基于STM32的智能汽车通讯系统研究

马 丽，吴鹏飞，高 波

(1.河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北省沧州市重庆路1号 061001；2.河北水利电力学院 电气工程学院，河北省沧州市重庆路1号 061001；3.沧州市工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北省沧州市重庆路1号 061001；4.河北水利电力学院 财务处，河北省沧州市重庆路1号 061001)

随着经济的发展，车辆的需求量越来越大，我国已经成为仅次于美国和德国的世界第三大汽车消费市场，车辆的逐渐增多必然造成交通压力，交通事故发生率也在逐年提升。但是当前汽车之间可以说是独立的，各城市交通之中车辆之间的通讯设备匮乏，缺少信息传递的方法。随着车联网概念的提出以及STM32单片机及Zigbee无线通讯等相关技术在生活中各领域的应用，开发实现一个智能汽车通讯系统势在必行，他能实现智能感知附近车辆行车状态，将各车辆行车状态组成一个信息网，车辆可共享这些信息，以达到驾驶员通过信息进行预警事故、获知他车路况来更改出行路线、缓解交通压力，同时避免因无法交流产生的事故，减少交通意外。文中以此为目的，采用STM32单片机为核心器件，结合Zigbee无线通讯技术对汽车间速度，距离等车况信息进行相互传递。该系统对维持交通秩序，降低交通事故率具有积极意义。

1 系统组成

文中在明确系统所需接收传送的信号类别后，细化了各信号的数据采集传送方案，设计的汽车通讯系统工作模式以STM32单片机为核心处理器，接收并处理超声波信号及测速传感器模块信号，通过Zigbee通讯模块自动组网功能，实现多辆车间距离、速度信号的传递与显示，并确保信息有效、有序传达。系统整体设计的框图见图1。

图1 系统组成图Fig.1 System composition diagram

智能汽车通讯系统工作模式如下：单片机接收本机测速传感器、超声波信号并将此信号通过本机Zigbee系统传送给临近设备，与此同时本车Zigbee系统接收临近设备信号并传送至单片机进行数据处理且显示速度、位置等数据，通过与设置的临界值数据对比，当超过临界值时本设备报警。

文中所设计的汽车通讯系统主要包括：数据采集、数据处理控制、无线网络通讯。

在数据采集端，各设备需要通过传感器采集速度、距离信号；数据通过Zigbee传送至STM32单片机，STM32单片机将接收到的这些信号处理并显示；在无线网络通讯端，各设备Zigbee无线模块自动组网，通过Zigbee无线传输模块发送到其他设备Zigbee无线接收模块，实现各设备信号的传递。

2 数据采集

数据采集主要采集车辆状态信息，系统中主要采集了车辆速度和与车辆之间的位置信息。通过HY-SRF05超声波模块及测速传感器模块将相关数据传递给各设备单片机，实现相关数据的采集。

2.1 测速传感器

设备的速度靠测速传感器实现，选用SD测速传感器74HC14D作为核心芯片，以红外射线中断的检测方式测取当前设备速度。测速模块的OUT口连接MCU的外部中断口，每当有红外射线导通就为一个外部缓冲，选用一个MCU定时器，计算1秒内接收外部中断的数量，结合该设备轮子的周长，就可得知设备1秒行驶的速度。

2.2 超声波模块

通过超声波模块测得设备之间距离，系统选取HY-SRF05超声波测距模块，HY-SRF05超声波测距模块测量范围在2cm-450cm之间，范围及精度均符合本系统获取距离的功能。

该模块由超声波发射器、超声波接收器、控制电路组成，采用IO口TRIG触发测距，通过超声波发射器自动发出方波，并且检测有无信号返回，当超声波接收器接收到返回信号时，通过I/O口ECHO输出高电平，由高电平持续的时间计算得到测试距离。

通过STM32单片机控制超声波的扫描周期，选用单片机I/O口作为触发信号，根据超声波模块触发信号、模块内部发出信号、输出回响信号时序给予I/O口一个高电平；使用STM32单片机定时器输入捕获功能，采集ECHO端口的高电平持续时间；STM32单片机针对采集时间进行处理，计算测试距离。

3 数据处理

当收集到信号后，通过A/D转换电路将信号转换成数字信号传送给微处理模块进行数据处理。微处理模块采用的是以Cortex-M4为内核的STM 32F407微处理器作为核心器件，STM 32F407微处理器作为最新一代嵌入式ARM处理器，它具有低成本的平台、缩减的引脚数目、较低的系统功耗。STM 32F407运行频率最高可为168MHZ，具有192kb的SRAM，对于外设具有更快速的A/D转换速度，具有32位定时器，同时提供了卓越的计算性能和先进的中断响应系统，丰富的资源使得该系列微处理器在多领域的应用中显示出强大的发展潜力。

