基于STM32的智能汽車通訊系統(tǒng)研究

馬 麗，吳鵬飛，高 波

(1.河北省工業(yè)機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 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 061001；3.滄州市工業(yè)機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 061001；4.河北水利電力學(xué)院 財務(wù)處，河北省滄州市重慶路1號 061001)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，車輛的需求量越來越大，我國已經(jīng)成為僅次于美國和德國的世界第三大汽車消費市場，車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)前汽車之間可以說是獨立的，各城市交通之中車輛之間的通訊設(shè)備匱乏，缺少信息傳遞的方法。隨著車聯(lián)網(wǎng)概念的提出以及STM32單片機及Zigbee無線通訊等相關(guān)技術(shù)在生活中各領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)實現(xiàn)一個智能汽車通訊系統(tǒng)勢在必行，他能實現(xiàn)智能感知附近車輛行車狀態(tài)，將各車輛行車狀態(tài)組成一個信息網(wǎng)，車輛可共享這些信息，以達到駕駛員通過信息進行預(yù)警事故、獲知他車路況來更改出行路線、緩解交通壓力，同時避免因無法交流產(chǎn)生的事故，減少交通意外。文中以此為目的，采用STM32單片機為核心器件，結(jié)合Zigbee無線通訊技術(shù)對汽車間速度，距離等車況信息進行相互傳遞。該系統(tǒng)對維持交通秩序，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類別后，細(xì)化了各信號的數(shù)據(jù)采集傳送方案，設(shè)計的汽車通訊系統(tǒng)工作模式以STM32單片機為核心處理器，接收并處理超聲波信號及測速傳感器模塊信號，通過Zigbee通訊模塊自動組網(wǎng)功能，實現(xiàn)多輛車間距離、速度信號的傳遞與顯示，并確保信息有效、有序傳達。系統(tǒng)整體設(shè)計的框圖見圖1。

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

智能汽車通訊系統(tǒng)工作模式如下：單片機接收本機測速傳感器、超聲波信號并將此信號通過本機Zigbee系統(tǒng)傳送給臨近設(shè)備，與此同時本車Zigbee系統(tǒng)接收臨近設(shè)備信號并傳送至單片機進行數(shù)據(jù)處理且顯示速度、位置等數(shù)據(jù)，通過與設(shè)置的臨界值數(shù)據(jù)對比，當(dāng)超過臨界值時本設(shè)備報警。

文中所設(shè)計的汽車通訊系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理控制、無線網(wǎng)絡(luò)通訊。

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

2 數(shù)據(jù)采集

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

2.1 測速傳感器

設(shè)備的速度靠測速傳感器實現(xiàn)，選用SD測速傳感器74HC14D作為核心芯片，以紅外射線中斷的檢測方式測取當(dāng)前設(shè)備速度。測速模塊的OUT口連接MCU的外部中斷口，每當(dāng)有紅外射線導(dǎo)通就為一個外部緩沖，選用一個MCU定時器，計算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，就可得知設(shè)備1秒行駛的速度。

2.2 超聲波模塊

通過超聲波模塊測得設(shè)備之間距離，系統(tǒng)選取HY-SRF05超聲波測距模塊，HY-SRF05超聲波測距模塊測量范圍在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)測距，通過超聲波發(fā)射器自動發(fā)出方波，并且檢測有無信號返回，當(dāng)超聲波接收器接收到返回信號時，通過I/O口ECHO輸出高電平，由高電平持續(xù)的時間計算得到測試距離。

通過STM32單片機控制超聲波的掃描周期，選用單片機I/O口作為觸發(fā)信號，根據(jù)超聲波模塊觸發(fā)信號、模塊內(nèi)部發(fā)出信號、輸出回響信號時序給予I/O口一個高電平；使用STM32單片機定時器輸入捕獲功能，采集ECHO端口的高電平持續(xù)時間；STM32單片機針對采集時間進行處理，計算測試距離。

3 數(shù)據(jù)處理

當(dāng)收集到信號后，通過A/D轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給微處理模塊進行數(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、縮減的引腳數(shù)目、較低的系統(tǒng)功耗。STM 32F407運行頻率最高可為168MHZ，具有192kb的SRAM，對于外設(shè)具有更快速的A/D轉(zhuǎn)換速度，具有32位定時器，同時提供了卓越的計算性能和先進的中斷響應(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)用中顯示出強大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

單片機接收本設(shè)備的速度信號與本設(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，將數(shù)據(jù)進行處理后并在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)超過臨界值時則發(fā)出警報。同時，單片機發(fā)送本設(shè)備信息給其他Zigbee設(shè)備，實現(xiàn)單片機與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸，最終實現(xiàn)全網(wǎng)通訊，單片機的工作流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖Fig.2 Program flow chart

