基于ZigBee無線通信的汽車反射式HUD設(shè)計(jì)研究

盧亞軍，黃艷虎，熊慶捷

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)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(shè)計(jì)研究

盧亞軍，黃艷虎，熊慶捷

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

汽車作為現(xiàn)代交通工具日益普及，其安全性受到關(guān)注。汽車駕駛員駕駛汽車高速行駛時(shí)，時(shí)常會低頭觀察儀表盤的情況，這極有可能導(dǎo)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(shù)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(lán)牙模塊以及超聲波模塊組成?；赯igBee網(wǎng)絡(luò)的HUD系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車之間的相互通信，同時(shí)將汽車周圍的相關(guān)信息經(jīng)過手機(jī)反射到擋風(fēng)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(guān)注的重要問題。車輛在高速行駛時(shí)，特別是在夜間行駛的時(shí)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(zhǔn)確地獲取周圍和前方道路、附近車輛的信息，而導(dǎo)致災(zāi)難性的交通事故發(fā)生。

平視顯示器(Head Up Display)是普遍運(yùn)用在飛機(jī)上的飛行輔助儀器。最早出現(xiàn)在軍用飛機(jī)上，減少飛行員低頭查看儀表的次數(shù)，因?yàn)镠UD能夠提高飛行駕駛安全的優(yōu)良功能，民航機(jī)也開始安裝，應(yīng)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(jià)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?qū)⑵嚨挠秃?、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(xiàn)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(fā)展、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益進(jìn)步的今天，汽車和公路更加智能化，車聯(lián)網(wǎng)通過車輛和道路之間進(jìn)行有效的信息交互，實(shí)現(xiàn)智能交通的管理和信息服務(wù)。汽車和路邊基礎(chǔ)設(shè)施通信功能的完善以及針對車聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)成為必然的趨勢[2]。因此，一款適合普通消費(fèi)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(yīng)用價(jià)值。

以車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念作為大地基，借助于ZigBee無線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)以獲取汽車的靜動態(tài)信息，然后實(shí)現(xiàn)車輛、道路、路牌信息共享。接著通過車載系統(tǒng)處理相應(yīng)信息，用反射式HUD把圖像信息呈現(xiàn)在駕駛員前方。這樣的平視技術(shù)不僅可以達(dá)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(shí)地調(diào)整駕駛。

1　總設(shè)計(jì)思路

以嵌入式平臺為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)車載信息的正確顯示。構(gòu)建一種基于ZigBee的通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合汽車平視技術(shù)特點(diǎn)，獲取運(yùn)行中汽車周邊環(huán)境及交通信息將相關(guān)信息反射到擋風(fēng)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(shè)計(jì)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)方案，該方案由CORTEX-M3內(nèi)核的32位芯片STM32F103RBT6主控模塊、RFID模塊、紅外檢測模塊、藍(lán)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?shù)絊TM32中，STM32將采集的信息以及ZigBee發(fā)送過來的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后通過藍(lán)牙串口無線發(fā)送到手機(jī)端APP中，以反射的方式把各類信息顯示在擋風(fēng)玻璃上，實(shí)現(xiàn)抬頭顯示效果。另外一方面，獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU整理成固定的格式，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給周圍車輛，實(shí)現(xiàn)車輛信息的共享。

圖1　系統(tǒng)總設(shè)計(jì)示意圖

2　硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(lán)牙模塊、液晶顯示模塊以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建的整個(gè)系統(tǒng)平臺，對每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的測試，并進(jìn)行模塊間的通信測試，得出的結(jié)論是：模塊良好，能夠搭建系統(tǒng)。

