基于“互联网+” 的超声波距离检测创新设计

2017-04-01张凯

现代电子技术 2017年5期

张凯

摘要：距离检测方案的设计是在超声波传感器基础上，实现自行检测、自动判断、短信自动通知等功能。通过超声波进行距离检测并给出信号，由单片机对采集信号进行整理，针对采集结果对手机模块工作状态进行调整，若采集信号小于标准信号，手机模块工作；若大于标准信号，则手机模块处于等待状态。经验证，在无人操控下项目完成预期功能。该设计实现的自动检测及自动短信功能可用于安防、自动刹车、自动避障等方面。

关键词：超声波传感器；单片机；自动检测；工作状态调整

中图分类号： TN710?34； TM910 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）05?0163?03

Abstract： On the basis of the ultrasonic sensor， the distance detection scheme was designed to realize the functions of automatic detection， automatic judgment and SMS automatic notification. The distance is detected with the ultrasonic wave， and the acquisition signal is given in the design. The single chip microcomputer is used to process the acquired signal， and adjust the working state of the mobile phone module according to the acquisition result. If the amplitude of the acquired signal is lower than that of the standard signal， the mobile phone module will work， otherwise the mobile phone module will be in the waiting state. The project can realize the expected function under the unmanned control by means of verification. The automatic detection and automatic SMS notification functions of this design can be used in security， automatic braking， automatic obstacle avoidance， etc.

Keywords： ultrasonic sensor； single chip microcomputer； automatic detection； working state adjustment

1 方案设计

依据扩展功能要求，本系统由超声波传感器模块、单片机模块、短信发送模块组成。系统依据测距信号对后续电路做出相应指令，进而控制电路的工作状态，达到自动检测、自动调整的目的。系统设计框图如图1所示。

1.1 超声波检测原理

超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为[v，]而根据计时器记录的发射和接收回波的时间差[Δt，]就可以计算出发射点距障碍物的距离[S，]即：

[S=v?Δt2]

由于超声波也是一种声波，其声速[C]与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速[1]。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 m/s，但其传播速度[v]易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃，声速增加约0.6 m/s。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度为[T]時，超声波传播速度[v]的计算公式为：

声速确定后，测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理[2]。

1.2 短信发送模块原理

短信发送模块是利用GSM网络进行数据交换。

1.2.1 GSM涵义

GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统）属于第二代移动通信技术。GSM系统包括GSM 900：900 MHz，GSM 1800：1 800 MHz，GSM 1900：1 900 MHz等几个频段。

1.2.2 GSM系统结构与功能

GSM系统由若干个子系统或功能实体组成，如图2所示。其中基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网路子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS负责管理通信业务，保证MS与相关的供应能够通信或与其他MS之间建立通信。MS，BSS和NSS组成GSM系统的实体部分[4]。操作支持系统（OSS）给运营部门提供一种手段来控制和维护这些实际运行部分。

1.2.3 移动台（MS）

公用GSM移动通信网中用户使用的设备叫做移动台，它是整个GSM系统中用户惟一接触的设备，移动台的类型包括手持台、车载台和便携台，其中手持台用户的比例最大。移动台必须提供与使用者之间的接口以及通过无线接口接入GSM系统的基本功能，其中主要包括话筒、扬声器、显示屏和按键等[5]。此外，移动台另外一个重要的组成部分是用户识别模块——SIM卡，它是一张符合ISO标准的智慧卡，包含所有与用户相关的和某些无线接口的信息，其中包括鉴权和加密信息。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡，只有当处理异常紧急情况的紧急呼叫时才可以在不用SIM卡的情况下操作。

1.2.4 基站子系统（BSS）

基站收发信平台BTS属于基站子系统的无线部分，由基站控制器BSC控制服务于某个小区的无线收发信设备完成BSC与无线信道之间的转换，实现BTS与移动台MS之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。实际上，一个基站控制器根据话务量可以控制10个BTS，BTS可以直接与BSC相连，也可以通过基站接口设备BIE采用远端控制方式与BSC相连接。BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。

1.2.5 网络子系统（NSS）

网络子系统NSS主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。它对GSM移动用户与其他通信网用户之间的通信起着管理作用。

