基于CC2533的ZigBee技術智能小船測深防碰撞系統的設計

李俊楠　莫偉健　萬智萍

摘 要：為減少船撞擊事故的發生，提高野外水域工作的方便性，在ARM CortexTMM4開發平臺的基礎上，設計以無線自組通訊網作為數據傳遞的測深防碰撞系統。本系統是以ARM CortexTMM4芯片作為處理器，ZigBee無線通訊技術、GPS_RTK高精度定位技術和超聲波測量技術作為拓展功能，最終搭建而成并實現測深、定位和防碰撞。測試結果表明，系統是擁有較強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。

關鍵詞：ARM CortexTM-M4；GPS_RTK； ZigBee；超聲波；拓展性

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：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

隨著社會經濟的發展，人們安全意識的不斷提高，無線網絡技術快速地變更，ZigBee技術應用領域也變得相當的廣泛，信息的傳輸從有線逐漸步入無線傳感網絡傳輸，趨向于信息智能化傳輸。結合當今社會多次出現的貨船碰撞、相撞事件，而且船舶碰撞是導致海洋石油平臺結構損壞的突出風險因素，為減少事故的發生，利用了目前比較先進的技術對船的各個角度進行實時的監測，降低事故的發生[1]。為保證船只的安全，防止船只在濃霧天氣發生碰撞，利用超聲波測量技術測量船只與障礙物的相差距離進行監測。針對船只受到了一定程度的碰撞，激發船只的報警系統，并通過ZigBee無線網絡技術傳輸求救信號到安全中心。本設計在船只航運、航海旅行和勘探方面都具有一定的實用意義。

2 系統的總體設計

本系統主要由ARM CortexTM-M4嵌入式平臺數據處理模塊、ZigBee無線組網通訊模塊、超聲波障礙物探測防碰撞模塊、GPS定位信息模塊、數據采集模塊和用戶的便攜式計算機數據接收模塊組成。 系統功能的總體架構圖如圖1所示。

ARM CortexTM-M4嵌入式平臺數據處理模塊中用到功耗低、成本低和易于使用等優越性能的ARM CortexTM-M4芯片。Cortex-M4內核是在Cortex-M3內核的基礎上發展起來的，其性能比提高了20%[2]。ARM CortexTM-M4加入了信號處理控制功能，在處理數據和傳送數據起到不可忽視的作用，工作時， ARM CortexTM-M4主要利用它強大的數字信號控制功能、快速的數據處理功能，并對測量到的信息起到中轉站的作用。

GPS定位信息模塊，引入了誤差低、精確率高的GPS_RTK技術，RTK（ Real Time Kinematic）屬于動態測量技術，是一種載波相位差分技術，關鍵就是參考站觀測值的誤差計算和流動站觀測值的誤差消除與定位[3]。RTK定位技術主要是通過實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法， 即是將基準站采集的載波相位發給用戶接收機， 進行求差解算坐標。

計算技術與自動化2015年3月

第34卷第1期李俊楠等：基于CC2533的ZigBee技術智能小船測深防碰撞系統的設計

ZigBee無線組網通訊模塊，在數據采集與測量完成后，數據將會暫存在處理器中，我們需要把數據通過數據鏈路傳送給地面工作人員，系統運用無線組網通訊ZigBee技術。ZigBee 技術是IEEE802.15.4基礎上發展起來的，是最新的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術[4]。ZigBee技術的無線網絡傳輸模塊主要是用來實現把智能小船探測出來的信息傳送回到移動用戶端，實現整個系統的實時性數據記錄。整個數據傳輸體系結構主要由處理器模塊、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通訊網是一種網狀網，由三個部分組成：網絡協調器、路由器和終端設備[5]。系統測量出來的數據是通過ZigBee無線網絡傳輸的，在基于ZigBee2007/PRO協議棧而開發的ZStack協議棧中，當應用程序需要發送數據時，通過APS數據實體發送數據請求到APS，在每一層中加上適當的幀頭，組成幀信息，然后發送出去，傳送到移動用戶端?？紤]到無線網絡傳輸的質量和傳輸數據的安全性，系統中引入了在應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協議棧而開發的ZStack協議棧。

在配置網絡方面，ZigBee網絡拓撲結構總共有三種情況：星型網絡拓撲、網狀網絡拓撲和簇狀網絡拓撲[6]。具體的ZigBee組網拓撲如圖2所示。

為了降低船受到碰撞造成的損失，系統還引入了超聲波障礙物探測防碰撞模塊，當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經過A/D轉換成數字信號，激響蜂鳴器，從而達到了報警的目的。

用戶的便攜式數據接收模塊主要是考慮到在野外工作的方便，以及能夠獲得實時的數據，用戶可以用筆記本電腦安裝系統的觀測軟件，就可以方便地了解到小船的實時數據。

整個系統運用了模塊化的形式組建而成，降低了系統平臺的構建難度以及部分模塊的損壞造成對整個系統損壞的威脅，而且優化了整個系統的性能，總體上達到了低成本、低功耗、低復雜度和高操作性能。

3 系統硬件設計

系統硬件設計部分主要包括ARM CortexTM-M4嵌入式平臺、GPS定位模塊、ZigBee數據傳送模塊、超聲波模塊、音頻模塊和電源模塊6個部分。系統硬件設計部分的架構如圖3所示。ARM CortexTM-M4嵌入式平臺數據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擴展有單周期乘法累加 （MAC） 指令、優化的 SIMD 運算、飽和運算指令、單精度浮點單元 （FPU）和信號控制功能。平臺留出其他的接口，為了方便系統擴展其他的功能。