4 無線網(wǎng)絡(luò)通訊

系統(tǒng)在進行信號采集與處理的同時，還需要為各節(jié)點設(shè)計通信方式。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可采用上位機對信號源進行多樣化控制，用ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動收集節(jié)點各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與分析，可以實現(xiàn)對多個信號源的無線統(tǒng)籌管理。系統(tǒng)采用Zigbee無線通信技術(shù)實現(xiàn)本地通信功能，實現(xiàn)各個節(jié)點與單片機的信息交流與處理。設(shè)計中選用DL-20無線串口模塊，CC2530為通訊的核心芯片，它可以將兩個或多個串口連接起來，在多個設(shè)備上使用該模塊，就像將各設(shè)備用串口連接起來一樣，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。它具有低成本、低功耗、高穩(wěn)定性的無線數(shù)據(jù)傳輸特點及可實現(xiàn)點對點傳輸帶有確認(rèn)，零數(shù)據(jù)丟失率，串口方向同時發(fā)送，高傳輸速率等特點。

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)針對節(jié)點功能對協(xié)調(diào)器節(jié)點及終端節(jié)點進行了設(shè)計。協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個控制網(wǎng)絡(luò)的核心，主要負(fù)責(zé)將節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，及將主控制器發(fā)布的命令傳送給對應(yīng)的終端節(jié)點上。協(xié)調(diào)器節(jié)點主要進行網(wǎng)絡(luò)的組建和無線數(shù)據(jù)的接收并將數(shù)據(jù)通過串口傳送至網(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，該模塊通過串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；終端節(jié)點通過串口與傳感器模塊相連。終端節(jié)點通過查找有無可加入的網(wǎng)絡(luò)，進而連接網(wǎng)絡(luò)，在接收傳感器通過網(wǎng)關(guān)模塊傳來的數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。

Zigbee無線發(fā)射接收模塊可以在16個頻道中任意選擇，各頻道的設(shè)備可以互無干擾的同時工作。其分為點對點模式和廣播模式。在多設(shè)備情況下選用廣播模式，一個節(jié)點的串口收到數(shù)據(jù)后在所有同頻率且距離范圍內(nèi)的節(jié)點中接收信號同時也發(fā)出信號，實現(xiàn)多對多通信的功能。

5 運行效果

在完成搭載硬件設(shè)備與軟件程序編寫之后，對整個系統(tǒng)進行了聯(lián)合的調(diào)試實驗。實驗現(xiàn)場實物如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場實物圖Fig.3 Physical map of the site

在實驗場地進行了行車實驗，圖中為模擬兩輛汽車的行車過程，由實驗結(jié)果可知：車A與車B在運動過程中，在各自的顯示屏幕中可以顯示出車輛相對速度以及兩車之間距離。當(dāng)A車車速或者兩車間距離超過設(shè)定值時，車輛自動報警，提示駕駛?cè)藛T調(diào)節(jié)車況。用模擬智能小車對整個系統(tǒng)進行了多次演示，根據(jù)實際運行結(jié)果對整個系統(tǒng)性能分析如下。

(1)距離測試正確率

在進行了10次測試中，總體來看，A、B車輛間距離測量比較平穩(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)遇到障礙物會多次反射，由于發(fā)射的頻率導(dǎo)致前后反射的信號被接收后疊加，會產(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，從每次的運行效果來看，智能小車之間的信息傳輸正確率接近90%。體現(xiàn)了ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)挠行浴?/p>

6 結(jié)語

在城市交通中，車與車之間是孤獨的，除了熟悉的人與人之間可以靠手機或?qū)χv機進行語音、文字通訊以外，陌生車輛之間幾乎沒有交流，在車輛行駛中出現(xiàn)堵車或遇到的突發(fā)情況等信息時無法有效傳遞信息給其他車輛等現(xiàn)象。在此背景下，文中設(shè)計的汽車智能通訊系統(tǒng)可以有效的避免此類情況發(fā)生，對緩解交通實現(xiàn)智能交通具有積極的意義。該系統(tǒng)可以自動發(fā)送自身車況，如時速的變化、轉(zhuǎn)彎情況等信息給周邊車輛，并同時顯示發(fā)送信號車輛與接受信號車輛的位置關(guān)系，能夠預(yù)警安全距離內(nèi)突發(fā)急轉(zhuǎn)彎，變道等帶來的潛在危險。甚至在高速上，可以有效的獲知前車有無急剎現(xiàn)象，以爭取更長的反應(yīng)時間減速，避免追尾事故等。