基于ZigBee無線通信的汽車反射式HUD設計研究

盧亞軍，黃艷虎，熊慶捷

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

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基于ZigBee無線通信的汽車反射式HUD設計研究

盧亞軍，黃艷虎，熊慶捷

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

汽車作為現代交通工具日益普及，其安全性受到關注。汽車駕駛員駕駛汽車高速行駛時，時常會低頭觀察儀表盤的情況，這極有可能導致交通事故。針對此安全隱患，提出了一種基于ZigBee無線通信的平視顯示器(Head Up Display，HUD)技術平臺的解決方案。該方案由STM32主控模塊、RFID模塊、紅外檢測模塊、藍牙模塊以及超聲波模塊組成。基于ZigBee網絡的HUD系統，實現汽車之間的相互通信，同時將汽車周圍的相關信息經過手機反射到擋風玻璃上，從而避免駕駛員低頭看儀表盤，提升駕車安全性，具有較大市場潛力。

HUD；平視顯示；ZigBee

隨著汽車的普及，汽車安全可靠性是人們關注的重要問題。車輛在高速行駛時，特別是在夜間行駛的時候，如果駕駛員在觀察儀表盤上的信息，容易分散注意力。另外，也由于駕駛員無法準確地獲取周圍和前方道路、附近車輛的信息，而導致災難性的交通事故發生。

平視顯示器(Head Up Display)是普遍運用在飛機上的飛行輔助儀器。最早出現在軍用飛機上，減少飛行員低頭查看儀表的次數，因為HUD能夠提高飛行駕駛安全的優良功能，民航機也開始安裝，應用于汽車上是從1988年開始的[1]。目前只有小部分高端品牌車型上安裝抬頭顯示，由于價格較高等原因，使用不太普遍。另外，近幾年來汽車平視顯示器在市場上逐漸興起，能夠將汽車的油耗、胎壓、車速等汽車基本信息投影顯示在汽車玻璃上，但是功能上仍然需要更加完善。例如，現有汽車平視顯示器沒有汽車間信息共享的通信功能。

在信息高速發展、車聯網技術日益進步的今天，汽車和公路更加智能化，車聯網通過車輛和道路之間進行有效的信息交互，實現智能交通的管理和信息服務。汽車和路邊基礎設施通信功能的完善以及針對車聯網的相關應用發展已經成為必然的趨勢[2]。因此，一款適合普通消費者、成本較低、通信功能更加完善的汽車平視顯示器具有廣泛的市場應用價值。

以車聯網技術概念作為大地基，借助于ZigBee無線通信技術和傳感器技術以獲取汽車的靜動態信息，然后實現車輛、道路、路牌信息共享。接著通過車載系統處理相應信息，用反射式HUD把圖像信息呈現在駕駛員前方。這樣的平視技術不僅可以達到使駕駛員避免視線離開前方的效果，還能針對附近車輛以及道路的情況適時地調整駕駛。

1　總設計思路

以嵌入式平臺為基礎，實現車載信息的正確顯示。構建一種基于ZigBee的通信網絡，結合汽車平視技術特點，獲取運行中汽車周邊環境及交通信息將相關信息反射到擋風玻璃面前，為駕駛員輕易獲取各類信息提供條件。

圖1為本次設計系統的最終設計方案，該方案由CORTEX-M3內核的32位芯片STM32F103RBT6主控模塊、RFID模塊、紅外檢測模塊、藍牙模塊以及超聲波模塊組成。利用RFID模塊、紅外檢測模塊、超聲波模塊傳感器采集周圍道路的各類信息，STM32與ZigBee串口連接，通過ZigBee將采集的信息傳輸到STM32中，STM32將采集的信息以及ZigBee發送過來的信息進行相應的處理，然后通過藍牙串口無線發送到手機端APP中，以反射的方式把各類信息顯示在擋風玻璃上，實現抬頭顯示效果。另外一方面，獲得的數據經過MCU整理成固定的格式，通過ZigBee無線網絡傳輸給周圍車輛，實現車輛信息的共享。

