基于STM32的船舶防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉磊 韓金霞

【摘? 要】為保障船舶航行安全，降低中小型船舶間碰撞事故的發(fā)生率，論文基于STM32和激光模塊設(shè)計(jì)了一套船舶防撞預(yù)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過激光模塊進(jìn)行船舶間航行距離的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)航行預(yù)警功能，具有成本低、體積小、安裝方便等優(yōu)勢(shì)。

【Abstract】In order to ensure the safety of ship navigation and reduce the occurrence probability of collision between small and medium-sized ships， the paper designs a set of ship collision avoidance early-warning system based on STM32 and laser module. The system can detect the sailing distance between ships by laser module and realize the navigation early-warning function. It has the advantages of low cost， small size and convenient installation.

【關(guān)鍵詞】STM32;激光;防撞;預(yù)警

【Keywords】STM32; laser; collision avoidance; early-warning

【中圖分類號(hào)】TP399? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）06-0194-03

1 引言

傳統(tǒng)的航行避碰主要依靠工作人員的瞭望，并通知值班駕駛員，由駕駛員根據(jù)航行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析判斷后采取避讓措施，這要求船舶操作人員具有較強(qiáng)的專業(yè)能力和極高的綜合素質(zhì)。隨著航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，船舶數(shù)量逐漸增多，專業(yè)化工作人員明顯供不應(yīng)求，船舶避碰系統(tǒng)的需求與日俱增[1]。雖然目前國內(nèi)外都已經(jīng)具有比較完善的避碰檢測(cè)系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)對(duì)于中小型船舶，尤其是漁船來說經(jīng)濟(jì)成本太高，無法得到廣泛的應(yīng)用。因此，開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性價(jià)比高的防撞預(yù)警系統(tǒng)意義重大。

基于以上情況，本文設(shè)計(jì)了一套成本低、體積小、安裝方便的船舶防撞預(yù)警系統(tǒng)，為中小型船舶特別是漁船保駕護(hù)航。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

船舶防撞預(yù)警系統(tǒng)主要由STM32F103C8T6單片機(jī)、電源、TFmini Plus激光模塊、舵機(jī)、LCD1602、聲光報(bào)警、按鍵組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)采用ST公司的STM32F103C8T6單片機(jī)作為核心芯片，單片機(jī)通過UART與激光模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。激光模塊每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次檢測(cè)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如果檢測(cè)到有船只駛?cè)腩A(yù)先設(shè)置的安全距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，以便使工作人員提前采取有效措施，避開事故易發(fā)區(qū)域。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過LCD1602進(jìn)行報(bào)警信息的顯示（主要包括對(duì)方來船的速度、方位和當(dāng)前距離），并將有效信息進(jìn)行存儲(chǔ)，為以后船舶航行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

為了增大測(cè)量范圍，本設(shè)計(jì)將激光模塊安裝在舵機(jī)上，通過舵機(jī)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)激光模塊進(jìn)行水平方向0～180°范圍的測(cè)量，以提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確度。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片STM32F103C8T6

本設(shè)計(jì)的核心控制芯片采用ST公司的STM32F103系列單片機(jī)[2]，其是意法半導(dǎo)體在MCU領(lǐng)域推出的非常經(jīng)典的芯片系列，有著強(qiáng)大的功能和豐富的內(nèi)部資源，系統(tǒng)通過STM32F103C8T6單片機(jī)完成對(duì)舵機(jī)和激光模塊的控制、數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的顯示。

主控芯片STM32F103C8T6電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

由圖2可知，STM32F103C8T6單片機(jī)[3]的30和31管腳使用的是串口功能，通過串口與激光模塊進(jìn)行通信。系統(tǒng)的顯示單元采用的是LCD1602，STM32F103C8T6單片機(jī)的LCD_DB0-LCD_DB7與LCD1602的8位數(shù)據(jù)口相連接，LCD_RS、LCD_RW、LCD_E與LCD1602的控制管腳相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD1602的讀寫和使能。單片機(jī)的LED_R、LED_G、LED_Y分別是紅、綠、黃三色燈的控制管腳。

3.2 TFmini Plus激光模塊

本設(shè)計(jì)采用北醒光子科技有限公司的TFmini Plus激光模塊作為數(shù)據(jù)采集模塊，進(jìn)行船舶間行駛距離的檢測(cè)。其是一款小型化、單點(diǎn)測(cè)距的產(chǎn)品，基于TOF（飛行時(shí)間）原理，配合獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、算法設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精準(zhǔn)、高敏度和高速的距離測(cè)量功能。該模塊具有IP65等級(jí)防護(hù)，測(cè)距精度高，對(duì)于室外強(qiáng)光、不同溫度、不同放射率等不同環(huán)境下適應(yīng)性更強(qiáng)，功耗也比較低。

TFmini Plus模塊啟動(dòng)后會(huì)周期性地向外發(fā)出近紅外光調(diào)制波，調(diào)制波遇物體后反射，通過測(cè)量調(diào)制波往返相位差，得到飛行時(shí)間，再計(jì)算出產(chǎn)品與被測(cè)目標(biāo)之間的相對(duì)距離[4]。

