駕駛汽車(chē)高速行駛時(shí)，時(shí)常會(huì)低頭觀察儀表盤(pán)的情況，這極有可能導(dǎo)致交通事故。針對(duì)此安全隱患，提出了一種基于ZigBee無(wú)線通信的平視顯示器(Head Up Display，HUD)技術(shù)平臺(tái)的解決方案。該方案由STM32主控模塊、RFID模塊、紅外檢測(cè)模塊、藍(lán)牙模塊以及超聲波模塊組成。基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的HUD系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)之間的相互通信，同時(shí)將汽車(chē)周?chē)南嚓P(guān)信息經(jīng)過(guò)手機(jī)反射到擋風(fēng)玻璃上，從而避免駕駛員低頭看儀表盤(pán)，提升駕車(chē)安全性，具有較大市場(chǎng)潛力。

HUD；平視顯示；ZigBee

隨著汽車(chē)的普及，汽車(chē)安全可靠性是人們關(guān)注的重要問(wèn)題。車(chē)輛在高速行駛時(shí)，特別是在夜間行駛的時(shí)候，如果駕駛員在觀察儀表盤(pán)上的信息，容易分散注意力。另外，也由于駕駛員無(wú)法準(zhǔn)確地獲取周?chē)颓胺降缆?、附近?chē)輛的信息，而導(dǎo)致災(zāi)難性的交通事故發(fā)生。

平視顯示器(Head Up Display)是普遍運(yùn)用在飛機(jī)上的飛行輔助儀器。最早出現(xiàn)在軍用飛機(jī)上，減少飛行員低頭查看儀表的次數(shù)，因?yàn)镠UD能夠提高飛行駕駛安全的優(yōu)良功能，民航機(jī)也開(kāi)始安裝，應(yīng)用于汽車(chē)上是從1988年開(kāi)始的[1]。目前只有小部分高端品牌車(chē)型上安裝抬頭顯示，由于價(jià)格較高等原因，使用不太普遍。另外，近幾年來(lái)汽車(chē)平視顯示器在市場(chǎng)上逐漸興起，能夠?qū)⑵?chē)的油耗、胎壓、車(chē)速等汽車(chē)基本信息投影顯示在汽車(chē)玻璃上，但是功能上仍然需要更加完善。例如，現(xiàn)有汽車(chē)平視顯示器沒(méi)有汽車(chē)間信息共享的通信功能。

在信息高速發(fā)展、車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益進(jìn)步的今天，汽車(chē)和公路更加智能化，車(chē)聯(lián)網(wǎng)通過(guò)車(chē)輛和道路之間進(jìn)行有效的信息交互，實(shí)現(xiàn)智能交通的管理和信息服務(wù)。汽車(chē)和路邊基礎(chǔ)設(shè)施通信功能的完善以及針對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)[2]。因此，一款適合普通消費(fèi)者、成本較低、通信功能更加完善的汽車(chē)平視顯示器具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

以車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念作為大地基，借助于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)以獲取汽車(chē)的靜動(dòng)態(tài)信息，然后實(shí)現(xiàn)車(chē)輛、道路、路牌信息共享。接著通過(guò)車(chē)載系統(tǒng)處理相應(yīng)信息，用反射式HUD把圖像信息呈現(xiàn)在駕駛員前方。這樣的平視技術(shù)不僅可以達(dá)到使駕駛員避免視線離開(kāi)前方的效果，還能針對(duì)附近車(chē)輛以及道路的情況適時(shí)地調(diào)整駕駛。

1　總設(shè)計(jì)思路

以嵌入式平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載信息的正確顯示。構(gòu)建一種基于ZigBee的通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合汽車(chē)平視技術(shù)特點(diǎn)，獲取運(yùn)行中汽車(chē)周邊環(huán)境及交通信息將相關(guān)信息反射到擋風(fēng)玻璃面前，為駕駛員輕易獲取各類(lèi)信息提供條件。

圖1為本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)方案，該方案由CORTEX-M3內(nèi)核的32位芯片STM32F103RBT6主控模塊、RFID模塊、紅外檢測(cè)模塊、藍(lán)牙模塊以及超聲波模塊組成。利用RFID模塊、紅外檢測(cè)模塊、超聲波模塊傳感器采集周?chē)缆返母黝?lèi)信息，STM32與ZigBee串口連接，通過(guò)ZigBee將采集的信息傳輸?shù)絊TM32中，STM32將采集的信息以及ZigBee發(fā)送過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后通過(guò)藍(lán)牙串口無(wú)線發(fā)送到手機(jī)端APP中，以反射的方式把各類(lèi)信息顯示在擋風(fēng)玻璃上，實(shí)現(xiàn)抬頭顯示效果。另外一方面，獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MCU整理成固定的格式，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給周?chē)?chē)輛，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息的共享。