STM32為主控模塊模塊使用的是ALIENK MiniSTM32開發(fā)板，其由STM32F103RBT6作為核心，搭載可供學(xué)習(xí)的外圍模塊，其具有豐富的外設(shè)功能。RFID模塊采用DMS-301模塊，可以識別50 m之內(nèi)的電子標(biāo)簽，能夠識別高速移動的電子標(biāo)簽，配套使用的電子識別標(biāo)簽為DST-80。采用HC05藍(lán)牙模塊，它是主從一體的高性能藍(lán)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(jī)系統(tǒng)。超聲波模塊選用US-100超聲波傳感器，是一個(gè)5針的傳感器，支持GPIO和串口雙模式。通過Trig腳輸出一個(gè)大于10 μs的高電平，模塊便會發(fā)送8個(gè)超聲波脈沖，然后檢測回波，再根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)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(fā)板，其選用的STM32F103RBT6作為MCU，其最小系統(tǒng)主要是由電源穩(wěn)壓、晶振、復(fù)位、LED指示、擴(kuò)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(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)的通信著重于串口通信(USART)，系統(tǒng)使用STM32F103RBT6的3個(gè)串口。串口1與ZigBee進(jìn)行連接，串口2與藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接，串口3與RFID進(jìn)行連接。因此串口通信在整個(gè)系統(tǒng)中占有不可或缺的重要地位。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要的地位，系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。系統(tǒng)開始將STM32所需要用到的外設(shè)都初始化。如系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、串口初始化、按鍵初始化、LCD初始化等。外設(shè)初始化結(jié)束后便可進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集方式使用中斷的形式，每次數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入STM32，串口中斷會被觸發(fā)，然后串口中斷服務(wù)函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)在經(jīng)串口1和串口2分別傳輸給ZigBee和藍(lán)牙串口模塊，并將數(shù)據(jù)顯示在LCD上。

軟件設(shè)計(jì)分為以下6個(gè)方面，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建、RFID數(shù)據(jù)獲取、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸、人體紅外傳感、超聲波測距和HUD界面設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行配置，使其發(fā)送信息，并使STM32串口1能夠接收信息。確保ZigBee所建立的網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shù)據(jù)是單向傳輸?shù)?，主要是STM32接收RFID識別的卡片數(shù)據(jù)。STM一串?dāng)?shù)據(jù)接收完畢，緊接著就跳入數(shù)據(jù)處理函數(shù)，將數(shù)據(jù)顯示在LCD上。

系統(tǒng)通過藍(lán)牙與手機(jī)連接，從而讓手機(jī)實(shí)現(xiàn)HUD的重要模塊。通過物理串口線與STM32相連，數(shù)據(jù)經(jīng)2.4G無線鏈路傳輸給手機(jī)。

紅外模塊功能主要是通過IO管腳高低電平的變化狀態(tài)來判斷車輛視線盲區(qū)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(dāng)傳感器模塊的輸出端輸出高電平時(shí)，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(shí)現(xiàn)超聲波測距，STM32通過PA.7輸出1個(gè)大于10 μs的高電平，從而觸發(fā)超聲波發(fā)射。在回波檢測通過PA.6用定時(shí)器3通道1的輸入捕獲，從而確定高電平的事件。在根據(jù)公式L=340(m/s)×T/2得出靜態(tài)的距離。

本系統(tǒng)的HUD軟件是基于Android編寫的，使用的開發(fā)平臺是Eclipse。通過手機(jī)藍(lán)牙，將STM32中數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，通過手機(jī)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(gè)可視性的效果。

4　調(diào)試與測試

完成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)之后，首先對系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的幾項(xiàng)功能，然后對系統(tǒng)整體進(jìn)行調(diào)試。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建的調(diào)試思想是：先確保ZigBee所建立的網(wǎng)絡(luò)能夠正常通信，然后確保ZigBee與STM32能夠正常通信，最后進(jìn)行整體系統(tǒng)的連接。因此，首先測試PC1到ZigBee終端1，在經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)到ZigBee協(xié)調(diào)器端發(fā)送數(shù)據(jù)到PC2，PC2便能收到并顯示對應(yīng)的數(shù)據(jù)。反過來，PC2向PC1發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候也可在PC1上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)了。就這樣設(shè)置PC1和PC2可以像現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)交互軟件一樣進(jìn)行聊天了。第一步ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(fā)送幾個(gè)字符給ZigBee，ZigBee對字符進(jìn)行判斷，接收的數(shù)據(jù)正確后，模塊對外設(shè)LED進(jìn)行點(diǎn)亮，并發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)“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(tǒng)通信距離的長短進(jìn)行測試。將代表兩輛汽車的系統(tǒng)P1和系統(tǒng)P2間隔一定的距離，進(jìn)行通信測試，每組進(jìn)行50次數(shù)據(jù)接收和50次數(shù)據(jù)發(fā)送，測試距離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由此可知，系統(tǒng)的通信距離約為50 m，在50 m內(nèi)的通信較為準(zhǔn)確。在應(yīng)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(yīng)用需求。