GPS定位模塊用到了擁有USB接口的GPS定位器，通過串口轉USB口線把GPS定位器與ARM CortexTM-M4嵌入式平臺相連，GPS定位數據通過USB接口傳到處理器，經由處理器通過ZigBee發送器輸送到接收端。

ZigBee數據傳輸模塊主要是用到了由CC2533芯片作為主控芯片的ZigBee節點設備，在小船上裝的節點作為發送端，經過多次的節點轉發，傳送到長距離的用戶端的接收節點。

超聲波模塊主要用到了超聲波收發傳感器、RS232串口、MAX232核心芯片。通過利用RS232串轉TTL模塊把超聲波收發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信息的發出，用到了擁有5 通道DMA、23 個 GPIO、2 個 USART、SPI、I2C 以及 4 個計時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、反向驅動的ULN2003驅動芯片和KH-4025，頻率為50KHz，信噪比為50db的蜂鳴器，當系統遇到碰撞威脅的時候，微控制器會會向音頻模塊發出一個電平，激發蜂鳴器達到報警的目的。

4 系統軟件設計

本系統軟件設計包括3個部分，分別是數字信號控制的開發、基于ZigBee網絡的數據傳輸階段的開發和定位的數據處理的優化。

4.1 數字信號控制與優化

按照系統對信號控制的要求，用ARM CortexTM-M4微控制器作為數字信號控制和處理的處理芯片，數字信號控制與優化主要是通過對芯片進行擴展，并且利用比較優化的算法進行處理，通過濾波算法把信號進行進一步的濾波優化，使得信號更加地光滑、準確，從而減少測量的誤差。

本系統中在數字信號處理部分運用了卷積算法對信號進行處理，讓復雜的信號簡單化，提高了芯片的運行速度和工作效率。

卷積運算在cortex-m4上的程序實現[7-8]，程序流程框圖4所示：

4.2 基于ZigBee2007/PRO協議的數據傳輸部分的開發

數據傳輸部分的開發主要是Z-Stack協議棧。目前比較規范的兩種協議有“ZigBee”和“ZigBee2007/PRO”[9]。本系統主要是利用了ZigBee2007/PRO較高的安全特性， Z-Stack協議棧就是基于ZigBee2007/PRO協議進行開發的，包括協調器節點、路由器節點程序和需要執行的各種功能的程序的開發。在數據傳輸模塊中，協調器節點主要是負責網絡的構建和網絡數據的中轉，路由器節點負責數據的接收。

ZigBee網絡協調器發送數據部分的程序流程框圖和Zigbee網絡路由器終端接收數據部分的程序流程框圖如圖5所示：

4.3 基于GPS_RTK定位技術的數據處理的優化

GPS_RTK定位技術主要包括數據的處理和數據的傳輸，本系統主要捉住了對這兩方面的技術在原來的基礎上引入了適當的優化算法，提高數據的處理效率和數據傳輸的準確性。GPS接收機根據載波頻率分成了單頻接收機和雙頻接收機，本系統中GPS接收機采用雙頻接收機，雙頻接收機可以同時接收L1、L2兩種載波的信號，GPS的L1頻率上調制有C/A碼和P（Y）碼，L2頻率上調制有P（Y）碼和L2C碼[10]。對于GPS定位電離層誤差是固有的，單頻接收機消除不了這個誤差，雙頻接收機可以結合L1、L2兩種頻率的衛星觀測信息建立模型消除電離層誤差，也可以升級RTK功能，使測量更加準確。

5 系統監測軟件及界面的設計

系統監測軟件主要由定位坐標、碰撞警告、測量環境和信息報表四個部分組成。定位坐標就是對小船目前所在位置進行定位，通過無線傳送到監測軟件上，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。碰撞警告是當小船收到了碰撞的威脅之際，發出警告信息，并且示意出還有多長距離就會碰上障礙物，起到警告的作用。測量環境就是把小船在當時所在的地點的實際水深、小船陷水深度測量出來，并送到客戶端軟件。信息報表就是把所有需要測量的數據信息匯總起來，可以對以前的記錄數據進行搜索。系統監測的軟件界面如圖7所示。

6 系統測試

系統經過搭建之后，并對系統進行一定的測試。在一個面積有50M2的湖里，用戶接收端就安排在附近的一個亭子里，把ZigBee子節點設備安裝在湖的四周圍，并引向接收端，移動點通過RS232接口與cortex—M4連接用來發送測量的數據通過節點的轉發送到用戶端。

經過測試，在測試環境里面，系統的ZigBee設備能夠自動搜索到其他節點，通過手動連接，并且能夠獲得比較準確的測量數據。

在防碰撞警報測量測試中，小船離障礙物有6M（船頭離障礙物的距離）的地方為記錄點A，報警周期為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個點。測量距離、實際距離與相對誤差數值如表1所示。表中測量結果說明本系統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 語

本系統用到了精確度較高的GPS_RTK定位技術做為小船的定位、低功耗和低復雜度的ZigBee無線通訊網絡用來對測量到的數據進行傳輸，超聲波技術用來測量距離的長度并和蜂鳴器進行結合達到報警的目的。經過測試，系統的各項功能基本得以實現，并對擴展的功能預留出擴展的接口以作為功能擴展作用，本系統可以用在戶外作業，對水域的探測與安全防御有一定的幫助。

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