基于“互聯(lián)網(wǎng)+” 的超聲波距離檢測創(chuàng)新設(shè)計

張凱

摘 要： 距離檢測方案的設(shè)計是在超聲波傳感器基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自行檢測、自動判斷、短信自動通知等功能。通過超聲波進(jìn)行距離檢測并給出信號，由單片機(jī)對采集信號進(jìn)行整理，針對采集結(jié)果對手機(jī)模塊工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，若采集信號小于標(biāo)準(zhǔn)信號，手機(jī)模塊工作；若大于標(biāo)準(zhǔn)信號，則手機(jī)模塊處于等待狀態(tài)。經(jīng)驗證，在無人操控下項目完成預(yù)期功能。該設(shè)計實現(xiàn)的自動檢測及自動短信功能可用于安防、自動剎車、自動避障等方面。

關(guān)鍵詞： 超聲波傳感器； 單片機(jī)； 自動檢測； 工作狀態(tài)調(diào)整

中圖分類號： TN710?34； TM910 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）05?0163?03

Abstract： On the basis of the ultrasonic sensor， the distance detection scheme was designed to realize the functions of automatic detection， automatic judgment and SMS automatic notification. The distance is detected with the ultrasonic wave， and the acquisition signal is given in the design. The single chip microcomputer is used to process the acquired signal， and adjust the working state of the mobile phone module according to the acquisition result. If the amplitude of the acquired signal is lower than that of the standard signal， the mobile phone module will work， otherwise the mobile phone module will be in the waiting state. The project can realize the expected function under the unmanned control by means of verification. The automatic detection and automatic SMS notification functions of this design can be used in security， automatic braking， automatic obstacle avoidance， etc.

Keywords： ultrasonic sensor； single chip microcomputer； automatic detection； working state adjustment

1 方案設(shè)計

依據(jù)擴(kuò)展功能要求，本系統(tǒng)由超聲波傳感器模塊、單片機(jī)模塊、短信發(fā)送模塊組成。系統(tǒng)依據(jù)測距信號對后續(xù)電路做出相應(yīng)指令，進(jìn)而控制電路的工作狀態(tài)，達(dá)到自動檢測、自動調(diào)整的目的。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

1.1 超聲波檢測原理

超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為[v，]而根據(jù)計時器記錄的發(fā)射和接收回波的時間差[Δt，]就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離[S，]即：

[S=v?Δt2]

由于超聲波也是一種聲波， 其聲速[C]與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速[1]。在使用時，如果溫度變化不大， 則可認(rèn)為聲速是基本不變的。常溫下超聲波的傳播速度是334 m/s，但其傳播速度[v]易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1 ℃， 聲速增加約0.6 m/s。如果測距精度要求很高， 則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕū鞠到y(tǒng)采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度為[T]時，超聲波傳播速度[v]的計算公式為：

聲速確定后， 測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機(jī)理[2]。

1.2 短信發(fā)送模塊原理

短信發(fā)送模塊是利用GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1.2.1 GSM涵義

GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通信系統(tǒng)）屬于第二代移動通信技術(shù)。GSM系統(tǒng)包括GSM 900：900 MHz，GSM 1800：1 800 MHz，GSM 1900：1 900 MHz等幾個頻段。

1.2.2 GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

GSM系統(tǒng)由若干個子系統(tǒng)或功能實體組成，如圖2所示。其中基站子系統(tǒng)（BSS）在移動臺（MS）和網(wǎng)路子系統(tǒng)（NSS）之間提供和管理傳輸通路，特別包括了MS與GSM系統(tǒng)的功能實體之間的無線接口管理。NSS負(fù)責(zé)管理通信業(yè)務(wù)，保證MS與相關(guān)的供應(yīng)能夠通信或與其他MS之間建立通信。MS，BSS和NSS組成GSM系統(tǒng)的實體部分[4]。操作支持系統(tǒng)（OSS）給運(yùn)營部門提供一種手段來控制和維護(hù)這些實際運(yùn)行部分。

