基于ZigBee无线通信的汽车反射式HUD设计研究

卢亚军，黄艳虎，熊庆捷

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)



基于ZigBee无线通信的汽车反射式HUD设计研究

卢亚军，黄艳虎，熊庆捷

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

汽车作为现代交通工具日益普及，其安全性受到关注。汽车驾驶员驾驶汽车高速行驶时，时常会低头观察仪表盘的情况，这极有可能导致交通事故。针对此安全隐患，提出了一种基于ZigBee无线通信的平视显示器(Head Up Display，HUD)技术平台的解决方案。该方案由STM32主控模块、RFID模块、红外检测模块、蓝牙模块以及超声波模块组成。基于ZigBee网络的HUD系统，实现汽车之间的相互通信，同时将汽车周围的相关信息经过手机反射到挡风玻璃上，从而避免驾驶员低头看仪表盘，提升驾车安全性，具有较大市场潜力。

HUD；平视显示；ZigBee

随着汽车的普及，汽车安全可靠性是人们关注的重要问题。车辆在高速行驶时，特别是在夜间行驶的时候，如果驾驶员在观察仪表盘上的信息，容易分散注意力。另外，也由于驾驶员无法准确地获取周围和前方道路、附近车辆的信息，而导致灾难性的交通事故发生。

平视显示器(Head Up Display)是普遍运用在飞机上的飞行辅助仪器。最早出现在军用飞机上，减少飞行员低头查看仪表的次数，因为HUD能够提高飞行驾驶安全的优良功能，民航机也开始安装，应用于汽车上是从1988年开始的[1]。目前只有小部分高端品牌车型上安装抬头显示，由于价格较高等原因，使用不太普遍。另外，近几年来汽车平视显示器在市场上逐渐兴起，能够将汽车的油耗、胎压、车速等汽车基本信息投影显示在汽车玻璃上，但是功能上仍然需要更加完善。例如，现有汽车平视显示器没有汽车间信息共享的通信功能。

在信息高速发展、车联网技术日益进步的今天，汽车和公路更加智能化，车联网通过车辆和道路之间进行有效的信息交互，实现智能交通的管理和信息服务。汽车和路边基础设施通信功能的完善以及针对车联网的相关应用发展已经成为必然的趋势[2]。因此，一款适合普通消费者、成本较低、通信功能更加完善的汽车平视显示器具有广泛的市场应用价值。

以车联网技术概念作为大地基，借助于ZigBee无线通信技术和传感器技术以获取汽车的静动态信息，然后实现车辆、道路、路牌信息共享。接着通过车载系统处理相应信息，用反射式HUD把图像信息呈现在驾驶员前方。这样的平视技术不仅可以达到使驾驶员避免视线离开前方的效果，还能针对附近车辆以及道路的情况适时地调整驾驶。

1　总设计思路

以嵌入式平台为基础，实现车载信息的正确显示。构建一种基于ZigBee的通信网络，结合汽车平视技术特点，获取运行中汽车周边环境及交通信息将相关信息反射到挡风玻璃面前，为驾驶员轻易获取各类信息提供条件。

图1为本次设计系统的最终设计方案，该方案由CORTEX-M3内核的32位芯片STM32F103RBT6主控模块、RFID模块、红外检测模块、蓝牙模块以及超声波模块组成。利用RFID模块、红外检测模块、超声波模块传感器采集周围道路的各类信息，STM32与ZigBee串口连接，通过ZigBee将采集的信息传输到STM32中，STM32将采集的信息以及ZigBee发送过来的信息进行相应的处理，然后通过蓝牙串口无线发送到手机端APP中，以反射的方式把各类信息显示在挡风玻璃上，实现抬头显示效果。另外一方面，获得的数据经过MCU整理成固定的格式，通过ZigBee无线网络传输给周围车辆，实现车辆信息的共享。

图1　系统总设计示意图

2　硬件设计

本系统是以STM32为主控模块、RFID检测模块、超声波测距、红外识别模块、蓝牙模块、液晶显示模块以及ZigBee网络来构建的整个系统平台，对每个模块进行独立的测试，并进行模块间的通信测试，得出的结论是：模块良好，能够搭建系统。

STM32为主控模块模块使用的是ALIENK MiniSTM32开发板，其由STM32F103RBT6作为核心，搭载可供学习的外围模块，其具有丰富的外设功能。RFID模块采用DMS-301模块，可以识别50 m之内的电子标签，能够识别高速移动的电子标签，配套使用的电子识别标签为DST-80。采用HC05蓝牙模块，它是主从一体的高性能蓝牙串口模块，支持非常宽的波特率范围4 800～1 382 400 Bd，并且模块兼容5 V或3.3 V单片机系统。超声波模块选用US-100超声波传感器，是一个5针的传感器，支持GPIO和串口双模式。通过Trig脚输出一个大于10 μs的高电平，模块便会发送8个超声波脉冲，然后检测回波，再根据相关公式进行计算，便可得出所测量的距离。