圖1　系統(tǒng)總設(shè)計(jì)示意圖

2　硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以STM32為主控模塊、RFID檢測(cè)模塊、超聲波測(cè)距、紅外識(shí)別模塊、藍(lán)牙模塊、液晶顯示模塊以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建的整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)試，并進(jìn)行模塊間的通信測(cè)試，得出的結(jié)論是：模塊良好，能夠搭建系統(tǒng)。

STM32為主控模塊模塊使用的是ALIENK MiniSTM32開(kāi)發(fā)板，其由STM32F103RBT6作為核心，搭載可供學(xué)習(xí)的外圍模塊，其具有豐富的外設(shè)功能。RFID模塊采用DMS-301模塊，可以識(shí)別50 m之內(nèi)的電子標(biāo)簽，能夠識(shí)別高速移動(dòng)的電子標(biāo)簽，配套使用的電子識(shí)別標(biāo)簽為DST-80。采用HC05藍(lán)牙模塊，它是主從一體的高性能藍(lán)牙串口模塊，支持非常寬的波特率范圍4 800～1 382 400 Bd，并且模塊兼容5 V或3.3 V單片機(jī)系統(tǒng)。超聲波模塊選用US-100超聲波傳感器，是一個(gè)5針的傳感器，支持GPIO和串口雙模式。通過(guò)Trig腳輸出一個(gè)大于10 μs的高電平，模塊便會(huì)發(fā)送8個(gè)超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波，再根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，便可得出所測(cè)量的距離。

STM32外圍電路使用的是ALIENTEK MiniSTM32的開(kāi)發(fā)板，其選用的STM32F103RBT6作為MCU，其最小系統(tǒng)主要是由電源穩(wěn)壓、晶振、復(fù)位、LED指示、擴(kuò)展引腳電路等組成。ZigBee底板的電路圖，主要是由電源電路、指示燈和核心板插座構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)的通信著重于串口通信(USART)，系統(tǒng)使用STM32F103RBT6的3個(gè)串口。串口1與ZigBee進(jìn)行連接，串口2與藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接，串口3與RFID進(jìn)行連接。因此串口通信在整個(gè)系統(tǒng)中占有不可或缺的重要地位。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要的地位，系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。系統(tǒng)開(kāi)始將STM32所需要用到的外設(shè)都初始化。如系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、串口初始化、按鍵初始化、LCD初始化等。外設(shè)初始化結(jié)束后便可進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集方式使用中斷的形式，每次數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入STM32，串口中斷會(huì)被觸發(fā)，然后串口中斷服務(wù)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)在經(jīng)串口1和串口2分別傳輸給ZigBee和藍(lán)牙串口模塊，并將數(shù)據(jù)顯示在LCD上。

軟件設(shè)計(jì)分為以下6個(gè)方面，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建、RFID數(shù)據(jù)獲取、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸、人體紅外傳感、超聲波測(cè)距和HUD界面設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建需要完成ZigBee模塊的CC2530核心板中程序的燒寫(xiě)，對(duì)ZigBee串口進(jìn)行配置，使其發(fā)送信息，并使STM32串口1能夠接收信息。確保ZigBee所建立的網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信、ZigBee與STM32能夠正常通信。

RFID模塊使用的是DSM-301模塊，模塊設(shè)置的波特率為9 600 Bd，采用TTL232接口。因此只需與MCU接4根線就可通信。數(shù)據(jù)是單向傳輸?shù)模饕荢TM32接收RFID識(shí)別的卡片數(shù)據(jù)。STM一串?dāng)?shù)據(jù)接收完畢，緊接著就跳入數(shù)據(jù)處理函數(shù)，將數(shù)據(jù)顯示在LCD上。

系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)連接，從而讓手機(jī)實(shí)現(xiàn)HUD的重要模塊。通過(guò)物理串口線與STM32相連，數(shù)據(jù)經(jīng)2.4G無(wú)線鏈路傳輸給手機(jī)。

紅外模塊功能主要是通過(guò)IO管腳高低電平的變化狀態(tài)來(lái)判斷車(chē)輛視線盲區(qū)是否有人。傳感器模塊的輸出端接STM32的PA.14腳，對(duì)PA.14先置低電平，然后配置為輸入模式。當(dāng)傳感器模塊的輸出端輸出高電平時(shí)，通過(guò)判斷PA.14是否為高電平，如果是高電平，把HUD界面上的灰色的人變成紫色來(lái)提醒駕駛員。

