基于北斗/4G的小型通信裝置設(shè)計(jì)

馬路平 王英立 于邦偉＊ 夏紀(jì)洋 劉珂鑫 王浩淼

1.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150000；2.哈爾濱理工大學(xué)測(cè)通學(xué)院通信工程系，黑龍江哈爾濱 150000

0 引言

傳統(tǒng)的車載定位系統(tǒng)價(jià)格昂貴，有時(shí)定位不準(zhǔn)，并且用戶無法直接查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在傳統(tǒng)的定位設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景下，經(jīng)常會(huì)有司機(jī)因無法自檢，不知道設(shè)備失靈而受到相關(guān)處罰。如果能開發(fā)出一種可以自己檢查設(shè)備是否失靈，并且可以將位置信息通過短信發(fā)送至用戶手機(jī)的設(shè)備，將給用戶帶來極大的方便。本設(shè)計(jì)以STM32為主控芯片，結(jié)合北斗模塊和4G模塊實(shí)現(xiàn)了定位和通信功能；結(jié)合紅外模塊和超聲波模塊實(shí)現(xiàn)了避障功能。

1 系統(tǒng)方案

小型通信裝置主要由電源模塊、衛(wèi)星定位模塊、4G通訊模塊、超聲波模塊以及紅外模塊組成。當(dāng)需要獲取目標(biāo)裝置信息時(shí)，衛(wèi)星定位模塊將獲得的目標(biāo)位置信息傳送給CPU，4G模塊按照CPU指令將目標(biāo)位置信息發(fā)送給手機(jī)。避障模塊由紅外模塊和超聲波模塊組成，當(dāng)避障模塊檢測(cè)到障礙物時(shí)，將障礙物信息傳送給CPU，CPU按照既定程序發(fā)出相應(yīng)指令。設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控模塊CPU用來接收、處理其他模塊采集到的信號(hào)；4G通訊模塊用來發(fā)送經(jīng)CPU處理過的數(shù)據(jù)到目標(biāo)手機(jī)。系統(tǒng)整體實(shí)物圖如圖2所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以下功能：

（1）系統(tǒng)可即時(shí)獲取目標(biāo)設(shè)備位置信息并發(fā)送至目標(biāo)手機(jī)；

（2）系統(tǒng)可以自行躲避障礙物。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由主控芯片、功率調(diào)節(jié)器、串口通信電路、按鍵、LED燈組成。

本次設(shè)計(jì)采用的主控芯片是STM32F1系列芯片，具有高速率、低成本、低功耗、耐用等優(yōu)點(diǎn)[1]。

2.2 電源模塊

電源模塊采用大容量、高性能的鎳鋰電池給整個(gè)系統(tǒng)供電，輸出電壓為5 V，最大輸出電流為5 A，可滿足4G發(fā)射時(shí)的最大電流（2 A）和北斗-GPS發(fā)射時(shí)的最大電流（2 A）的需求[2]，額定容量14,000 mAh。穩(wěn)壓模塊通過檢測(cè)電壓電流值，將數(shù)值傳輸?shù)絊TM32，STM32再根據(jù)修正值控制調(diào)壓器調(diào)壓。

2.3 定位模塊

本系統(tǒng)采用ATK1218-BD模塊進(jìn)行定位。該模塊定位精度高，冷啟動(dòng)時(shí)間短，通信速率高，尺寸小，與NEO-6M模塊相比，具有成本低、GPS+北斗雙模、更新速率快等優(yōu)勢(shì)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（wireless sensor network，WSN）是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種，是綜合了包括傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及無線通信技術(shù)在內(nèi)的多種技術(shù)于一體的感知及傳輸系統(tǒng)[3]。WSN算法是在定位唯一性約束關(guān)系下能夠求解網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)位置的一種有效算法。

2.4 4G通訊模塊

本系統(tǒng)采用QUECTEL EC20 CEHDLG作為通訊模塊，該模塊采用LTE3GPP Rel.11技術(shù)，支持的最大下行速率為150 Mbps，最大上行速率為50 Mbps，同時(shí)在封裝上兼容EC20 R2.1 Mini PCle-C模塊，并能夠向后兼容現(xiàn)存的EDGE和4G/GPRS網(wǎng)絡(luò)，以確保在缺乏3G和4G網(wǎng)絡(luò)的偏遠(yuǎn)地區(qū)也能正常工作。通過AT指令集實(shí)現(xiàn)4G全網(wǎng)通的各種功能，4G通信模塊需要外接SIM卡才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，經(jīng)UART接口與STM32處理器連接后可以實(shí)現(xiàn)與主控板間的近距離數(shù)據(jù)傳輸。