圖1　系統總設計示意圖

2　硬件設計

本系統是以STM32為主控模塊、RFID檢測模塊、超聲波測距、紅外識別模塊、藍牙模塊、液晶顯示模塊以及ZigBee網絡來構建的整個系統平臺，對每個模塊進行獨立的測試，并進行模塊間的通信測試，得出的結論是：模塊良好，能夠搭建系統。

STM32為主控模塊模塊使用的是ALIENK MiniSTM32開發板，其由STM32F103RBT6作為核心，搭載可供學習的外圍模塊，其具有豐富的外設功能。RFID模塊采用DMS-301模塊，可以識別50 m之內的電子標簽，能夠識別高速移動的電子標簽，配套使用的電子識別標簽為DST-80。采用HC05藍牙模塊，它是主從一體的高性能藍牙串口模塊，支持非常寬的波特率范圍4 800～1 382 400 Bd，并且模塊兼容5 V或3.3 V單片機系統。超聲波模塊選用US-100超聲波傳感器，是一個5針的傳感器，支持GPIO和串口雙模式。通過Trig腳輸出一個大于10 μs的高電平，模塊便會發送8個超聲波脈沖，然后檢測回波，再根據相關公式進行計算，便可得出所測量的距離。

STM32外圍電路使用的是ALIENTEK MiniSTM32的開發板，其選用的STM32F103RBT6作為MCU，其最小系統主要是由電源穩壓、晶振、復位、LED指示、擴展引腳電路等組成。ZigBee底板的電路圖，主要是由電源電路、指示燈和核心板插座構成。整個系統的通信著重于串口通信(USART)，系統使用STM32F103RBT6的3個串口。串口1與ZigBee進行連接，串口2與藍牙模塊進行連接，串口3與RFID進行連接。因此串口通信在整個系統中占有不可或缺的重要地位。

3　軟件設計

軟件設計在系統設計中占據著重要的地位，系統整體軟件設計流程圖如圖2所示。系統開始將STM32所需要用到的外設都初始化。如系統時鐘初始化、串口初始化、按鍵初始化、LCD初始化等。外設初始化結束后便可進行系統數據的采集，數據采集方式使用中斷的形式，每次數據傳輸進入STM32，串口中斷會被觸發，然后串口中斷服務函數對數據進行處理，處理后的數據在經串口1和串口2分別傳輸給ZigBee和藍牙串口模塊，并將數據顯示在LCD上。

軟件設計分為以下6個方面，系統網絡搭建、RFID數據獲取、藍牙數據傳輸、人體紅外傳感、超聲波測距和HUD界面設計。

系統網絡搭建需要完成ZigBee模塊的CC2530核心板中程序的燒寫，對ZigBee串口進行配置，使其發送信息，并使STM32串口1能夠接收信息。確保ZigBee所建立的網絡能夠正常通信、ZigBee與STM32能夠正常通信。

RFID模塊使用的是DSM-301模塊，模塊設置的波特率為9 600 Bd，采用TTL232接口。因此只需與MCU接4根線就可通信。數據是單向傳輸的，主要是STM32接收RFID識別的卡片數據。STM一串數據接收完畢，緊接著就跳入數據處理函數，將數據顯示在LCD上。

系統通過藍牙與手機連接，從而讓手機實現HUD的重要模塊。通過物理串口線與STM32相連，數據經2.4G無線鏈路傳輸給手機。

紅外模塊功能主要是通過IO管腳高低電平的變化狀態來判斷車輛視線盲區是否有人。傳感器模塊的輸出端接STM32的PA.14腳，對PA.14先置低電平，然后配置為輸入模式。當傳感器模塊的輸出端輸出高電平時，通過判斷PA.14是否為高電平，如果是高電平，把HUD界面上的灰色的人變成紫色來提醒駕駛員。

為實現超聲波測距，STM32通過PA.7輸出1個大于10 μs的高電平，從而觸發超聲波發射。在回波檢測通過PA.6用定時器3通道1的輸入捕獲，從而確定高電平的事件。在根據公式L=340(m/s)×T/2得出靜態的距離。