STM32外围电路使用的是ALIENTEK MiniSTM32的开发板，其选用的STM32F103RBT6作为MCU，其最小系统主要是由电源稳压、晶振、复位、LED指示、扩展引脚电路等组成。ZigBee底板的电路图，主要是由电源电路、指示灯和核心板插座构成。整个系统的通信着重于串口通信(USART)，系统使用STM32F103RBT6的3个串口。串口1与ZigBee进行连接，串口2与蓝牙模块进行连接，串口3与RFID进行连接。因此串口通信在整个系统中占有不可或缺的重要地位。

3　软件设计

软件设计在系统设计中占据着重要的地位，系统整体软件设计流程图如图2所示。系统开始将STM32所需要用到的外设都初始化。如系统时钟初始化、串口初始化、按键初始化、LCD初始化等。外设初始化结束后便可进行系统数据的采集，数据采集方式使用中断的形式，每次数据传输进入STM32，串口中断会被触发，然后串口中断服务函数对数据进行处理，处理后的数据在经串口1和串口2分别传输给ZigBee和蓝牙串口模块，并将数据显示在LCD上。

软件设计分为以下6个方面，系统网络搭建、RFID数据获取、蓝牙数据传输、人体红外传感、超声波测距和HUD界面设计。

系统网络搭建需要完成ZigBee模块的CC2530核心板中程序的烧写，对ZigBee串口进行配置，使其发送信息，并使STM32串口1能够接收信息。确保ZigBee所建立的网络能够正常通信、ZigBee与STM32能够正常通信。

RFID模块使用的是DSM-301模块，模块设置的波特率为9 600 Bd，采用TTL232接口。因此只需与MCU接4根线就可通信。数据是单向传输的，主要是STM32接收RFID识别的卡片数据。STM一串数据接收完毕，紧接着就跳入数据处理函数，将数据显示在LCD上。

系统通过蓝牙与手机连接，从而让手机实现HUD的重要模块。通过物理串口线与STM32相连，数据经2.4G无线链路传输给手机。

红外模块功能主要是通过IO管脚高低电平的变化状态来判断车辆视线盲区是否有人。传感器模块的输出端接STM32的PA.14脚，对PA.14先置低电平，然后配置为输入模式。当传感器模块的输出端输出高电平时，通过判断PA.14是否为高电平，如果是高电平，把HUD界面上的灰色的人变成紫色来提醒驾驶员。

为实现超声波测距，STM32通过PA.7输出1个大于10 μs的高电平，从而触发超声波发射。在回波检测通过PA.6用定时器3通道1的输入捕获，从而确定高电平的事件。在根据公式L=340(m/s)×T/2得出静态的距离。

本系统的HUD软件是基于Android编写的，使用的开发平台是Eclipse。通过手机蓝牙，将STM32中数据传输到手机上，通过手机屏幕完成HUD界面显示。目前APP的功能还是比较少的，只是起到一个可视性的效果。

4　调试与测试

完成硬件设计和软件设计之后，首先对系统各个模块进行调试，能够实现预期的几项功能，然后对系统整体进行调试。

系统网络搭建的调试思想是：先确保ZigBee所建立的网络能够正常通信，然后确保ZigBee与STM32能够正常通信，最后进行整体系统的连接。因此，首先测试PC1到ZigBee终端1，在经ZigBee网络到ZigBee协调器端发送数据到PC2，PC2便能收到并显示对应的数据。反过来，PC2向PC1发送数据的时候也可在PC1上显示相应的数据了。就这样设置PC1和PC2可以像现在的网络交互软件一样进行聊天了。第一步ZigBee网络通信正常。

第二步确保STM32与ZigBee通信的正常，首先用STM32按键1控制STM32发送几个字符给ZigBee，ZigBee对字符进行判断，接收的数据正确后，模块对外设LED进行点亮，并发送一串数据“123456789”给STM32，STM32将其显示在LCD上，从而证明双方通信的可行性。

下面对系统通信距离的长短进行测试。将代表两辆汽车的系统P1和系统P2间隔一定的距离，进行通信测试，每组进行50次数据接收和50次数据发送，测试距离实验数据如表1所示。由此可知，系统的通信距离约为50 m，在50 m内的通信较为准确。在应用中，行驶的车辆相对距离较小，50 m的通信距离基本能够满足应用需求。

