智能公共自行車系統前端設計

戴俊源，袁紅兵，吳昌東

(南京理工大學a.機械工程學院，江蘇南京210094；b.常熟研究院有限公司，江蘇 常熟215513)

0 前言

隨著國家改革開放步伐的加快，經濟得到快速的發展，同時也帶來一些問題如環境污染。近年來，國家經濟建設和環境保護從先前的先發展后保護慢慢轉向發展和保護并行的軌道上，提倡建設和諧社會和發展低碳經濟。低碳生活越來越成為人們追求的對象，特別是今年3月份全國大范圍的霧霾天氣，給人們的出行和身心健康帶來很大的影響。針對這一現狀，非常有必要來開發智能公共自行車系統，自行車作為一種不消耗能源、無污染的綠色交通工具，有利于緩解車流量、減少汽車尾氣排放、促進節能減排，實現經濟社會可持續發展［1，2］。

目前，國內少許城市引進公共自行車系統，其運行效果良好，但其數量遠遠無法滿足發展的要求，同時也存在一些問題如實時性、穩定性、可靠性差等缺陷。基于CAN總線，利用ARM-μCOS II，結合GPRS無線數據傳輸技術，設計的智能公共自行車系統前端，很好地實現前端和后端相結合，同時也提高系統的實時性、穩定性和可靠性，滿足智能公共自行車前端功能設計要求。

1 整體設計方案

整個智能公共自行車系統前端由CAN總線、控制節點和若干控制子節點構成，控制節點由CAN控制模塊、SIM900A模塊和SPI-FLASH存儲器模塊組成，每個控制子節點由RFID模塊、語音模塊、開關模塊和CAN控制模塊組成。首先由控制子節點的RFID模塊讀取用車者的IC卡信息，該信息經過控制子節點的MCU判斷和處理，通過CAN總線傳輸到控制節點，控制節點利用GPRS TCP/IP將該信息發送到后端服務器。控制節點通過SIM900A模塊接收后端服務器的信息，控制節點的MCU提取該信息中控制子節點的地址，通過CAN總線將該信息傳輸到該地址的控制子節點，控制子節點的MCU提取該信息中功能碼，執行相應的功能操作。智能公共自行車系統前端整體結構示意圖如圖1所示，其中控制子節點只列出其中一個，根據需要可有若干個控制子節點。

2 系統硬件設計

圖1 整體結構示意圖

2.1 電源

考慮到用電的方便性，采用外接220V電源，利用220V轉12V的交流變壓器和整流橋獲得低壓直流電源。應用DC-DC電源芯片MP4560降壓得到5V直流電壓，MP4560是一個高頻開關降壓器，提供高達2A的輸出電流，具有4.5V～55V的輸入電壓范圍，由LM1117-3.3電壓轉換芯片將5V直流電壓轉換為3.3V直流電壓以及利用MIC29302電源芯片將5V直流電壓轉換為4V直流電壓，4V直流電壓主要給SIM900A模塊提供電源。

2.2 CAN總線

方案中所有的MCU均采用ARM Cortex-M3內核的微處理器STM32F103RBT6，STM32F103RBT6具有高性能、低成本、低功耗等特點，具有一個CAN控制器，支持CAN協議2.0A和2.0B，其設計目標是，以最小的CPU負荷來高效處理大量收到的報文，其功能完全滿足本方案的要求。CAN收發器采用德州儀器公司生產的SN65HVD230器件，該器件適用于較高通訊速率、良好抗干擾能力和高可靠CAN總線的串行通信，加之其電氣連接十分簡單，因而具有良好的實用性。

2.3 控制子節點

控制子節點主要由MCU模塊、電源模塊、RFID身份識別模塊，語音模塊、CAN電平轉換模塊、開關量模塊和繼電器模塊組成，實現用車者身份識別、語音播報、數據傳輸和鎖具開關等功能。控制子節點結構示意圖如圖2所示。

方案中RFID射頻芯片采用NXP公司MF RC522射頻芯片，其與MCU通信接口采用SPI模式。語音模塊采用WT588D系列語音單片機，該系列芯片支持MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴展輸出模式，音頻下載接口采用USB總線轉接芯片CH341，通過USB總線轉4線同步串行接口，實現從PC機語音下載。開關量模塊采用摩托羅拉公司MC1413D產品，結合繼電器實現控制鎖具的開和關。