本系統的HUD軟件是基于Android編寫的，使用的開發平臺是Eclipse。通過手機藍牙，將STM32中數據傳輸到手機上，通過手機屏幕完成HUD界面顯示。目前APP的功能還是比較少的，只是起到一個可視性的效果。

4　調試與測試

完成硬件設計和軟件設計之后，首先對系統各個模塊進行調試，能夠實現預期的幾項功能，然后對系統整體進行調試。

系統網絡搭建的調試思想是：先確保ZigBee所建立的網絡能夠正常通信，然后確保ZigBee與STM32能夠正常通信，最后進行整體系統的連接。因此，首先測試PC1到ZigBee終端1，在經ZigBee網絡到ZigBee協調器端發送數據到PC2，PC2便能收到并顯示對應的數據。反過來，PC2向PC1發送數據的時候也可在PC1上顯示相應的數據了。就這樣設置PC1和PC2可以像現在的網絡交互軟件一樣進行聊天了。第一步ZigBee網絡通信正常。

第二步確保STM32與ZigBee通信的正常，首先用STM32按鍵1控制STM32發送幾個字符給ZigBee，ZigBee對字符進行判斷，接收的數據正確后，模塊對外設LED進行點亮，并發送一串數據“123456789”給STM32，STM32將其顯示在LCD上，從而證明雙方通信的可行性。

下面對系統通信距離的長短進行測試。將代表兩輛汽車的系統P1和系統P2間隔一定的距離，進行通信測試，每組進行50次數據接收和50次數據發送，測試距離實驗數據如表1所示。由此可知，系統的通信距離約為50 m，在50 m內的通信較為準確。在應用中，行駛的車輛相對距離較小，50 m的通信距離基本能夠滿足應用需求。

表1測試距離實驗數據表

序號距離/mP1發送P2接收成功率/%P2發送P1接收成功率/%110981002201001003309698440989855088926606254770241888000

對系統硬件進行整合，然后進行整體調試，系統硬件如圖4。圖4的左邊代表汽車1，右邊代表汽車2。兩者間的通信是通過ZigBee網絡進行連接，通過STM32主板處理并發送數據，數據到手機通過藍牙模塊的無線傳輸。

圖4　系統整體硬件圖

圖5a為手機上HUD實現的界面圖，右側數字表示的是當前車輛的速度，左側數字則表示附近攜帶ZigBee終端的汽車的速度，中間的儀表盤有綠色和淡紅色的指針，它可以按照當前速度轉動到相應的刻標值，從而模擬汽車車速儀表盤。儀表盤中間有個灰色的小人，其用來指示夜間行車的時候遠光燈造成的視覺盲區中是否有人，有人時灰色的人會變成紫色。儀表盤上的藍牙標記，用于指示藍牙的使用狀況。標記為藍色時，表示藍牙正常工作，標記為灰色時，表示藍牙未連接。上方藍色文字為路邊指示牌信息，路邊指示牌裝有RFID電子標簽設備，汽車經過此處時，系統能夠識別電子標簽信息，即為路邊指示牌信息。將手機放在玻璃面前面，則可以看到圖5b所示的界面。反轉后的界面，在經反射到車前的擋風玻璃上的時候，人眼就可看到正像，從而達到HUD的效果。

圖5　HUD實現圖

總之，此系統能夠組建ZigBee網絡，實現兩車之間的通信。RFID模塊正常工作，能夠識別電子標簽。紅外模塊正常工作，能夠識別是否有人，并在LCD上顯示。超聲波測距功能能夠基本實現。STM32能夠與手機之間實現藍牙通信，手機APP能夠顯示相應數據，反轉后的界面，在經反射到車前的擋風玻璃上的時候，人眼就可看到正像，從而達到HUD的效果。

