基于無線射頻傳輸的大型車輛智能輔助倒車系統設計

呂潔印，周受欽，曹廣忠

（1.深圳大學 自動化研究所，廣東 深圳 518060；2.中國國際海運集裝箱（集團）股份有限公司 廣東 深圳 518067）

以半掛車為代表的大型車輛其特點是車身長、倒車視野差、車尾倒車盲區多等。本文提出的智能輔助倒車系統是泊車或者倒車時的安全輔助裝置，由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器（或蜂鳴器）等部分組成。現今眾多輔助倒車系統都是有線的，布線安裝非常不便，使車體內的線路復雜，容易出現故障，從車后雷達主機到車前儀表臺上駕駛室終端顯示器需要布置一條線，這樣在安裝時要拆裝車內的裝飾板、膠條等，在車身比較長的大型車輛上安裝尤其不便，采用無線倒車輔助裝置就成為輔助倒車系統的一個新趨勢。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是利 用射頻信號，通過空間耦合（交變磁場或電磁場）來實現對目標對象的無接觸識別并獲取相關數據信息。RFID以無線方式進行雙向通信，可實現批量讀取和遠程讀取，可識別高速運動物體，具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大等優點，是近距離無線傳輸的首選。基于超聲波測距技術、RFID技術、紅外感應技術、計算機技術、自動化技術等，設計了一種用于大型車輛的無線射頻智能輔助倒車系統。

1 超聲波測距原理

超聲波測距原理是利用超聲波發射器發射出的40 kHz超聲波信號遇到障礙物后接收器接收，測量發射器發射和接收器接收超聲波的時間差t，根據超聲波在空氣中的傳播速度V，求出測距S，公式為：。超聲波在空氣中的傳播速的受溫度影響較大，不同溫度值對應傳播速度關系（見圖2），所以要利用溫度值對其進行聲速補償才能得到比較精確的距離值。頻率為40 kHz左右的超聲波，它在空氣中的傳播效率較佳[4]。

2 系統總體設計

針對如圖2所示以半掛車為代表的大型車輛的特點，所設計的無線智能輔助倒車系統由兩部分組成：雷達主機和駕駛室終端，兩者之間通過射頻信號進行通信，其結構框圖如圖3所示。雷達主機位于車尾，主要包括溫度傳感器、超聲波收發模塊、MCU1、射頻模塊1、串口和電源模塊。主要功能是超聲波收發模塊來檢測離障礙物的距離信號、紅外感應模塊來檢測車尾附近是否有生命物體信號、溫度傳感器檢測車輛所處環境溫度信號、MCU1對以上各信號進行處理并把處理結果發給射頻模塊1并經由射頻天線發出射頻信號到駕駛室終端。雷達主機采用車尾燈電源供電亦可采用太陽能供電。

圖1 超聲波傳播速度對比圖Fig.1 Thecomparison chart of ultrasonic propagation speed

圖2 半掛車Fig.2 Semi-trailer

圖3 系統結構框圖圖Fig.3 Diagram of the system structure

駕駛室終端位于駕駛室，是輔助倒車系統與駕駛員的人機接口，包括顯示模塊、鍵盤模塊、語音模塊、射頻模塊2、MCU2、串口和電源模塊。主要功能是射頻模塊2接收雷達主機發來的射頻信號將其處理后發給MCU2，語音模塊和顯示模塊對倒車時車尾狀態進行顯示必要時報警提示，鍵盤模塊可以對系統的參數進行設定和開/關系統。

3 硬件設計

MCU1和MCU2采用高性能的C8051F340芯片，C8051F340是集成在一塊芯片上的混合信號系統級單片機。他集成了豐富的模擬資源和外部設備接口，功能強大，與其他芯片相比需要的芯片更少硬件電路簡單。此單片機內核為增強的CIP-51內核，采用流水線結構，其峰值執行速度可達100MIPS[5]。工作模式需要電壓為3.3 V，功耗更低。

3.1 溫度傳感器、超聲波模塊和紅外感應模塊接口電路

雷達主機感應模塊接口電路如圖4所示。

圖4 雷達主機接口電路Fig.4 The interface circuit of radar host

由于超聲波傳播速度受溫度影響較大，要得到比較好的測量值，需要進行溫度補償。系統采用DSl8b20數字式溫度傳感器來進行傳感器溫度測量，DSl8b20功耗低、抗干擾能力強，易編程，測溫范圍為-55~125℃，并且因為它是數字傳感器，不需要A/D轉換，電路簡單，非常適合溫度檢測[6]。HYSRF05超聲波測距模塊可提供2~450 cm的非接觸式距離感測功能，測量精度可達3 mm，可以用來測量車位距離，模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路，但其沒有溫度補償功能，需要測量溫度然后通過軟件編程進行溫度補償。HCSR501普通型人體紅外感應模塊，用來檢測車位附近生命物體，感應范圍小于120度錐角，7米以內，當生命物進入HC-SR501感應范圍則產生高電平，離開感應范圍則自動延時關閉高電平。

