基于STM32的船舶防撞預警系統設計

葉磊 韓金霞

【摘? 要】為保障船舶航行安全，降低中小型船舶間碰撞事故的發生率，論文基于STM32和激光模塊設計了一套船舶防撞預警系統。本系統通過激光模塊進行船舶間航行距離的檢測，實現航行預警功能，具有成本低、體積小、安裝方便等優勢。

【Abstract】In order to ensure the safety of ship navigation and reduce the occurrence probability of collision between small and medium-sized ships， the paper designs a set of ship collision avoidance early-warning system based on STM32 and laser module. The system can detect the sailing distance between ships by laser module and realize the navigation early-warning function. It has the advantages of low cost， small size and convenient installation.

【關鍵詞】STM32;激光;防撞;預警

【Keywords】STM32; laser; collision avoidance; early-warning

【中圖分類號】TP399? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）06-0194-03

1 引言

傳統的航行避碰主要依靠工作人員的瞭望，并通知值班駕駛員，由駕駛員根據航行經驗進行分析判斷后采取避讓措施，這要求船舶操作人員具有較強的專業能力和極高的綜合素質。隨著航運事業的發展，船舶數量逐漸增多，專業化工作人員明顯供不應求，船舶避碰系統的需求與日俱增[1]。雖然目前國內外都已經具有比較完善的避碰檢測系統，但是這些系統對于中小型船舶，尤其是漁船來說經濟成本太高，無法得到廣泛的應用。因此，開發更加經濟實用、性價比高的防撞預警系統意義重大。

基于以上情況，本文設計了一套成本低、體積小、安裝方便的船舶防撞預警系統，為中小型船舶特別是漁船保駕護航。

2 系統總體方案設計

船舶防撞預警系統主要由STM32F103C8T6單片機、電源、TFmini Plus激光模塊、舵機、LCD1602、聲光報警、按鍵組成，系統總體框圖如圖1所示。

該系統采用ST公司的STM32F103C8T6單片機作為核心芯片，單片機通過UART與激光模塊進行數據通信。激光模塊每隔一定時間進行一次檢測，并將檢測到的數據發送到單片機，單片機對接收的數據進行分析處理，如果檢測到有船只駛入預先設置的安全距離時，系統會進行聲光報警，以便使工作人員提前采取有效措施，避開事故易發區域。同時，系統會通過LCD1602進行報警信息的顯示（主要包括對方來船的速度、方位和當前距離），并將有效信息進行存儲，為以后船舶航行提供數據基礎。

為了增大測量范圍，本設計將激光模塊安裝在舵機上，通過舵機水平方向的轉動，帶動激光模塊進行水平方向0～180°范圍的測量，以提高系統測量的準確度。

3 系統硬件設計

3.1 主控芯片STM32F103C8T6

本設計的核心控制芯片采用ST公司的STM32F103系列單片機[2]，其是意法半導體在MCU領域推出的非常經典的芯片系列，有著強大的功能和豐富的內部資源，系統通過STM32F103C8T6單片機完成對舵機和激光模塊的控制、數據的處理以及數據的顯示。

主控芯片STM32F103C8T6電路設計如圖2所示。

由圖2可知，STM32F103C8T6單片機[3]的30和31管腳使用的是串口功能，通過串口與激光模塊進行通信。系統的顯示單元采用的是LCD1602，STM32F103C8T6單片機的LCD_DB0-LCD_DB7與LCD1602的8位數據口相連接，LCD_RS、LCD_RW、LCD_E與LCD1602的控制管腳相連，實現對LCD1602的讀寫和使能。單片機的LED_R、LED_G、LED_Y分別是紅、綠、黃三色燈的控制管腳。

3.2 TFmini Plus激光模塊

本設計采用北醒光子科技有限公司的TFmini Plus激光模塊作為數據采集模塊，進行船舶間行駛距離的檢測。其是一款小型化、單點測距的產品，基于TOF（飛行時間）原理，配合獨特的光學、電學、算法設計，主要實現穩定、精準、高敏度和高速的距離測量功能。該模塊具有IP65等級防護，測距精度高，對于室外強光、不同溫度、不同放射率等不同環境下適應性更強，功耗也比較低。

TFmini Plus模塊啟動后會周期性地向外發出近紅外光調制波，調制波遇物體后反射，通過測量調制波往返相位差，得到飛行時間，再計算出產品與被測目標之間的相對距離[4]。