单片机接收本设备的速度信号与本设备Zigbee模块接收的其他设备Zigbee模块传送的速度与位置信号，将数据进行处理后并在LCD显示。模块上显示当前速度与其他设备位置相关信息，当数据超过临界值时则发出警报。同时，单片机发送本设备信息给其他Zigbee设备，实现单片机与单片机之间的数据传输，最终实现全网通讯，单片机的工作流程如图2所示。

图2 程序流程图Fig.2 Program flow chart

4 无线网络通讯

系统在进行信号采集与处理的同时，还需要为各节点设计通信方式。随着现代技术的发展，可采用上位机对信号源进行多样化控制，用ZigBee网络自动收集节点各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，可以实现对多个信号源的无线统筹管理。系统采用Zigbee无线通信技术实现本地通信功能，实现各个节点与单片机的信息交流与处理。设计中选用DL-20无线串口模块，CC2530为通讯的核心芯片，它可以将两个或多个串口连接起来，在多个设备上使用该模块，就像将各设备用串口连接起来一样，实现数据的接收与发送。它具有低成本、低功耗、高稳定性的无线数据传输特点及可实现点对点传输带有确认，零数据丢失率，串口方向同时发送，高传输速率等特点。

Zigbee模块主要作用是收集数据并将其打包传送到STM32单片机主控制器。Zigbee通讯模块由CC2530处理器、天线和电源模块组成。

Zigbee网络针对节点功能对协调器节点及终端节点进行了设计。协调器节点是整个控制网络的核心，主要负责将节点上传的数据发送给主控制器，及将主控制器发布的命令传送给对应的终端节点上。协调器节点主要进行网络的组建和无线数据的接收并将数据通过串口传送至网关模块。其中网关模块包括STM32主控制器、串口、电源模块等，该模块通过串口与协调器节点相连实现数据传输；终端节点通过串口与传感器模块相连。终端节点通过查找有无可加入的网络，进而连接网络，在接收传感器通过网关模块传来的数据后进行数据的无线发送。

Zigbee无线发射接收模块可以在16个频道中任意选择，各频道的设备可以互无干扰的同时工作。其分为点对点模式和广播模式。在多设备情况下选用广播模式，一个节点的串口收到数据后在所有同频率且距离范围内的节点中接收信号同时也发出信号，实现多对多通信的功能。

5 运行效果

在完成搭载硬件设备与软件程序编写之后，对整个系统进行了联合的调试实验。实验现场实物如图3所示。

图3 现场实物图Fig.3 Physical map of the site

在实验场地进行了行车实验，图中为模拟两辆汽车的行车过程，由实验结果可知：车A与车B在运动过程中，在各自的显示屏幕中可以显示出车辆相对速度以及两车之间距离。当A车车速或者两车间距离超过设定值时，车辆自动报警，提示驾驶人员调节车况。用模拟智能小车对整个系统进行了多次演示，根据实际运行结果对整个系统性能分析如下。

(1)距离测试正确率

在进行了10次测试中，总体来看，A、B车辆间距离测量比较平稳，显示有3次误差比较大。分析原因是由于超声波在室内遇到障碍物会多次反射，由于发射的频率导致前后反射的信号被接收后叠加，会产生不正常的数据。

(2)信息传输正确率

系统整体调试了10次，从每次的运行效果来看，智能小车之间的信息传输正确率接近90%。体现了ZigBee无线通信网络信息传输的有效性。

6 结语

在城市交通中，车与车之间是孤独的，除了熟悉的人与人之间可以靠手机或对讲机进行语音、文字通讯以外，陌生车辆之间几乎没有交流，在车辆行驶中出现堵车或遇到的突发情况等信息时无法有效传递信息给其他车辆等现象。在此背景下，文中设计的汽车智能通讯系统可以有效的避免此类情况发生，对缓解交通实现智能交通具有积极的意义。该系统可以自动发送自身车况，如时速的变化、转弯情况等信息给周边车辆，并同时显示发送信号车辆与接受信号车辆的位置关系，能够预警安全距离内突发急转弯，变道等带来的潜在危险。甚至在高速上，可以有效的获知前车有无急刹现象，以争取更长的反应时间减速，避免追尾事故等。