馬 麗，吳鵬飛，高 波

(1.河北省工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001；2.河北水利電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001；3.滄州市工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001；4.河北水利電力學(xué)院 財(cái)務(wù)處，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，車(chē)輛的需求量越來(lái)越大，我國(guó)已經(jīng)成為僅次于美國(guó)和德國(guó)的世界第三大汽車(chē)消費(fèi)市場(chǎng)，車(chē)輛的逐漸增多必然造成交通壓力，交通事故發(fā)生率也在逐年提升。但是當(dāng)前汽車(chē)之間可以說(shuō)是獨(dú)立的，各城市交通之中車(chē)輛之間的通訊設(shè)備匱乏，缺少信息傳遞的方法。隨著車(chē)聯(lián)網(wǎng)概念的提出以及STM32單片機(jī)及Zigbee無(wú)線通訊等相關(guān)技術(shù)在生活中各領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能汽車(chē)通訊系統(tǒng)勢(shì)在必行，他能實(shí)現(xiàn)智能感知附近車(chē)輛行車(chē)狀態(tài)，將各車(chē)輛行車(chē)狀態(tài)組成一個(gè)信息網(wǎng)，車(chē)輛可共享這些信息，以達(dá)到駕駛員通過(guò)信息進(jìn)行預(yù)警事故、獲知他車(chē)路況來(lái)更改出行路線、緩解交通壓力，同時(shí)避免因無(wú)法交流產(chǎn)生的事故，減少交通意外。文中以此為目的，采用STM32單片機(jī)為核心器件，結(jié)合Zigbee無(wú)線通訊技術(shù)對(duì)汽車(chē)間速度，距離等車(chē)況信息進(jìn)行相互傳遞。該系統(tǒng)對(duì)維持交通秩序，降低交通事故率具有積極意義。

1 系統(tǒng)組成

文中在明確系統(tǒng)所需接收傳送的信號(hào)類(lèi)別后，細(xì)化了各信號(hào)的數(shù)據(jù)采集傳送方案，設(shè)計(jì)的汽車(chē)通訊系統(tǒng)工作模式以STM32單片機(jī)為核心處理器，接收并處理超聲波信號(hào)及測(cè)速傳感器模塊信號(hào)，通過(guò)Zigbee通訊模塊自動(dòng)組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)多輛車(chē)間距離、速度信號(hào)的傳遞與顯示，并確保信息有效、有序傳達(dá)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System composition diagram

智能汽車(chē)通訊系統(tǒng)工作模式如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收本機(jī)測(cè)速傳感器、超聲波信號(hào)并將此信號(hào)通過(guò)本機(jī)Zigbee系統(tǒng)傳送給臨近設(shè)備，與此同時(shí)本車(chē)Zigbee系統(tǒng)接收臨近設(shè)備信號(hào)并傳送至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理且顯示速度、位置等數(shù)據(jù)，通過(guò)與設(shè)置的臨界值數(shù)據(jù)對(duì)比，當(dāng)超過(guò)臨界值時(shí)本設(shè)備報(bào)警。

文中所設(shè)計(jì)的汽車(chē)通訊系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理控制、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊。

在數(shù)據(jù)采集端，各設(shè)備需要通過(guò)傳感器采集速度、距離信號(hào)；數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee傳送至STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)將接收到的這些信號(hào)處理并顯示；在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊端，各設(shè)備Zigbee無(wú)線模塊自動(dòng)組網(wǎng)，通過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到其他設(shè)備Zigbee無(wú)線接收模塊，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備信號(hào)的傳遞。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要采集車(chē)輛狀態(tài)信息，系統(tǒng)中主要采集了車(chē)輛速度和與車(chē)輛之間的位置信息。通過(guò)HY-SRF05超聲波模塊及測(cè)速傳感器模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給各設(shè)備單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。