由于該模塊可以實(shí)現(xiàn)4G通信，所以可通過短信方式獲取當(dāng)前設(shè)備的位置信息。在需要自查設(shè)備故障時(shí)，通過AT命令獲取本設(shè)備的位置信息與實(shí)際情況對(duì)比，即可判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障。

2.5 避障模塊

本系統(tǒng)采用紅外模塊和超聲波模塊進(jìn)行避障，具有較高的準(zhǔn)確度，并且容易實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)上采用紅外避障模塊與超聲波模塊，2種方案同時(shí)檢測(cè)，并依據(jù)兩者測(cè)得的距離為轉(zhuǎn)向角提供數(shù)據(jù)[2]。

2.5.1 紅外模塊

紅外模塊具有信號(hào)發(fā)射二極管與信號(hào)接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種信號(hào)，紅外信號(hào)遇到障礙物被反射到傳感器接收頭，傳感器檢測(cè)到這一信號(hào)就可以確認(rèn)正前方有障礙物[4]。經(jīng)過處理后，通過數(shù)字傳感器接口返回到主機(jī)，主機(jī)即可利用紅外波的返回信號(hào)來識(shí)別周圍環(huán)境的變換，進(jìn)而做出判斷。

2.5.2 超聲波避障模塊

超聲波電路采用集成電路CX20106A[5]。超聲波測(cè)距模塊的超聲波頻率為40 kHz。該模塊具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力，可以適當(dāng)改變C1的大小，從而改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。電壓放大倍數(shù)隨測(cè)距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加，使接收回波的幅值保持恒定或者僅在較小范圍內(nèi)變化，再經(jīng)過整形電路輸出，可大幅度地提高測(cè)距精度[5]。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖3所示。開機(jī)后，STM32F1單片機(jī)主控芯片、4G通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星定位模塊系統(tǒng)初始化，當(dāng)需要知道當(dāng)前目標(biāo)設(shè)備的位置信息時(shí)，CPU通過讀取衛(wèi)星定位模塊位置信息，然后通過4G通信模塊發(fā)送AT命令給SIM卡（手機(jī)），當(dāng)避障模塊檢測(cè)到有障礙物時(shí)，反饋數(shù)據(jù)給CPU，然后CPU根據(jù)數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的避障命令。

4 數(shù)據(jù)測(cè)量

本系統(tǒng)運(yùn)行所得關(guān)鍵數(shù)據(jù)為位置與速度信息。測(cè)試用的上位機(jī)為naviTrack，可以測(cè)量當(dāng)前位置能夠接收衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)量、經(jīng)緯度、速度等信息。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，最終在哈爾濱理工大學(xué)校內(nèi)4個(gè)不同位置測(cè)量并記錄了相關(guān)信息。上位機(jī)獲得的數(shù)據(jù)如圖4～圖7所示。

5 避障實(shí)驗(yàn)

小車實(shí)物如圖8所示。測(cè)試小車避障功能，構(gòu)建一個(gè)模擬環(huán)境，如圖9所示。將小車放入起點(diǎn)位置，使小車勻速前進(jìn)，測(cè)試小車成功躲避障礙物的次數(shù)N以及每次成功到達(dá)終點(diǎn)所用的時(shí)間T，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試10次，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

10次避障實(shí)驗(yàn)中，小車有7次成功躲避障礙物，到達(dá)終點(diǎn)，3次失敗，從測(cè)試時(shí)間來看，小車從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間大概在50 s左右。

6 總結(jié)

基于北斗/4G技術(shù)的小型通信裝置，以STM32F1單片機(jī)為主控制器，以ATK1218-BD為定位模塊，4G網(wǎng)絡(luò)為通信載體，實(shí)時(shí)監(jiān)控目標(biāo)裝置的位置信息，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)位置隨查隨知。系統(tǒng)還配備了紅外模塊和超聲模塊組成避障模塊，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)的避障功能。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，比較穩(wěn)定，成本低。今后將在提高避障的精確度方面進(jìn)一步改進(jìn)。