表1測試距離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

序號距離/mP1發(fā)送P2接收成功率/%P2發(fā)送P1接收成功率/%110981002201001003309698440989855088926606254770241888000

對系統(tǒng)硬件進(jìn)行整合，然后進(jìn)行整體調(diào)試，系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，通過STM32主板處理并發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)到手機(jī)通過藍(lán)牙模塊的無線傳輸。

圖4　系統(tǒng)整體硬件圖

圖5a為手機(jī)上HUD實(shí)現(xiàn)的界面圖，右側(cè)數(shù)字表示的是當(dāng)前車輛的速度，左側(cè)數(shù)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(dāng)前速度轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的刻標(biāo)值，從而模擬汽車車速儀表盤。儀表盤中間有個(gè)灰色的小人，其用來指示夜間行車的時(shí)候遠(yuǎn)光燈造成的視覺盲區(qū)中是否有人，有人時(shí)灰色的人會變成紫色。儀表盤上的藍(lán)牙標(biāo)記，用于指示藍(lán)牙的使用狀況。標(biāo)記為藍(lán)色時(shí)，表示藍(lán)牙正常工作，標(biāo)記為灰色時(shí)，表示藍(lán)牙未連接。上方藍(lán)色文字為路邊指示牌信息，路邊指示牌裝有RFID電子標(biāo)簽設(shè)備，汽車經(jīng)過此處時(shí)，系統(tǒng)能夠識別電子標(biāo)簽信息，即為路邊指示牌信息。將手機(jī)放在玻璃面前面，則可以看到圖5b所示的界面。反轉(zhuǎn)后的界面，在經(jīng)反射到車前的擋風(fēng)玻璃上的時(shí)候，人眼就可看到正像，從而達(dá)到HUD的效果。

圖5　HUD實(shí)現(xiàn)圖

總之，此系統(tǒng)能夠組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩車之間的通信。RFID模塊正常工作，能夠識別電子標(biāo)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(shí)現(xiàn)。STM32能夠與手機(jī)之間實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信，手機(jī)APP能夠顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)，反轉(zhuǎn)后的界面，在經(jīng)反射到車前的擋風(fēng)玻璃上的時(shí)候，人眼就可看到正像，從而達(dá)到HUD的效果。

另外，由于本系統(tǒng)是在STM32的開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的，所以目前系統(tǒng)看起來體積略大，在汽車上使用不夠方便。但是開發(fā)板占據(jù)了較大體積，而很多模塊在本系統(tǒng)中并沒有使用到。后期將開發(fā)板移除，只使用核心模塊，會大大減小系統(tǒng)體積。

5　總結(jié)與展望

縱觀最終結(jié)果，本汽車平視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已完成了初始的大部分要求，能夠在兩輛汽車上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，能夠采集到路牌信息并加以處理顯示。在數(shù)據(jù)的傳輸上，采用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)，ZigBee具有成本低廉，可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。HUD顯示使用手機(jī)APP來配置，使界面的可擴(kuò)展性更好，只要有好的想法就可將其在軟件上實(shí)現(xiàn)，具有很好的可觀賞性。系統(tǒng)也存在著某些缺點(diǎn)，例如數(shù)據(jù)采集的可靠性和安全性有待提高。系統(tǒng)的功能可以更豐富，與汽車的相關(guān)接口連接，在HUD系統(tǒng)中顯示更多的信息。

人們對于汽車駕駛安全性的需求，促進(jìn)了車載平視顯示技術(shù)的發(fā)展。系統(tǒng)功能多樣性是未來發(fā)展的趨勢，例如在系統(tǒng)中增加導(dǎo)航功能等。同時(shí)，現(xiàn)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(diào)節(jié)顯示的亮度，增加通信的可靠性，降低系統(tǒng)成本[1]。

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盧亞軍(1991— )，女，碩士生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制與應(yīng)用、無線定位技術(shù)；

黃艷虎(1991— )，碩士生，研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，室內(nèi)可見光定位技術(shù)；

熊慶捷(1991— )，本科，擅長通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)軟件編程方面的研究。

責(zé)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?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KY2015ZD042)；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(YJCXS201520)；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201410595010)

2015-10-29

文獻(xiàn)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(shè)計(jì)研究[J].電視技術(shù)，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.