2.1 測(cè)速傳感器

設(shè)備的速度靠測(cè)速傳感器實(shí)現(xiàn)，選用SD測(cè)速傳感器74HC14D作為核心芯片，以紅外射線中斷的檢測(cè)方式測(cè)取當(dāng)前設(shè)備速度。測(cè)速模塊的OUT口連接MCU的外部中斷口，每當(dāng)有紅外射線導(dǎo)通就為一個(gè)外部緩沖，選用一個(gè)MCU定時(shí)器，計(jì)算1秒內(nèi)接收外部中斷的數(shù)量，結(jié)合該設(shè)備輪子的周長(zhǎng)，就可得知設(shè)備1秒行駛的速度。

2.2 超聲波模塊

通過(guò)超聲波模塊測(cè)得設(shè)備之間距離，系統(tǒng)選取HY-SRF05超聲波測(cè)距模塊，HY-SRF05超聲波測(cè)距模塊測(cè)量范圍在2cm-450cm之間，范圍及精度均符合本系統(tǒng)獲取距離的功能。

該模塊由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、控制電路組成，采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，通過(guò)超聲波發(fā)射器自動(dòng)發(fā)出方波，并且檢測(cè)有無(wú)信號(hào)返回，當(dāng)超聲波接收器接收到返回信號(hào)時(shí)，通過(guò)I/O口ECHO輸出高電平，由高電平持續(xù)的時(shí)間計(jì)算得到測(cè)試距離。

通過(guò)STM32單片機(jī)控制超聲波的掃描周期，選用單片機(jī)I/O口作為觸發(fā)信號(hào)，根據(jù)超聲波模塊觸發(fā)信號(hào)、模塊內(nèi)部發(fā)出信號(hào)、輸出回響信號(hào)時(shí)序給予I/O口一個(gè)高電平；使用STM32單片機(jī)定時(shí)器輸入捕獲功能，采集ECHO端口的高電平持續(xù)時(shí)間；STM32單片機(jī)針對(duì)采集時(shí)間進(jìn)行處理，計(jì)算測(cè)試距離。

3 數(shù)據(jù)處理

當(dāng)收集到信號(hào)后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給微處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。微處理模塊采用的是以Cortex-M4為內(nèi)核的STM 32F407微處理器作為核心器件，STM 32F407微處理器作為最新一代嵌入式ARM處理器，它具有低成本的平臺(tái)、縮減的引腳數(shù)目、較低的系統(tǒng)功耗。STM 32F407運(yùn)行頻率最高可為168MHZ，具有192kb的SRAM，對(duì)于外設(shè)具有更快速的A/D轉(zhuǎn)換速度，具有32位定時(shí)器，同時(shí)提供了卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)，豐富的資源使得該系列微處理器在多領(lǐng)域的應(yīng)用中顯示出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

單片機(jī)接收本設(shè)備的速度信號(hào)與本設(shè)備Zigbee模塊接收的其他設(shè)備Zigbee模塊傳送的速度與位置信號(hào)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后并在LCD顯示。模塊上顯示當(dāng)前速度與其他設(shè)備位置相關(guān)信息，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)臨界值時(shí)則發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，單片機(jī)發(fā)送本設(shè)備信息給其他Zigbee設(shè)備，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通訊，單片機(jī)的工作流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖Fig.2 Program flow chart

4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊

系統(tǒng)在進(jìn)行信號(hào)采集與處理的同時(shí)，還需要為各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)通信方式。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可采用上位機(jī)對(duì)信號(hào)源進(jìn)行多樣化控制，用ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)收集節(jié)點(diǎn)各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)信號(hào)源的無(wú)線統(tǒng)籌管理。系統(tǒng)采用Zigbee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)本地通信功能，實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)與單片機(jī)的信息交流與處理。設(shè)計(jì)中選用DL-20無(wú)線串口模塊，CC2530為通訊的核心芯片，它可以將兩個(gè)或多個(gè)串口連接起來(lái)，在多個(gè)設(shè)備上使用該模塊，就像將各設(shè)備用串口連接起來(lái)一樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。它具有低成本、低功耗、高穩(wěn)定性的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)及可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸帶有確認(rèn)，零數(shù)據(jù)丟失率，串口方向同時(shí)發(fā)送，高傳輸速率等特點(diǎn)。