3.2 MCU1和MCU2射頻收發模塊設計

射頻模塊用來為雷達主機與駕駛室終端的收發數據端口。射頻模塊1和射頻模塊2采用芯片nRF905，它是挪威Nordic公司推出的單片射頻發射器芯片，工作電壓為1.9－3.6V，工作于433/868/915MHz 3個ISM頻道[7]，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以10 dBm的功率發射時，工作電流僅有30 mA，接收時工作電流只有12.5 mA，多種低功率工作模式，待機模式下電流僅為12.5μA，節能設計更方便。

nRF905的天線有多種形式，本系統采用50Ω阻抗天線，nRF905的ANT1、ANT2輸出引腳為差分輸出，輸出阻抗不等同于天線的輸入阻抗，必須在ANT引腳和天線之間設置匹配網絡來提高無線收發性能；由于nRF905有內部電壓調節器，所以RF非常強勁，因此要求最小的PCB版面設計，但要注意要把地網層、避免使用長電源線等特點包括進去，如圖5所示。

圖5 射頻模塊實物圖及電路圖Fig.5 The physical map and circuit diagram of RF module

3.3 駕駛室終端硬件電路

顯示模塊采用RT12864－S中文字庫型液晶顯示模塊，可以顯示字母、數字、中文字型及圖形其提供三種控制接口：8位微處理器接口、4位微處理器接口、串行接口，此處PSB接地 選 擇 串 行 接 口 模 式，RS（CS）、RW （SID）、E （CLK）和LCMREST分別為片選、數據、脈沖、復位信號引腳，引腳19、20來提供背光電源；主機還有按鍵和蜂鳴報警電路，便于操作者進行參數設置和報警感應。駕駛室終端硬件電路如圖6所示。生成前導碼和CRC校驗碼，接收到有效地數據包時nRF905分別驗證前導碼，地址和CRC位，然后再把PAYLOAD數據送入微控制器處理。通過配置寄存器中的CH_NO和HFREQ_PLL來配置nRF905的工作頻率f，本設計設定工作頻率為433 MHz，其公式（1）為：

圖6 駕駛室終端硬件電路Fig.6 The hardware circuit of cabterminal

4 軟件設計

nRF905采用ShockBurst技術，有兩種活動模式和節電模式：ShockBurst RX、ShockBurst TX、掉電和SPI編程、STANDBY和SPI編程。ShockBurst工作模式在RF以最大速率進行連接時降低數字應用部分的速度來降低在應用中的平均電流。接收發送的數據包格式從前到后依次為：Preamble、Address、Payload、CRC。 Preamble為 引 導 字 節，Address為接收模塊地址，Payload為數據位包括有無生命體、溫度、距離數據，CRC為校驗碼。在發送模式時，NRF905自動

雷達主機流程圖如圖7（a）所示。為了進行低功耗設計在駕駛室終端沒有發出雷達主機開始檢測指令前，在沒有接收到開始測距指令時nRF905在掉電模式、StandBy模式、ShockBurst模式之間切換等待開始檢測指令并增長掉電模式時長來降低系統功耗；在開始測距后通過HY－SRF05進行測距、DS18b20進行測溫并把兩者數據通過溫度補償算法算出補償后更加準確的距離，通過HC－SR501檢測車尾附近有無生命物出現并產生相應信號，把溫度、距離、有無生命物信號通過射頻模塊發送到射頻模塊2，然后發送到MCU2處理。駕駛室終端上電后，NRF905進入掉電模式，操作人員可以通過按鍵設置報警距離、報警方式和開始檢測指令發送操作等，駕駛室終端流程圖如圖7（b）所示。溫度補償后距離公式（2）

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software flow chart

式中：T——環境攝氏溫度，t——傳輸時間，S——距離。

5 結束語

本文介紹了一種針對大型車輛的RFID無線射頻傳輸的倒車輔助系統，減少了車尾到駕駛室布線的麻煩而且使得駕駛室終端便于移動，通過軟件設置射頻模塊不同工作模式的切換來降低系統的功耗。具有溫度補償、生命體檢測、安裝方便、功耗低、電路簡單、實用性等優點，為駕駛員安全駕駛保駕護航，對倒車輔助系統的發展有一定參考價值。

本系統不足及解決方案：1）系統只是實驗性的使用了一個超聲波測距傳感器，針對實際應用中半掛車、掛車、重型載貨汽車和大型客車的盲區多、車尾面積大、倒車視野差的特點，可以采用多個超聲波傳感器，使其組成一條線或者構成一個感應面來檢測車尾狀況；2）由于車輛后方情況復雜，只是使用無線測距相對來說比較單一，如果能集無線視頻監測、超聲波測距、人體紅外檢測、自動波車于一體，則將大大增加倒車的安全性、可靠性、靈活性。

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