為實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距，STM32通過(guò)PA.7輸出1個(gè)大于10 μs的高電平，從而觸發(fā)超聲波發(fā)射。在回波檢測(cè)通過(guò)PA.6用定時(shí)器3通道1的輸入捕獲，從而確定高電平的事件。在根據(jù)公式L=340(m/s)×T/2得出靜態(tài)的距離。

本系統(tǒng)的HUD軟件是基于Android編寫(xiě)的，使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Eclipse。通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙，將STM32中數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，通過(guò)手機(jī)屏幕完成HUD界面顯示。目前APP的功能還是比較少的，只是起到一個(gè)可視性的效果。

4　調(diào)試與測(cè)試

完成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)之后，首先對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的幾項(xiàng)功能，然后對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行調(diào)試。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建的調(diào)試思想是：先確保ZigBee所建立的網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信，然后確保ZigBee與STM32能夠正常通信，最后進(jìn)行整體系統(tǒng)的連接。因此，首先測(cè)試PC1到ZigBee終端1，在經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)到ZigBee協(xié)調(diào)器端發(fā)送數(shù)據(jù)到PC2，PC2便能收到并顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。反過(guò)來(lái)，PC2向PC1發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候也可在PC1上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)了。就這樣設(shè)置PC1和PC2可以像現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)交互軟件一樣進(jìn)行聊天了。第一步ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信正常。

第二步確保STM32與ZigBee通信的正常，首先用STM32按鍵1控制STM32發(fā)送幾個(gè)字符給ZigBee，ZigBee對(duì)字符進(jìn)行判斷，接收的數(shù)據(jù)正確后，模塊對(duì)外設(shè)LED進(jìn)行點(diǎn)亮，并發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)“123456789”給STM32，STM32將其顯示在LCD上，從而證明雙方通信的可行性。

下面對(duì)系統(tǒng)通信距離的長(zhǎng)短進(jìn)行測(cè)試。將代表兩輛汽車(chē)的系統(tǒng)P1和系統(tǒng)P2間隔一定的距離，進(jìn)行通信測(cè)試，每組進(jìn)行50次數(shù)據(jù)接收和50次數(shù)據(jù)發(fā)送，測(cè)試距離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由此可知，系統(tǒng)的通信距離約為50 m，在50 m內(nèi)的通信較為準(zhǔn)確。在應(yīng)用中，行駛的車(chē)輛相對(duì)距離較小，50 m的通信距離基本能夠滿足應(yīng)用需求。

表1測(cè)試距離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

序號(hào)距離/mP1發(fā)送P2接收成功率/%P2發(fā)送P1接收成功率/%110981002201001003309698440989855088926606254770241888000

對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行整合，然后進(jìn)行整體調(diào)試，系統(tǒng)硬件如圖4。圖4的左邊代表汽車(chē)1，右邊代表汽車(chē)2。兩者間的通信是通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，通過(guò)STM32主板處理并發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)到手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊的無(wú)線傳輸。

圖4　系統(tǒng)整體硬件圖

圖5a為手機(jī)上HUD實(shí)現(xiàn)的界面圖，右側(cè)數(shù)字表示的是當(dāng)前車(chē)輛的速度，左側(cè)數(shù)字則表示附近攜帶ZigBee終端的汽車(chē)的速度，中間的儀表盤(pán)有綠色和淡紅色的指針，它可以按照當(dāng)前速度轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的刻標(biāo)值，從而模擬汽車(chē)車(chē)速儀表盤(pán)。儀表盤(pán)中間有個(gè)灰色的小人，其用來(lái)指示夜間行車(chē)的時(shí)候遠(yuǎn)光燈造成的視覺(jué)盲區(qū)中是否有人，有人時(shí)灰色的人會(huì)變成紫色。儀表盤(pán)上的藍(lán)牙標(biāo)記，用于指示藍(lán)牙的使用狀況。標(biāo)記為藍(lán)色時(shí)，表示藍(lán)牙正常工作，標(biāo)記為灰色時(shí)，表示藍(lán)牙未連接。上方藍(lán)色文字為路邊指示牌信息，路邊指示牌裝有RFID電子標(biāo)簽設(shè)備，汽車(chē)經(jīng)過(guò)此處時(shí)，系統(tǒng)能夠識(shí)別電子標(biāo)簽信息，即為路邊指示牌信息。將手機(jī)放在玻璃面前面，則可以看到圖5b所示的界面。反轉(zhuǎn)后的界面，在經(jīng)反射到車(chē)前的擋風(fēng)玻璃上的時(shí)候，人眼就可看到正像，從而達(dá)到HUD的效果。

