李俊楠　莫偉健　萬智萍

摘 要：為減少船撞擊事故的發(fā)生，提高野外水域工作的方便性，在ARM CortexTMM4開發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以無線自組通訊網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳遞的測(cè)深防碰撞系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以ARM CortexTMM4芯片作為處理器，ZigBee無線通訊技術(shù)、GPS_RTK高精度定位技術(shù)和超聲波測(cè)量技術(shù)作為拓展功能，最終搭建而成并實(shí)現(xiàn)測(cè)深、定位和防碰撞。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)是擁有較強(qiáng)的可用性和拓展性能，有利于減少船撞擊事故和方便野外水域工作。

關(guān)鍵詞：ARM CortexTM-M4；GPS_RTK； ZigBee；超聲波；拓展性

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：In order to decrease the number of ship wreck accidents and improve the convenience in outdoor water working， based on ARM CortexTM-M4 development platform， we designed the sounding anticollision system which relies on the wireless adhoc communication network as data transmission. With the ARM CortexTM-M4 chip processor， the expansion function of ZigBee wireless communication technique， GPS_RTK highprecision location finding technique and ultrasonic measuring technique， the system was built up finally to realize the sounding， locating and anticollision. The test result indicates that this system possess stronger availability and expansion capability.

Key words：ARM CortexTM-M4；GPS_RTK；ZigBee；ultrasonic wave；scalability

1 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們安全意識(shí)的不斷提高，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速地變更，ZigBee技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也變得相當(dāng)?shù)膹V泛，信息的傳輸從有線逐漸步入無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸，趨向于信息智能化傳輸。結(jié)合當(dāng)今社會(huì)多次出現(xiàn)的貨船碰撞、相撞事件，而且船舶碰撞是導(dǎo)致海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)損壞的突出風(fēng)險(xiǎn)因素，為減少事故的發(fā)生，利用了目前比較先進(jìn)的技術(shù)對(duì)船的各個(gè)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，降低事故的發(fā)生[1]。為保證船只的安全，防止船只在濃霧天氣發(fā)生碰撞，利用超聲波測(cè)量技術(shù)測(cè)量船只與障礙物的相差距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)船只受到了一定程度的碰撞，激發(fā)船只的報(bào)警系統(tǒng)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸求救信號(hào)到安全中心。本設(shè)計(jì)在船只航運(yùn)、航海旅行和勘探方面都具有一定的實(shí)用意義。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由ARM CortexTM-M4嵌入式平臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊、ZigBee無線組網(wǎng)通訊模塊、超聲波障礙物探測(cè)防碰撞模塊、GPS定位信息模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和用戶的便攜式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接收模塊組成。 系統(tǒng)功能的總體架構(gòu)圖如圖1所示。

ARM CortexTM-M4嵌入式平臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊中用到功耗低、成本低和易于使用等優(yōu)越性能的ARM CortexTM-M4芯片。Cortex-M4內(nèi)核是在Cortex-M3內(nèi)核的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其性能比提高了20%[2]。ARM CortexTM-M4加入了信號(hào)處理控制功能，在處理數(shù)據(jù)和傳送數(shù)據(jù)起到不可忽視的作用，工作時(shí)， ARM CortexTM-M4主要利用它強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)控制功能、快速的數(shù)據(jù)處理功能，并對(duì)測(cè)量到的信息起到中轉(zhuǎn)站的作用。

GPS定位信息模塊，引入了誤差低、精確率高的GPS_RTK技術(shù)，RTK（ Real Time Kinematic）屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，是一種載波相位差分技術(shù)，關(guān)鍵就是參考站觀測(cè)值的誤差計(jì)算和流動(dòng)站觀測(cè)值的誤差消除與定位[3]。RTK定位技術(shù)主要是通過實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法， 即是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)， 進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2015年3月

第34卷第1期李俊楠等：基于CC2533的ZigBee技術(shù)智能小船測(cè)深防碰撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

ZigBee無線組網(wǎng)通訊模塊，在數(shù)據(jù)采集與測(cè)量完成后，數(shù)據(jù)將會(huì)暫存在處理器中，我們需要把數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路傳送給地面工作人員，系統(tǒng)運(yùn)用無線組網(wǎng)通訊ZigBee技術(shù)。ZigBee 技術(shù)是IEEE802.15.4基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是最新的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[4]。ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊主要是用來實(shí)現(xiàn)把智能小船探測(cè)出來的信息傳送回到移動(dòng)用戶端，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)記錄。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸體系結(jié)構(gòu)主要由處理器模塊、無線通信模塊和能源模塊組成，處理器模塊和GPS顯示模塊通過串口連接起來。無線ZigBee通訊網(wǎng)是一種網(wǎng)狀網(wǎng)，由三個(gè)部分組成：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備[5]。系統(tǒng)測(cè)量出來的數(shù)據(jù)是通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模诨赯igBee2007/PRO協(xié)議棧而開發(fā)的ZStack協(xié)議棧中，當(dāng)應(yīng)用程序需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過APS數(shù)據(jù)實(shí)體發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求到APS，在每一層中加上適當(dāng)?shù)膸^，組成幀信息，然后發(fā)送出去，傳送到移動(dòng)用戶端?？紤]到無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁|(zhì)量和傳輸數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)中引入了在應(yīng)用層新加入了分割傳輸功能和在有效載荷中加入了安全key的安全性較高的基于ZigBee2007/PRO協(xié)議棧而開發(fā)的ZStack協(xié)議棧。