TFmini Plus模塊公用四個(gè)管腳，分別是+5V、GND、RXD/SCL、TXD/SDA。STM32F103C8T6和TFmini Plus模塊之間支持UART和I2C兩種通信方式，本文采用UART的方式進(jìn)行通信。電路原理如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、舵機(jī)控制、安全距離檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警以及數(shù)據(jù)顯示七個(gè)部分。

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，完成系統(tǒng)時(shí)鐘和GPIO口配置，同時(shí)，設(shè)置好安全距離，然后啟動(dòng)定時(shí)器，每隔10s進(jìn)行一次完整的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集的處理過程如下：

TM32F103C8T6控制舵機(jī)在一個(gè)初始位置，然后啟動(dòng)激光模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，STM32F103C8T6對(duì)TFmini Plus采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。如果超過預(yù)先設(shè)置的安全距離，啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警，三色燈開始閃爍進(jìn)行燈光提示，同時(shí)，將獲取到對(duì)方來船的位置、速度和距離在LCD1602上進(jìn)行顯示，并進(jìn)行存儲(chǔ)。如果未超過預(yù)先設(shè)置的安全距離，單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)45°的位置進(jìn)行再次檢測(cè)，重復(fù)第一次檢測(cè)的過程;如果舵機(jī)45°位置處尚未檢測(cè)到船只，再控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到90°的位置，依次類推，直至舵機(jī)回到原點(diǎn)時(shí)完成一次完整的數(shù)據(jù)采集。

系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

4.2 激光模塊軟件設(shè)計(jì)

TFmini Plus有兩種數(shù)據(jù)輸出格式，即標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出格式和字符串?dāng)?shù)據(jù)格式，這兩種格式可通過指令代碼相互切換。

本文采用默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)串口數(shù)據(jù)輸出格式，TFmini Plus激光模塊在使用UART通信時(shí)要通過上位機(jī)軟件或串口調(diào)試助手進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的配置，模塊默認(rèn)狀態(tài)下是串口通信模式，使用時(shí)只需向串口發(fā)送5A 08 06 H1 H2 H3 H4 SU（SU為checksum），設(shè)置波特率為115200即可。

激光模塊上傳的數(shù)據(jù)幀，每幀長度為9個(gè)字節(jié)，包含2字節(jié)幀頭（0x59 0x59）、2字節(jié)距離值（distance）、2字節(jié)信號(hào)強(qiáng)度值（strength）、2字節(jié)芯片溫度值（tempture）以及1字節(jié)數(shù)據(jù)校驗(yàn)和（checksum）。數(shù)據(jù)格式為16進(jìn)制（hex）。具體數(shù)據(jù)編碼[5]如表1所示。

TFmini Plus激光模塊軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

STM32F103C8T6單片機(jī)使能TFmini Plus激光模塊后，TFmini Plus開始進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，并當(dāng)單片機(jī)收到激光模塊返回的數(shù)據(jù)后，判斷當(dāng)前的測(cè)量次數(shù)，如果未達(dá)到測(cè)量次數(shù)NUM，將收到的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)接收隊(duì)列receive_queue（ushort data，uchar length），并調(diào)用數(shù)據(jù)解析函數(shù)analyz_data（ushort *data， uchar length），將距離參數(shù)解析出來存儲(chǔ)到數(shù)組valid_data，進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)的接收;如果當(dāng)前測(cè)量次數(shù)大于等于NUM時(shí)，對(duì)valid_data數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果測(cè)量的距離小于預(yù)先設(shè)置的安全距離時(shí)，置位報(bào)警標(biāo)志位alarm_flag，當(dāng)單片機(jī)查詢到alarm_flag為1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，并在LCD1602上進(jìn)行顯示，否則等待下一次測(cè)量。

5 結(jié)語

本文提出的船舶防撞預(yù)警系統(tǒng)由STM32F103C8T6單片機(jī)、TFmini Plus激光模塊、舵機(jī)、LCD1602等部分構(gòu)成。該系統(tǒng)能夠進(jìn)行船只間安全距離的檢測(cè)，當(dāng)船只駛?cè)氚踩嚯x時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，提示工作人員采取有效的避障措施，由于成本較低、安裝方便靈活，可以應(yīng)用在中小型船舶特別是漁船上，在船舶安全航行方面能發(fā)揮重要作用。該系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，為了保證數(shù)據(jù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性可以擴(kuò)展其他的傳感器，多個(gè)傳感器可以同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)，也可以為該系統(tǒng)添加主控端和上位機(jī)端，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

【參考文獻(xiàn)】

【1】周東柳.基于單片機(jī)的船舶主動(dòng)避碰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].舟山：浙江海洋學(xué)院，2015.

【2】林玩杰，李水峰，毛立夫，等.基于STM32智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019（24）：176-180.

【3】曾建清.基于STM32的多功能空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

【4】鄧威，張廬林，何鑫，等.基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)安防設(shè)備的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2019（20）：141-142.

【5】張志堅(jiān).基于MSP430的夜間隧道照明系統(tǒng)的研究[D].太原：山西大學(xué)，2019.