TFmini Plus模塊公用四個管腳，分別是+5V、GND、RXD/SCL、TXD/SDA。STM32F103C8T6和TFmini Plus模塊之間支持UART和I2C兩種通信方式，本文采用UART的方式進行通信。電路原理如圖3所示。

4 系統軟件設計

4.1 系統軟件設計

該系統的軟件設計主要包括系統初始化、參數設置、舵機控制、安全距離檢測、數據處理、聲光報警以及數據顯示七個部分。

系統上電后，首先進行系統的初始化，完成系統時鐘和GPIO口配置，同時，設置好安全距離，然后啟動定時器，每隔10s進行一次完整的數據采集。數據采集的處理過程如下：

TM32F103C8T6控制舵機在一個初始位置，然后啟動激光模塊進行數據測量，STM32F103C8T6對TFmini Plus采集的數據進行分析處理。如果超過預先設置的安全距離，啟動蜂鳴器進行聲音報警，三色燈開始閃爍進行燈光提示，同時，將獲取到對方來船的位置、速度和距離在LCD1602上進行顯示，并進行存儲。如果未超過預先設置的安全距離，單片機控制舵機轉動45°的位置進行再次檢測，重復第一次檢測的過程;如果舵機45°位置處尚未檢測到船只，再控制舵機轉動到90°的位置，依次類推，直至舵機回到原點時完成一次完整的數據采集。

系統的軟件流程如圖4所示。

4.2 激光模塊軟件設計

TFmini Plus有兩種數據輸出格式，即標準數據輸出格式和字符串數據格式，這兩種格式可通過指令代碼相互切換。

本文采用默認的標準串口數據輸出格式，TFmini Plus激光模塊在使用UART通信時要通過上位機軟件或串口調試助手進行相關參數的配置，模塊默認狀態下是串口通信模式，使用時只需向串口發送5A 08 06 H1 H2 H3 H4 SU（SU為checksum），設置波特率為115200即可。

激光模塊上傳的數據幀，每幀長度為9個字節，包含2字節幀頭（0x59 0x59）、2字節距離值（distance）、2字節信號強度值（strength）、2字節芯片溫度值（tempture）以及1字節數據校驗和（checksum）。數據格式為16進制（hex）。具體數據編碼[5]如表1所示。

TFmini Plus激光模塊軟件程序設計流程如圖5所示。

STM32F103C8T6單片機使能TFmini Plus激光模塊后，TFmini Plus開始進行數據測量，并當單片機收到激光模塊返回的數據后，判斷當前的測量次數，如果未達到測量次數NUM，將收到的數據插入數據接收隊列receive_queue（ushort data，uchar length），并調用數據解析函數analyz_data（ushort *data， uchar length），將距離參數解析出來存儲到數組valid_data，進行下一次數據的接收;如果當前測量次數大于等于NUM時，對valid_data數組內的數據進行分析，如果測量的距離小于預先設置的安全距離時，置位報警標志位alarm_flag，當單片機查詢到alarm_flag為1時，系統進行聲光報警，并在LCD1602上進行顯示，否則等待下一次測量。

5 結語

本文提出的船舶防撞預警系統由STM32F103C8T6單片機、TFmini Plus激光模塊、舵機、LCD1602等部分構成。該系統能夠進行船只間安全距離的檢測，當船只駛入安全距離時，系統進行聲光報警，提示工作人員采取有效的避障措施，由于成本較低、安裝方便靈活，可以應用在中小型船舶特別是漁船上，在船舶安全航行方面能發揮重要作用。該系統具有很好的擴展性，為了保證數據檢測的準確性可以擴展其他的傳感器，多個傳感器可以同時進行檢測，同時，也可以為該系統添加主控端和上位機端，更好地實現對系統的控制。

【參考文獻】

【1】周東柳.基于單片機的船舶主動避碰系統的設計[D].舟山：浙江海洋學院，2015.

【2】林玩杰，李水峰，毛立夫，等.基于STM32智能家居控制系統的設計[J].電子設計工程，2019（24）：176-180.

【3】曾建清.基于STM32的多功能空氣質量檢測系統設計[D].成都：電子科技大學，2019.

【4】鄧威，張廬林，何鑫，等.基于移動互聯網安防設備的設計[J].電子世界，2019（20）：141-142.

【5】張志堅.基于MSP430的夜間隧道照明系統的研究[D].太原：山西大學，2019.