基于太陽能的車載無線通信系統(tǒng)設計

郭一凡 宋宇飛 林羽晨

摘 要：近年來，隨著太陽能技術與車載通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對通信系統(tǒng)的實時性與“綠色環(huán)?！钡囊笤絹碓礁撸瑸榇?，文中設計了基于太陽能的車載無線數(shù)字通信系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)以ARM芯片為核心平臺，使用DC-DC變換電路實現(xiàn)太陽能板對通信系統(tǒng)充電，并使用無線數(shù)字傳輸技術實現(xiàn)車載對講和FM電臺功能，使用移動通信技術實現(xiàn)車載電話、短信功能，使用GPS技術實現(xiàn)車輛定位功能。實驗證明，該環(huán)保無污染且多功能的無線通信系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：無線通信；車載；太陽能；無線對講；FM電臺

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-02

0 引 言

本系統(tǒng)的研發(fā)基于兩大背景。一方面，太陽能光伏發(fā)電技術近些年來不斷發(fā)展，發(fā)電成本不斷降低，其無污染、可再生的特點使其備受關注；另一方面，車載通信系統(tǒng)在現(xiàn)實生活中已經(jīng)大為普及，但功能仍不夠完善。在改善車載通信系統(tǒng)性能、增加功能的同時，將太陽能技術與車載無線數(shù)字通信技術相結合，利用太陽能充電技術給通信系統(tǒng)供電，可以解決此系統(tǒng)的備用電源問題。該車載無線數(shù)字通信系統(tǒng)可以解決車輛之間實時通信的問題，并能夠實現(xiàn)實時定位的功能。無線對講模塊可作為對講機來解決車輛與車輛之間的短程實時通信問題；FM電臺可以實現(xiàn)車輛與外界的通信，解決手機無信號時的無線通信問題。此外，該系統(tǒng)的輔助功能包括GPS模塊為通信系統(tǒng)進行精確定位，GSM模塊發(fā)送精確信息（包括定位信息、太陽能充電板充電電壓電流參數(shù)、當前室溫等）至手機終端，通信系統(tǒng)也能夠利用ZigBee技術對太陽能充電模塊的采集端進行通信，通過控制繼電器來控制太陽能充電回路的通斷。

本文給出了一種基于太陽能的車載無線數(shù)字通信系統(tǒng)的設計方案，可以實現(xiàn)車載對講、FM電臺、短信收發(fā)、實時定位、遠程控制等功能。這個設計既可以用于警車調度指揮系統(tǒng)、智能交通等方面，也可以用來搶險救災。該設計使得系統(tǒng)具有多功能、人性化、環(huán)保無污染的特點。

1 系統(tǒng)設計

本設計以ARM芯片為核心，主要分為太陽能充電裝置與車載無線通信系統(tǒng)兩大部分。其中，太陽能充電裝置包括太陽能充電板、DC-DC變換電路、18650電池組、單片機與對外通信ZigBee模塊等，車載無線通信系統(tǒng)包括液晶觸摸顯示屏、無線對講模塊、FM電臺模塊、GPS模塊、GSM模塊、ZigBee模塊、WiFi模塊等。系統(tǒng)具體實現(xiàn)的功能有車載對講、FM電臺廣播、短信收發(fā)、全球定位、遠程控制、手機App信息傳輸、太陽能端數(shù)據(jù)采集等功能。整套系統(tǒng)通過液晶觸摸屏以及手機App界面進行有效的人機交互，觸摸屏與App用于選擇工作模式，同時可以顯示車載通信的內(nèi)容、實時定位的數(shù)據(jù)信息以及太陽能充電裝置的環(huán)境參數(shù)信息，及時反饋外界傳遞的信息，并產(chǎn)生良好的人人、人機互動效果。整套系統(tǒng)具有功耗低、無污染、穩(wěn)定性好、持續(xù)供電等特點。圖1所示為車載無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)方式示意圖。圖2所示為車載通信系統(tǒng)與外界通信示意圖。