圖2 控制子節點結構示意圖

2.4 控制節點

控制節點由MCU模塊、電源模塊、CAN總線模塊、SPI-FLASH存儲器模塊和GPRS無線通信模塊組成，主要完成與各個控制子節點數據傳輸和與后端進行無線通訊。

GPRS無線通訊模塊采用SIMCOM公司生產的SIM900A，該模塊內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協議，利用SIM900A TCP/IP傳輸功能，可以將公共自行車前端數據發送到任意一個具有公網IP地址的主機上去，從而實現遠程無線數據傳輸［7，8］。SPI-FLASH存儲器模塊采用串行閃存W25Q16，該模塊主要用于當GPRS無線網絡出現問題時緩存前端需要通過無線傳輸的數據，當GPRS無線網絡恢復正常時MCU從存儲器中讀取緩存數據，控制GPRS將數據傳輸出去，同時也儲存一些相關的配置信息。控制節點的LCD模塊，主要用來顯示當前一些信息，如溫度、時間、日期、節點號、聯系電話等。

3 系統軟件設計

3.1 μCOS II操作系統移植

根據微處理器STM32F103-RBT6完成μCOS II操作系統移植，其關鍵在于系統時鐘和中斷的處理，主要需要修改OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C三個文件。根據STM32F103-RBT6的Cortex-M3架構的棧是由高地址向低地址增長，因此在OS_CPU.H中宏定義OS_STK_GROWTH為1，表示堆棧的地址由高向低地址增長，其任務切換OSCtxSw()模式定義為OS_CRITICAL_METHOD==3第三種模式；μCOS II中OS_CPU_C.C定義中斷函數OS_CPU_SysTickHandler()，而在標準外設庫CMSIS提供的啟動文件中的stm32f10x_it.c中也定義了中斷函數SysTick_Handler()，為了避免重復將OS_CPU_SysTickHandler(void)函數注釋掉，將OS_CPU_PendSVHandler(void)函數替換為PendSV_Handler(void)。

3.2 CAN

控制節點CAN接收過濾器配置為對其下的控制子節點數據均可接收，控制子節點CAN接收過濾器配置為只對控制節點數據接收，其屏蔽信息通過對子節點地址過濾來實現，控制節點地址配置為0x0000。由于整個前端功能復雜度不高，不需要采用CAN相應的協議棧來實現，采用自定義數據傳輸格式，數據幀主要包括命令幀和錯誤幀，數據幀格式和部分功能碼如表1所示。

表1 CAN總線通信數據幀格式和部分功能碼

3.3 控制子節點

控制子節點通過讀取IC卡號和判斷自行車狀況，通過CAN總線與控制節點進行數據通信，從而實現借車、還車功能。其IC卡分為普通和管理卡，普通卡借車和還車需要先經過后端信息核實，核實通過才可借車和成功還車，管理卡則不需要經過后端信息核實即可成功操作，控制子節點借車和還車流程如圖3所示。

圖3 控制子節點借車和還車流程圖

3.4 GPRS程序編寫

實現GPRS TCP/IP無線傳輸功能的程序主要包括SIM900A模塊初始化、AT命令配置、數據發送和接收。調用GPRS_Init()函數完成初始化，其開啟通過把PWRKEY信號拉低一段時間然后釋放來完成的，無線數據的傳輸是通過MCU的USART向SIM900A發送AT配置命令來實現的，其AT命令配置如下所示。

"AT "

"AT+CREG=1"

"AT+CGCLASS="B" "

"AT+CGDCONT=1，"IP"，"CMNET" "

"AT+CGATT=1 "

"AT+CIPSTART="TCP"，"IP號"，"端口號" "

"AT+CIPSEND "

"發送的內容"

‘ '

0x1a

5 結語

綜上所述，基于CAN總線與GPRS/GSM的智能公共自行車系統前端是利用CAN總線控制和日益完善的全球移動通信網絡以及ARM控制技術的一種全新智能公共自行車系統前端。實現了智能公共自行車系統前端的硬件及軟件設計，通過RFID讀取IC卡號，判斷控制子端自行車狀態，利用CAN總線將數據幀傳輸到控制節點，控制節點利用GPRS TCP/IP將數據幀傳輸到后端，控制節點通過GPRS接收后端的數據，提取控制子節點的地址，利用CAN總線將數據幀發送到控制子節點，控制字節點提取數據幀中的功能碼，完成相應的功能控制，從而實現智能化，具有很好的推廣和使用價值。

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