1.2.3 移動臺（MS）

公用GSM移動通信網(wǎng)中用戶使用的設(shè)備叫做移動臺，它是整個GSM系統(tǒng)中用戶惟一接觸的設(shè)備，移動臺的類型包括手持臺、車載臺和便攜臺，其中手持臺用戶的比例最大。移動臺必須提供與使用者之間的接口以及通過無線接口接入GSM系統(tǒng)的基本功能，其中主要包括話筒、揚(yáng)聲器、顯示屏和按鍵等[5]。此外，移動臺另外一個重要的組成部分是用戶識別模塊——SIM卡，它是一張符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的智慧卡，包含所有與用戶相關(guān)的和某些無線接口的信息，其中包括鑒權(quán)和加密信息。使用GSM標(biāo)準(zhǔn)的移動臺都需要插入SIM卡，只有當(dāng)處理異常緊急情況的緊急呼叫時才可以在不用SIM卡的情況下操作。

1.2.4 基站子系統(tǒng)（BSS）

基站收發(fā)信平臺BTS屬于基站子系統(tǒng)的無線部分，由基站控制器BSC控制服務(wù)于某個小區(qū)的無線收發(fā)信設(shè)備完成BSC與無線信道之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)BTS與移動臺MS之間通過空中接口的無線傳輸及相關(guān)的控制功能。實際上，一個基站控制器根據(jù)話務(wù)量可以控制10個BTS，BTS可以直接與BSC相連，也可以通過基站接口設(shè)備BIE采用遠(yuǎn)端控制方式與BSC相連接。BTS主要分為基帶單元、載頻單元、控制單元三大部分。

1.2.5 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）

網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)NSS主要包含有GSM系統(tǒng)的交換功能和用于用戶數(shù)據(jù)與移動性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能。它對GSM移動用戶與其他通信網(wǎng)用戶之間的通信起著管理作用。

1.2.6 操作支持子系統(tǒng)（OSS）

操作支持子系統(tǒng)OSS需要完成許多任務(wù)，包括移動用戶管理，移動設(shè)備管理以及網(wǎng)絡(luò)操作和維護(hù)移動用戶管理（用戶數(shù)據(jù)管理和呼叫計費(fèi)）。用戶數(shù)據(jù)管理一般由歸屬用戶位置寄存器HLR完成，HLR是NSS功能實體之一，用戶識別卡SIM的管理也是用戶數(shù)據(jù)管理的一部分，但是作為相對獨(dú)立的用戶識別卡SIM的管理還必須根據(jù)運(yùn)營部門對SIM的管理要求和模式，采用專門的SIM個人化設(shè)備來完成。

1.2.7 GSM信道

GSM信道可以分為物理信道和邏輯信道。物理信道是指實際物理承載的傳輸信道，邏輯信道則是按照信道的功能劃分，物理信道是邏輯信道的載體。

1.2.8 物理信道與幀結(jié)構(gòu)

時分多址是GSM的基本特點(diǎn)，GSM有8個時隙，它不足以滿足每個小區(qū)實際的用戶需求，因此，GSM采用以時分為主體，時分頻分相結(jié)合的方式。對于GSM 900（一階段），GSM上下行各占有25 MHz頻段，而每個信道僅占用200 kHz，所以GSM可容納的頻分信道數(shù)是125，而每個頻分信道有8個時隙，所以GSM總共可以提供的時分信道數(shù)為1 000個。而對于GSM 900第二階段，上下行頻段擴(kuò)展至35 MHz，時分信道也相應(yīng)增至1 400。此外，可利用小區(qū)蜂窩規(guī)劃對不同小區(qū)進(jìn)行空分，以進(jìn)一步增加信道數(shù)。

GSM幀結(jié)構(gòu)分為TDMA、復(fù)幀、超幀、超高幀四個層次。TDMA幀是GSM中的基礎(chǔ)幀，一個TDMA幀由8個時隙組成，而每個時隙可以是下列4類時隙突發(fā)中的某一種類型：常規(guī)突發(fā)序列、頻率校正突發(fā)序列、同步突發(fā)序列和接入突發(fā)序列，其中，常規(guī)突發(fā)序列應(yīng)用較多，主要用于信息通信，其他三類則多用于不同的控制。此外，TDMA幀可以構(gòu)成兩類復(fù)幀，進(jìn)而構(gòu)成兩類超幀。GSM幀的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.2.9 GSM邏輯信道