2 車載無線數(shù)字通信系統(tǒng)

車載無線通信系統(tǒng)包括液晶觸摸顯示屏、無線對講模塊、FM電臺模塊、GPS模塊、GSM模塊、ZigBee模塊、WiFi模塊等。圖3所示為車載無線通信系統(tǒng)節(jié)點硬件結構框圖。

2.1 無線對講模塊

為了提高對講距離以及可靠性，本系統(tǒng)采用了深圳市尚瑞思電子有限公司研發(fā)的一款無線語音對講及數(shù)傳模塊SR-FRS-1W350。該模塊內(nèi)置高性能射頻收發(fā)芯片BK4811、微控制器及射頻功放。外控制器可以通過標準的異步串行接口（RS 232）通訊來設置模塊工作參數(shù)并控制整個模塊的收發(fā)。該數(shù)傳模塊只需外接天線、MIC和語音功放即可組成一臺完整的對講機或數(shù)傳電臺。

2.2 FM電臺模塊

本模塊選擇由RDA Microelectronics公司研發(fā)的RDA5820高集成度的立體聲FM收發(fā)芯片，該款芯片不僅可以完美地完成電臺功能，還能接收FM廣播，具有集成度高、功耗低、尺寸小的優(yōu)點。該部分以ARM芯片作為控制器，通過自帶的I2C總線，編程寫控制字實現(xiàn)了RDA5820模塊的電臺功能（收發(fā)模式的選擇，頻率的設置等）。結合外圍電路按鍵以及顯示、信號放大、音頻的輸入輸出等組成簡易且性能穩(wěn)定的FM電臺系統(tǒng)。

2.3 GSM模塊、GPS模塊、ZigBee模塊、WiFi模塊

本系統(tǒng)采用SIMCOM公司的SIM900A模塊方案。SIM900A模塊支持TTL串口通訊標準，通過串口向模塊發(fā)送AT指令即可設置模塊參數(shù)。本系統(tǒng)采用u-blox公司的NEO-6M模組方案，可以通過串口及USB接口向STM32F103和電腦輸出GPS定位信息，使用簡單方便。本系統(tǒng)采用順舟科技SZ05系列Z-BEE嵌入式無線串口通信模塊方案，該模塊具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性。本系統(tǒng)的WiFi部分采用WF-ESP8266模塊方案。ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡解決方案，能夠獨立運行或作為slave搭載于其他Host運行。

3 太陽能充電裝置

此太陽能充電模塊由太陽能充電板、DC-DC變換電路、18650電池組、單片機與對外通信模塊（采用ZigBee技術）4部分組成。此裝置主要有以下兩種工作模式：

（1）太陽能充電板經(jīng)DC-DC變換電路輸出合適電壓直接給通信系統(tǒng)供電。

（2）充電板通過DC-DC變換電路后對電池進行充電，利用單片機對電池環(huán)境進行監(jiān)控與對過壓過流的控制，通過ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)傳至通信系統(tǒng)的控制芯片端，從而實現(xiàn)實時觀測；同時也可讓ZigBee通信模塊接受傳來的數(shù)據(jù)，利用單片機控制繼電器的吸合，從而對充電裝置的開關進行有效控制。

DC-DC變換電路采用TI公司的LM2596開關電壓調節(jié)器。LM2596開關電壓調節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3.3 V～6 V的固定電壓，同時具有很好的線性和負載調節(jié)特性。太陽能充電裝置結構框圖如圖4所示。

4 結 語

整套系統(tǒng)將太陽能清潔無污染、可再生的特點與此無線數(shù)字通信系統(tǒng)強大的功能相結合，參考了實際工程中環(huán)境對通信系統(tǒng)硬件電路設計和軟件設計的影響。因而提出了一種基于太陽能的車載數(shù)字通信系統(tǒng)的新型構思。該系統(tǒng)綠色環(huán)保、性能良好、工作穩(wěn)定、實時性強，基本可以解決野外車載通信信號弱、續(xù)航能力差的問題。

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