Zigbee模塊主要作用是收集數(shù)據(jù)并將其打包傳送到STM32單片機(jī)主控制器。Zigbee通訊模塊由CC2530處理器、天線和電源模塊組成。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)針對(duì)節(jié)點(diǎn)功能對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的核心，主要負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，及將主控制器發(fā)布的命令傳送給對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)上。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組建和無(wú)線數(shù)據(jù)的接收并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送至網(wǎng)關(guān)模塊。其中網(wǎng)關(guān)模塊包括STM32主控制器、串口、電源模塊等，該模塊通過(guò)串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與傳感器模塊相連。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)查找有無(wú)可加入的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而連接網(wǎng)絡(luò)，在接收傳感器通過(guò)網(wǎng)關(guān)模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送。

Zigbee無(wú)線發(fā)射接收模塊可以在16個(gè)頻道中任意選擇，各頻道的設(shè)備可以互無(wú)干擾的同時(shí)工作。其分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和廣播模式。在多設(shè)備情況下選用廣播模式，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的串口收到數(shù)據(jù)后在所有同頻率且距離范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)中接收信號(hào)同時(shí)也發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多對(duì)多通信的功能。

5 運(yùn)行效果

在完成搭載硬件設(shè)備與軟件程序編寫(xiě)之后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合的調(diào)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖Fig.3 Physical map of the site

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了行車(chē)實(shí)驗(yàn)，圖中為模擬兩輛汽車(chē)的行車(chē)過(guò)程，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：車(chē)A與車(chē)B在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在各自的顯示屏幕中可以顯示出車(chē)輛相對(duì)速度以及兩車(chē)之間距離。當(dāng)A車(chē)車(chē)速或者兩車(chē)間距離超過(guò)設(shè)定值時(shí)，車(chē)輛自動(dòng)報(bào)警，提示駕駛?cè)藛T調(diào)節(jié)車(chē)況。用模擬智能小車(chē)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了多次演示，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能分析如下。

(1)距離測(cè)試正確率

在進(jìn)行了10次測(cè)試中，總體來(lái)看，A、B車(chē)輛間距離測(cè)量比較平穩(wěn)，顯示有3次誤差比較大。分析原因是由于超聲波在室內(nèi)遇到障礙物會(huì)多次反射，由于發(fā)射的頻率導(dǎo)致前后反射的信號(hào)被接收后疊加，會(huì)產(chǎn)生不正常的數(shù)據(jù)。

(2)信息傳輸正確率

系統(tǒng)整體調(diào)試了10次，從每次的運(yùn)行效果來(lái)看，智能小車(chē)之間的信息傳輸正確率接近90%。體現(xiàn)了ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)挠行浴?/p>

6 結(jié)語(yǔ)

在城市交通中，車(chē)與車(chē)之間是孤獨(dú)的，除了熟悉的人與人之間可以靠手機(jī)或?qū)χv機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音、文字通訊以外，陌生車(chē)輛之間幾乎沒(méi)有交流，在車(chē)輛行駛中出現(xiàn)堵車(chē)或遇到的突發(fā)情況等信息時(shí)無(wú)法有效傳遞信息給其他車(chē)輛等現(xiàn)象。在此背景下，文中設(shè)計(jì)的汽車(chē)智能通訊系統(tǒng)可以有效的避免此類(lèi)情況發(fā)生，對(duì)緩解交通實(shí)現(xiàn)智能交通具有積極的意義。該系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)送自身車(chē)況，如時(shí)速的變化、轉(zhuǎn)彎情況等信息給周邊車(chē)輛，并同時(shí)顯示發(fā)送信號(hào)車(chē)輛與接受信號(hào)車(chē)輛的位置關(guān)系，能夠預(yù)警安全距離內(nèi)突發(fā)急轉(zhuǎn)彎，變道等帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。甚至在高速上，可以有效的獲知前車(chē)有無(wú)急剎現(xiàn)象，以爭(zhēng)取更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間減速，避免追尾事故等。