圖5　HUD實(shí)現(xiàn)圖

總之，此系統(tǒng)能夠組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩車(chē)之間的通信。RFID模塊正常工作，能夠識(shí)別電子標(biāo)簽。紅外模塊正常工作，能夠識(shí)別是否有人，并在LCD上顯示。超聲波測(cè)距功能能夠基本實(shí)現(xiàn)。STM32能夠與手機(jī)之間實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信，手機(jī)APP能夠顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)，反轉(zhuǎn)后的界面，在經(jīng)反射到車(chē)前的擋風(fēng)玻璃上的時(shí)候，人眼就可看到正像，從而達(dá)到HUD的效果。

另外，由于本系統(tǒng)是在STM32的開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的，所以目前系統(tǒng)看起來(lái)體積略大，在汽車(chē)上使用不夠方便。但是開(kāi)發(fā)板占據(jù)了較大體積，而很多模塊在本系統(tǒng)中并沒(méi)有使用到。后期將開(kāi)發(fā)板移除，只使用核心模塊，會(huì)大大減小系統(tǒng)體積。

5　總結(jié)與展望

縱觀最終結(jié)果，本汽車(chē)平視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已完成了初始的大部分要求，能夠在兩輛汽車(chē)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，能夠采集到路牌信息并加以處理顯示。在數(shù)據(jù)的傳輸上，采用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)，ZigBee具有成本低廉，可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。HUD顯示使用手機(jī)APP來(lái)配置，使界面的可擴(kuò)展性更好，只要有好的想法就可將其在軟件上實(shí)現(xiàn)，具有很好的可觀賞性。系統(tǒng)也存在著某些缺點(diǎn)，例如數(shù)據(jù)采集的可靠性和安全性有待提高。系統(tǒng)的功能可以更豐富，與汽車(chē)的相關(guān)接口連接，在HUD系統(tǒng)中顯示更多的信息。

人們對(duì)于汽車(chē)駕駛安全性的需求，促進(jìn)了車(chē)載平視顯示技術(shù)的發(fā)展。系統(tǒng)功能多樣性是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，例如在系統(tǒng)中增加導(dǎo)航功能等。同時(shí)，現(xiàn)有功能的完善也是非常必要的，例如增加顯示的尺寸、清晰度，調(diào)節(jié)顯示的亮度，增加通信的可靠性，降低系統(tǒng)成本[1]。

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盧亞軍(1991— )，女，碩士生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制與應(yīng)用、無(wú)線定位技術(shù)；

黃艷虎(1991— )，碩士生，研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，室內(nèi)可見(jiàn)光定位技術(shù)；

熊慶捷(1991— )，本科，擅長(zhǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)軟件編程方面的研究。

責(zé)任編輯：許盈

Design of vehicle reflective HUD application based on short-distance wireless communication

LU Yajun, HUANG Yanhu, XIONG Qingjie

(SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicandTechnology,GuangxiGuilin541004,China)

As the vehicle is becoming more and more popular, whose security is also concerned. When the driver is driving at high speed, often down to observe the situation dashboard, which is likely to cause a traffic accident. In view of the safety problems, a kind of HUD level technology platform based on ZigBee wireless communication is put forward. The program consists of CORTEX-M3 core chip 32 STM32F103RBT6 control module, RFID module, infrared detection module, Bluetooth module and an ultrasound module. With the help of the HUD system based on ZigBee network, the vehicles can communicate each other, and at the same time the vehicle-related information can be reflected on the windshield through the phone, so as to avoid the driver’s looking down at the instrument panel and enhance driving safety. The system can be expanded to drive further networking mode, with considerable market potential.

HUD; head-up display; ZigBee

TP368.2

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.013

廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KY2015ZD042)；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(YJCXS201520)；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201410595010)

2015-10-29

文獻(xiàn)引用格式：盧亞軍，黃艷虎，熊慶捷. 基于ZigBee無(wú)線通信的汽車(chē)反射式HUD設(shè)計(jì)研究[J].電視技術(shù)，2016，40(7)：56-59.

LU Y J，HUANG Y H，XIONG Q J. Design of vehicle reflective HUD application based on short-distance wireless communication[J].Video engineering，2016，40(7)：56-59.