1.2.6 操作支持子系统（OSS）

操作支持子系统OSS需要完成许多任务，包括移动用户管理，移动设备管理以及网络操作和维护移动用户管理（用户数据管理和呼叫计费）。用户数据管理一般由归属用户位置寄存器HLR完成，HLR是NSS功能实体之一，用户识别卡SIM的管理也是用户数据管理的一部分，但是作为相对独立的用户识别卡SIM的管理还必须根据运营部门对SIM的管理要求和模式，采用专门的SIM个人化设备来完成。

1.2.7 GSM信道

GSM信道可以分为物理信道和逻辑信道。物理信道是指实际物理承载的传输信道，逻辑信道则是按照信道的功能划分，物理信道是逻辑信道的载体。

1.2.8 物理信道与帧结构

时分多址是GSM的基本特点，GSM有8个时隙，它不足以满足每个小区实际的用户需求，因此，GSM采用以时分为主体，时分频分相结合的方式。对于GSM 900（一阶段），GSM上下行各占有25 MHz频段，而每个信道仅占用200 kHz，所以GSM可容纳的频分信道数是125，而每个频分信道有8个时隙，所以GSM总共可以提供的时分信道数为1 000个。而对于GSM 900第二阶段，上下行频段扩展至35 MHz，时分信道也相应增至1 400。此外，可利用小区蜂窝规划对不同小区进行空分，以进一步增加信道数。

GSM帧结构分为TDMA、复帧、超帧、超高帧四个层次。TDMA帧是GSM中的基础帧，一个TDMA帧由8个时隙组成，而每个时隙可以是下列4类时隙突发中的某一种类型：常规突发序列、频率校正突发序列、同步突发序列和接入突发序列，其中，常规突发序列应用较多，主要用于信息通信，其他三类则多用于不同的控制。此外，TDMA帧可以构成两类复帧，进而构成两类超帧。GSM帧的结构图如图3所示。

1.2.9 GSM逻辑信道

逻辑信道按功能划分分为主业务信道及为了配合业务正常进行的辅助性控制信道两大类。主业务信道又可以分为语音与数据两类。语音信道分为全速率语音信道和半速率语音信道，分别为13.5 Kb/s和6.5 Kb/s。

2 硬件及模块选型

2.1 超声波模块选型

本方案拟采用超声波测距模块实时进行超声波检测，由单片机不断读出与前方物体的距离。超声波模块具有精度高、价格经济、性能稳定等特点。主要技术指标如表1所示。

表1 超声波模块主要技术指标

[参数＼&参数指标＼&探测距离＼&2～450 cm＼&感应角度＼&不大于15°＼&精度＼&0.3 cm＼&供电电压＼&DC 5 V＼&静态电流＼&小于2 mA＼&]

2.2 短信发送模块选型

短信发送模块采用SIM900A芯片。SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，工作频段为EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。SIM900A支持GPRS multi?slot class 10/class 8（可选）和GPRS编码格式 CS?1，CS?2，CS?3，CS?4。SIM900A采用省电技术设计，在SLEEP模式下最低耗流只有1 mA。此外，该模块内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP命令让用户能够很容易使用TCP/IP协议，这些在用户做数据传输方面的应用时非常有用。SIM900A尺寸较小，几乎可以满足所有用户对空间尺寸的要求。

SIM900A模块是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，采用SMT封装，采用ARM926EJ?S架构，性能强大，可以内置客户应用程序。可广泛应用于车载跟踪、车队管理、无线POS、手持PDA、智能抄表与电力监控等众多方面。SIM900A模块的主要特点如下：

（1） SMT封装：易于客户生产加工；

（2）尺寸小： 24 mm×24 mm×3 mm；

（3）功耗低：待机模式电流低于18 mA，SLEEP模式下低于2 mA；

（4）供电范围宽：3.2～4.8 V；

（5）支持频段：GSM/GPRS 900/1 800 MHz；

（6）语音编码：支持半速率、全速率、增强型速率；

（7）支持回声抑制算法，可以基于不同客户设备通过AT命令调节回音抑制消除。

SIM900A模块的实物图如图4所示。

2.3 单片机选型

单片机选择ST公司生产的STM32系列ARM微处理器，具有高性能、低功耗的特点，具有先進的RISC结构，内部集成两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器和一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器[6]。

STM32系列处理器具有如下特点：ARM公司的高性能Cortex?M3内核；主频168 MHz 1.25 DMips/MHz；1 μs的双12位ADC；4兆位/s的UART；18兆位/s的SPIl；18 MHz的I/O翻转速度；低功耗：在72 MHz时消耗36 mA（所有外设处于工作状态）。