表1测试距离实验数据表

序号距离/mP1发送P2接收成功率/%P2发送P1接收成功率/%110981002201001003309698440989855088926606254770241888000

对系统硬件进行整合，然后进行整体调试，系统硬件如图4。图4的左边代表汽车1，右边代表汽车2。两者间的通信是通过ZigBee网络进行连接，通过STM32主板处理并发送数据，数据到手机通过蓝牙模块的无线传输。

图4　系统整体硬件图

图5a为手机上HUD实现的界面图，右侧数字表示的是当前车辆的速度，左侧数字则表示附近携带ZigBee终端的汽车的速度，中间的仪表盘有绿色和淡红色的指针，它可以按照当前速度转动到相应的刻标值，从而模拟汽车车速仪表盘。仪表盘中间有个灰色的小人，其用来指示夜间行车的时候远光灯造成的视觉盲区中是否有人，有人时灰色的人会变成紫色。仪表盘上的蓝牙标记，用于指示蓝牙的使用状况。标记为蓝色时，表示蓝牙正常工作，标记为灰色时，表示蓝牙未连接。上方蓝色文字为路边指示牌信息，路边指示牌装有RFID电子标签设备，汽车经过此处时，系统能够识别电子标签信息，即为路边指示牌信息。将手机放在玻璃面前面，则可以看到图5b所示的界面。反转后的界面，在经反射到车前的挡风玻璃上的时候，人眼就可看到正像，从而达到HUD的效果。

图5　HUD实现图

总之，此系统能够组建ZigBee网络，实现两车之间的通信。RFID模块正常工作，能够识别电子标签。红外模块正常工作，能够识别是否有人，并在LCD上显示。超声波测距功能能够基本实现。STM32能够与手机之间实现蓝牙通信，手机APP能够显示相应数据，反转后的界面，在经反射到车前的挡风玻璃上的时候，人眼就可看到正像，从而达到HUD的效果。

另外，由于本系统是在STM32的开发板上实现的，所以目前系统看起来体积略大，在汽车上使用不够方便。但是开发板占据了较大体积，而很多模块在本系统中并没有使用到。后期将开发板移除，只使用核心模块，会大大减小系统体积。

5　总结与展望

纵观最终结果，本汽车平视系统的设计已完成了初始的大部分要求，能够在两辆汽车上实现数据的共享，能够采集到路牌信息并加以处理显示。在数据的传输上，采用了ZigBee网络，ZigBee具有成本低廉，可扩展性好等特点。HUD显示使用手机APP来配置，使界面的可扩展性更好，只要有好的想法就可将其在软件上实现，具有很好的可观赏性。系统也存在着某些缺点，例如数据采集的可靠性和安全性有待提高。系统的功能可以更丰富，与汽车的相关接口连接，在HUD系统中显示更多的信息。

人们对于汽车驾驶安全性的需求，促进了车载平视显示技术的发展。系统功能多样性是未来发展的趋势，例如在系统中增加导航功能等。同时，现有功能的完善也是非常必要的，例如增加显示的尺寸、清晰度，调节显示的亮度，增加通信的可靠性，降低系统成本[1]。

[1]王兴，秦齐.车载平视显示技术[J]. 电光与控制，2014(1)：55-58.

[2]程刚，郭达. 车联网现状与发展研究[J].移动通信，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技术的汽车应用以及国内外发展情况[J].中国建材科技，2010(S2)：16-18.

[5]杨秀芝.平视显示器的设计[J].福州大学学报(自然科学版)，2000(4)：29-32.

[6]ZigBee技术实践教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[7]勾慧兰，刘光超. 基于STM32的最小系统及串口通信的实现[J].工业控制计算机，2012(9)：26-28.

[8]杨莉.基于Android的移动学习平台的设计[J].计算机光盘软件与应用，2014(6)：79-80.

卢亚军(1991— )，女，硕士生，研究方向为计算机控制与应用、无线定位技术；

黄艳虎(1991— )，硕士生，研究方向为通信网络，室内可见光定位技术；

熊庆捷(1991— )，本科，擅长通信网络、计算机软件编程方面的研究。

责任编辑：许盈

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

广西高校科学技术研究项目(KY2015ZD042)；桂林电子科技大学研究生教育创新计划资助项目(YJCXS201520)；国家大学生创新创业训练计划资助项目(201410595010)

2015-10-29

文献引用格式：卢亚军，黄艳虎，熊庆捷. 基于ZigBee无线通信的汽车反射式HUD设计研究[J].电视技术，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.