另外，由于本系統是在STM32的開發板上實現的，所以目前系統看起來體積略大，在汽車上使用不夠方便。但是開發板占據了較大體積，而很多模塊在本系統中并沒有使用到。后期將開發板移除，只使用核心模塊，會大大減小系統體積。

5　總結與展望

縱觀最終結果，本汽車平視系統的設計已完成了初始的大部分要求，能夠在兩輛汽車上實現數據的共享，能夠采集到路牌信息并加以處理顯示。在數據的傳輸上，采用了ZigBee網絡，ZigBee具有成本低廉，可擴展性好等特點。HUD顯示使用手機APP來配置，使界面的可擴展性更好，只要有好的想法就可將其在軟件上實現，具有很好的可觀賞性。系統也存在著某些缺點，例如數據采集的可靠性和安全性有待提高。系統的功能可以更豐富，與汽車的相關接口連接，在HUD系統中顯示更多的信息。

人們對于汽車駕駛安全性的需求，促進了車載平視顯示技術的發展。系統功能多樣性是未來發展的趨勢，例如在系統中增加導航功能等。同時，現有功能的完善也是非常必要的，例如增加顯示的尺寸、清晰度，調節顯示的亮度，增加通信的可靠性，降低系統成本[1]。

[1]王興，秦齊.車載平視顯示技術[J]. 電光與控制，2014(1)：55-58.

[2]程剛，郭達. 車聯網現狀與發展研究[J].移動通信，2011(17)：23-26.

[3]SMITH S，FU S H．The relationships between automobile head-up display presentation images and drivers′ kansei [J].Displays，2011，32(2)：58-68．

[4]曹增辰，戴磊. HUD技術的汽車應用以及國內外發展情況[J].中國建材科技，2010(S2)：16-18.

[5]楊秀芝.平視顯示器的設計[J].福州大學學報(自然科學版)，2000(4)：29-32.

[6]ZigBee技術實踐教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[7]勾慧蘭，劉光超. 基于STM32的最小系統及串口通信的實現[J].工業控制計算機，2012(9)：26-28.

[8]楊莉.基于Android的移動學習平臺的設計[J].計算機光盤軟件與應用，2014(6)：79-80.

盧亞軍(1991— )，女，碩士生，研究方向為計算機控制與應用、無線定位技術；

黃艷虎(1991— )，碩士生，研究方向為通信網絡，室內可見光定位技術；

熊慶捷(1991— )，本科，擅長通信網絡、計算機軟件編程方面的研究。

責任編輯：許盈

Design of vehicle reflective HUD application based on short-distance wireless communication

LU Yajun, HUANG Yanhu, XIONG Qingjie

(SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicandTechnology,GuangxiGuilin541004,China)

As the vehicle is becoming more and more popular, whose security is also concerned. When the driver is driving at high speed, often down to observe the situation dashboard, which is likely to cause a traffic accident. In view of the safety problems, a kind of HUD level technology platform based on ZigBee wireless communication is put forward. The program consists of CORTEX-M3 core chip 32 STM32F103RBT6 control module, RFID module, infrared detection module, Bluetooth module and an ultrasound module. With the help of the HUD system based on ZigBee network, the vehicles can communicate each other, and at the same time the vehicle-related information can be reflected on the windshield through the phone, so as to avoid the driver’s looking down at the instrument panel and enhance driving safety. The system can be expanded to drive further networking mode, with considerable market potential.

HUD; head-up display; ZigBee

TP368.2

ADOI：10.16280/j.videoe.2016.07.013

廣西高校科學技術研究項目(KY2015ZD042)；桂林電子科技大學研究生教育創新計劃資助項目(YJCXS201520)；國家大學生創新創業訓練計劃資助項目(201410595010)

2015-10-29

文獻引用格式：盧亞軍，黃艷虎，熊慶捷. 基于ZigBee無線通信的汽車反射式HUD設計研究[J].電視技術，2016，40(7)：56-59.

LU Y J，HUANG Y H，XIONG Q J. Design of vehicle reflective HUD application based on short-distance wireless communication[J].Video engineering，2016，40(7)：56-59.