在配置網(wǎng)絡(luò)方面，ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總共有三種情況：星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜痛貭罹W(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄6]。具體的ZigBee組網(wǎng)拓?fù)淙鐖D2所示。

為了降低船受到碰撞造成的損失，系統(tǒng)還引入了超聲波障礙物探測(cè)防碰撞模塊，當(dāng)小船受到障礙物碰撞威脅，超聲波探頭把接收到的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，激響蜂鳴器，從而達(dá)到了報(bào)警的目的。

用戶的便攜式數(shù)據(jù)接收模塊主要是考慮到在野外工作的方便，以及能夠獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，用戶可以用筆記本電腦安裝系統(tǒng)的觀測(cè)軟件，就可以方便地了解到小船的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用了模塊化的形式組建而成，降低了系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建難度以及部分模塊的損壞造成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)損壞的威脅，而且優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的性能，總體上達(dá)到了低成本、低功耗、低復(fù)雜度和高操作性能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分主要包括ARM CortexTM-M4嵌入式平臺(tái)、GPS定位模塊、ZigBee數(shù)據(jù)傳送模塊、超聲波模塊、音頻模塊和電源模塊6個(gè)部分。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分的架構(gòu)如圖3所示。ARM CortexTM-M4嵌入式平臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊主要用到了ARM CortexTM-M4微控制器，以及RS232串口通訊接口。ARM CortexTM-M4擴(kuò)展有單周期乘法累加 （MAC） 指令、優(yōu)化的 SIMD 運(yùn)算、飽和運(yùn)算指令、單精度浮點(diǎn)單元 （FPU）和信號(hào)控制功能。平臺(tái)留出其他的接口，為了方便系統(tǒng)擴(kuò)展其他的功能。

GPS定位模塊用到了擁有USB接口的GPS定位器，通過串口轉(zhuǎn)USB口線把GPS定位器與ARM CortexTM-M4嵌入式平臺(tái)相連，GPS定位數(shù)據(jù)通過USB接口傳到處理器，經(jīng)由處理器通過ZigBee發(fā)送器輸送到接收端。

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是用到了由CC2533芯片作為主控芯片的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備，在小船上裝的節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送端，經(jīng)過多次的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，傳送到長距離的用戶端的接收節(jié)點(diǎn)。

超聲波模塊主要用到了超聲波收發(fā)傳感器、RS232串口、MAX232核心芯片。通過利用RS232串轉(zhuǎn)TTL模塊把超聲波收發(fā)傳感器獲取到的信息傳送到控制器。

音頻模塊主要是用于碰撞部分的警報(bào)信息的發(fā)出，用到了擁有5 通道DMA、23 個(gè) GPIO、2 個(gè) USART、SPI、I2C 以及 4 個(gè)計(jì)時(shí)器等豐富周邊組件的CC2533芯片，低功耗、8位分辨率的ADC0809芯片，高耐壓、大電流、反向驅(qū)動(dòng)的ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片和KH-4025，頻率為50KHz，信噪比為50db的蜂鳴器，當(dāng)系統(tǒng)遇到碰撞威脅的時(shí)候，微控制器會(huì)會(huì)向音頻模塊發(fā)出一個(gè)電平，激發(fā)蜂鳴器達(dá)到報(bào)警的目的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分，分別是數(shù)字信號(hào)控制的開發(fā)、基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸階段的開發(fā)和定位的數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化。

4.1 數(shù)字信號(hào)控制與優(yōu)化

按照系統(tǒng)對(duì)信號(hào)控制的要求，用ARM CortexTM-M4微控制器作為數(shù)字信號(hào)控制和處理的處理芯片，數(shù)字信號(hào)控制與優(yōu)化主要是通過對(duì)芯片進(jìn)行擴(kuò)展，并且利用比較優(yōu)化的算法進(jìn)行處理，通過濾波算法把信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的濾波優(yōu)化，使得信號(hào)更加地光滑、準(zhǔn)確，從而減少測(cè)量的誤差。

本系統(tǒng)中在數(shù)字信號(hào)處理部分運(yùn)用了卷積算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，讓復(fù)雜的信號(hào)簡(jiǎn)單化，提高了芯片的運(yùn)行速度和工作效率。