邏輯信道按功能劃分分為主業(yè)務(wù)信道及為了配合業(yè)務(wù)正常進(jìn)行的輔助性控制信道兩大類。主業(yè)務(wù)信道又可以分為語音與數(shù)據(jù)兩類。語音信道分為全速率語音信道和半速率語音信道，分別為13.5 Kb/s和6.5 Kb/s。

2 硬件及模塊選型

2.1 超聲波模塊選型

本方案擬采用超聲波測距模塊實時進(jìn)行超聲波檢測，由單片機(jī)不斷讀出與前方物體的距離。超聲波模塊具有精度高、價格經(jīng)濟(jì)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 超聲波模塊主要技術(shù)指標(biāo)

[參數(shù)＼&參數(shù)指標(biāo)＼&探測距離＼&2～450 cm＼&感應(yīng)角度＼&不大于15°＼&精度＼&0.3 cm＼&供電電壓＼&DC 5 V＼&靜態(tài)電流＼&小于2 mA＼&]

2.2 短信發(fā)送模塊選型

短信發(fā)送模塊采用SIM900A芯片。SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。SIM900A支持GPRS multi?slot class 10/class 8（可選）和GPRS編碼格式 CS?1，CS?2，CS?3，CS?4。SIM900A采用省電技術(shù)設(shè)計，在SLEEP模式下最低耗流只有1 mA。此外，該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，這些在用戶做數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用時非常有用。SIM900A尺寸較小，幾乎可以滿足所有用戶對空間尺寸的要求。

SIM900A模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，采用ARM926EJ?S架構(gòu)，性能強(qiáng)大，可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序。可廣泛應(yīng)用于車載跟蹤、車隊管理、無線POS、手持PDA、智能抄表與電力監(jiān)控等眾多方面。SIM900A模塊的主要特點(diǎn)如下：

（1） SMT封裝：易于客戶生產(chǎn)加工；

（2） 尺寸?。?24 mm×24 mm×3 mm；

（3） 功耗低：待機(jī)模式電流低于18 mA，SLEEP模式下低于2 mA；

（4） 供電范圍寬：3.2～4.8 V；

（5） 支持頻段：GSM/GPRS 900/1 800 MHz；

（6） 語音編碼：支持半速率、全速率、增強(qiáng)型速率；

（7） 支持回聲抑制算法，可以基于不同客戶設(shè)備通過AT命令調(diào)節(jié)回音抑制消除。

SIM900A模塊的實物圖如圖4所示。

2.3 單片機(jī)選型

單片機(jī)選擇ST公司生產(chǎn)的STM32系列ARM微處理器，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成兩個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器和一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器[6]。

STM32系列處理器具有如下特點(diǎn)：ARM公司的高性能Cortex?M3內(nèi)核；主頻168 MHz 1.25 DMips/MHz；1 μs的雙12位ADC；4兆位/s的UART；18兆位/s的SPIl；18 MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度；低功耗：在72 MHz時消耗36 mA（所有外設(shè)處于工作狀態(tài)）。

3 軟件設(shè)計

ARM單片機(jī)主要完成對檢測信息的采集，通過對比算法實現(xiàn)控制短信模塊的工作狀態(tài)。本次設(shè)計采用PID控制算法。模擬PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示。

PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值[r（t）]與實際輸出值[c（t）]的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量對控制對象進(jìn)行控制。

4 結(jié) 語

本次設(shè)計將嚴(yán)格按照工程的要求，制定完整的計劃和標(biāo)準(zhǔn)，確保開發(fā)的測距模塊滿足各項技術(shù)要求，并在此基礎(chǔ)上完成測距模塊的調(diào)試、測試、驗收等。測距模塊的主要任務(wù)是依據(jù)采集信號對后續(xù)電路做出相應(yīng)的指令，進(jìn)而控制電路的工作狀態(tài)，達(dá)到自動檢測、自動調(diào)整的目的。

隨著檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于國防、科研、生產(chǎn)等領(lǐng)域，對測量的要求也逐步向高精度、高智能化方向發(fā)展，尤其在電子應(yīng)用方面，自動檢測有著更為重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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