卷積運(yùn)算在cortex-m4上的程序?qū)崿F(xiàn)[7-8]，程序流程框圖4所示：

4.2 基于ZigBee2007/PRO協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸部分的開發(fā)

數(shù)據(jù)傳輸部分的開發(fā)主要是Z-Stack協(xié)議棧。目前比較規(guī)范的兩種協(xié)議有“ZigBee”和“ZigBee2007/PRO”[9]。本系統(tǒng)主要是利用了ZigBee2007/PRO較高的安全特性， Z-Stack協(xié)議棧就是基于ZigBee2007/PRO協(xié)議進(jìn)行開發(fā)的，包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)程序和需要執(zhí)行的各種功能的程序的開發(fā)。在數(shù)據(jù)傳輸模塊中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)部分的程序流程框圖和Zigbee網(wǎng)絡(luò)路由器終端接收數(shù)據(jù)部分的程序流程框圖如圖5所示：

4.3 基于GPS_RTK定位技術(shù)的數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化

GPS_RTK定位技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)的傳輸，本系統(tǒng)主要捉住了對(duì)這兩方面的技術(shù)在原來的基礎(chǔ)上引入了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法，提高數(shù)據(jù)的處理效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。GPS接收機(jī)根據(jù)載波頻率分成了單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī)，本系統(tǒng)中GPS接收機(jī)采用雙頻接收機(jī)，雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1、L2兩種載波的信號(hào)，GPS的L1頻率上調(diào)制有C/A碼和P（Y）碼，L2頻率上調(diào)制有P（Y）碼和L2C碼[10]。對(duì)于GPS定位電離層誤差是固有的，單頻接收機(jī)消除不了這個(gè)誤差，雙頻接收機(jī)可以結(jié)合L1、L2兩種頻率的衛(wèi)星觀測(cè)信息建立模型消除電離層誤差，也可以升級(jí)RTK功能，使測(cè)量更加準(zhǔn)確。

5 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件及界面的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件主要由定位坐標(biāo)、碰撞警告、測(cè)量環(huán)境和信息報(bào)表四個(gè)部分組成。定位坐標(biāo)就是對(duì)小船目前所在位置進(jìn)行定位，通過無線傳送到監(jiān)測(cè)軟件上，從而讓用戶知道小船的所在位置，便于營救人員確定營救目的地。碰撞警告是當(dāng)小船收到了碰撞的威脅之際，發(fā)出警告信息，并且示意出還有多長距離就會(huì)碰上障礙物，起到警告的作用。測(cè)量環(huán)境就是把小船在當(dāng)時(shí)所在的地點(diǎn)的實(shí)際水深、小船陷水深度測(cè)量出來，并送到客戶端軟件。信息報(bào)表就是把所有需要測(cè)量的數(shù)據(jù)信息匯總起來，可以對(duì)以前的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的軟件界面如圖7所示。

6 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)經(jīng)過搭建之后，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定的測(cè)試。在一個(gè)面積有50M2的湖里，用戶接收端就安排在附近的一個(gè)亭子里，把ZigBee子節(jié)點(diǎn)設(shè)備安裝在湖的四周圍，并引向接收端，移動(dòng)點(diǎn)通過RS232接口與cortex—M4連接用來發(fā)送測(cè)量的數(shù)據(jù)通過節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)送到用戶端。

經(jīng)過測(cè)試，在測(cè)試環(huán)境里面，系統(tǒng)的ZigBee設(shè)備能夠自動(dòng)搜索到其他節(jié)點(diǎn)，通過手動(dòng)連接，并且能夠獲得比較準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

在防碰撞警報(bào)測(cè)量測(cè)試中，小船離障礙物有6M（船頭離障礙物的距離）的地方為記錄點(diǎn)A，報(bào)警周期為T=200ms，空氣中傳播速度V=340M/S，波特率為P=9600，在船與障礙物碰撞期間采取4個(gè)點(diǎn)。測(cè)量距離、實(shí)際距離與相對(duì)誤差數(shù)值如表1所示。表中測(cè)量結(jié)果說明本系統(tǒng)的防碰撞部分的誤差在3CM～25CM，誤差范圍大致上符合要求。

7 結(jié) 語

本系統(tǒng)用到了精確度較高的GPS_RTK定位技術(shù)做為小船的定位、低功耗和低復(fù)雜度的ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)用來對(duì)測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，超聲波技術(shù)用來測(cè)量距離的長度并和蜂鳴器進(jìn)行結(jié)合達(dá)到報(bào)警的目的。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能基本得以實(shí)現(xiàn)，并對(duì)擴(kuò)展的功能預(yù)留出擴(kuò)展的接口以作為功能擴(kuò)展作用，本系統(tǒng)可以用在戶外作業(yè)，對(duì)水域的探測(cè)與安全防御有一定的幫助。

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