基于STM32的骑行GPS轨迹记录与车灯控制系统的研制∗

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基于STM32的骑行GPS轨迹记录与车灯控制系统的研制∗

欧阳双庆1王子赟1，2

（1.江南大学物联网工程学院自动化系无锡214122）（2.江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室无锡214122）

随着骑行爱好的推广，为满足爱好者的要求，设计一款简单易用的GPS轨迹记录与车灯控制综合系统。该系统以STM32F103C8为核心，设计成主从机的形式，主机部分由UBLOX-NEO6M的GPS芯片，以及车灯控制电路、TF卡读写电路、供电电路、NRF24L01无线通信模块组成，实现GPS信号接收处理与导出，以及车灯控制的功能。从机部分同样以STM32F103C8为核心，加上OLED显示模块、功能按键电路、NRF24L01无线通信模块，可以进行功能模式设定。MCU使用卡尔曼滤波算法对GPS接收信号处理，提高系统精度。TF卡上数据导出到计算机上，由Google Earth进行绘图。

STM32；GPS；卡尔曼滤波；轨迹记录与导出

随着嵌入式微处理器的推广，现国内已逐步涌现很多GPS定位的设备的方案。基于51的GPS定位仪已有较多方案，但都是简单定位显示，不适宜做骑行GPS设备［1］。也有车辆定位导航专用GPS，设计成为整套的GPS的实时安全平台系统［2］。诸多关于GPS的平台设计都是应用单一的定位功能，综合来看GPS内更多资源并未使用。

本设计采用动态GPS定位结合卡尔曼滤波算法对动态GPS接收数据进行分析，提取位置和时间数据，分析实时位置与速度信息，将位置数据导出到TF卡存储，将实时的动态数据通过低功耗NRF2401发送给从机进行数显。同时，使用时间为基准结合按键设置，采取时段控制车灯和手动车灯控制结合，设定阈值，读取加速度计信号判定车行方向，在停车以及减速时将尾灯全亮，前行时只点亮部分车灯以节省能耗。从机设计为低功耗OLED屏与按键电路，方便用户操便捷作。

2 硬件设计与选型

2.1系统总体框图

系统总体结构如图1所示，STM32F103C8作为控制核心，通过NRF2401进行无线通信，与从机交换由GPS读取并解析出来相关数据信息，用OLED屏显示出来。人机交互通过键盘、显示屏完成，实现目标预设，显示运动参量功能。主机读取加速度计运动判断车辆行进，控制红色车尾灯。

图1 系统总体结构图

2.2GPS模块选型

本设计在选取GPS模块上也有较多考虑，首先接收信号必须稳定，抗干扰能力尽可能好，捕获时间短，接口简单易用，还有控制功耗，与性价比因素都需要考虑。综合评估，UBLOX-NEO6M的GPS芯片性能优秀，市场占据广，基本要求符合。模块使用TTL电平，兼容3.3V/5V系统，波特率默认为9600，自带IPX，SMA接口，可以连接各种有源天线，自带可充电后备电池，可以掉电保存星历数据，实现热启动，自带EEPROM，保存配置信息。捕获时间上，冷启动为27s（最快），热启动仅1s。

图2 UBLOX-NEO6M模块

2.3通信模块选型

考虑到设备需要使用内置锂电池供电，功耗限制要求，并且主从设备采用分置方式，作为相对独立的部分。所以选择一款近距离的超低功耗并且通信方式简单的无线通信最为合适。NRF2401作为一款射频IC（集成电路）芯片工作于2.4GHz全球开放ISM频段125个频道，满足多点通信和跳频通信需要，工作速率0Mb/s～1Mb/s，最大发射功率0dBm，外围元件极少，内置硬件CRC（循环冗余校验）和点对多点通信地址控制，待机状态下，电流仅22μA，掉电状态下，电流900nA，非常可靠稳定［3］。

图3 NRF2401模块

2.4TF卡存储模块

TF卡是一种全新的超小型大容量移动存储卡。可以随意将文件储存在TF卡中；也可以通过SD卡适配器与电脑连接，从电脑中将文件拷在卡中，传输非常方便，随时都能扩展收集的记忆容量［4～5］。TF卡采用的SPI接口，尽可能节省控制器IO口的使用，使用TF卡槽即可设计电路。

2.5显示屏选型

针对系统的能耗问题，考虑到众多屏幕显示背光耗电严重，为了延长系统续航能力以及提升显示效果，OLED屏幕具有较强的优势。相比于传统的LCD显示，有机电激发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，UIV OLED）同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、使用温度范围广、能够在阳光下使用等优异之特性。OLED屏价格上会比传统LCD屏贵一些，但是使用寿命会延长，更适合作为本设计的屏幕。

图4 TF卡连接电路

图5 OLED显示屏

2.6核心MCU选型

单片机选择STM32F103C8，性价比高。具有多路PWM输出通道，多个输入捕获通道。接口丰富IIC、SPI、USART等，完全满足设计要求［6］。STM32F103C8最小系统如图6所示。

2.7加速度计选型

普通加速度计足以满足需求，选择MPU6050合适，体积小，功耗低，使用方便，接口简单，因此选择MPU6050作为本设计加速度计。

图7 MPU6050模块

3 软件设计

3.1主机主程序

主机主程序主要完成各个模块的配置，主从机通信等功能，具体控制在中断程序中，主程序框图如图8所示。

图8 主机程序流程图

主程序开始，首先是对单片机工作模式的设置，包括GPIO的输入输出方向、方式设定、定时器初值，无线通信模块配置，加速度计配置等，用以完成复杂的工作。配置完成后开启中断，程序便开始正常工作。从中断程序中读取到的数据会被发送到从机上，发送程序放置于主程序是为了保证GPS信号读取完成。

3.2主机中断子程序

定时中断程序主要完成GPS信号接收与加速度计信号采集以及车尾灯控制。具体功能框图如图9所示。

图9 主机中断子程序流程图

在中断服务子程序中，要对GPS信号进行分析，需要了解GPS的相关资料，UBLOX-NEO6M支持NMEA-0183协议，$GPRMC命令推荐定位信息是要读取的关键信息。接受到位置信号经处理后需要进行卡尔曼滤波处理，来提高定位精度，以便准确定位与计算运动参数。卡尔曼滤波算法作为一种利用线性系统状态方程，对系统输入输出进行观测数据，对系统状态进行最优估计的自适应算法［7］。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。由于该模块属自主定位，在协议命令中地面速度测算不准确，因此不使用该数据。然后执行读取加速度计数据进行处理，分析当前运动状态与GPS读取的时间信息，减速或长期停止时将车尾警示灯全开，反之控制部分车灯打开。

3.3从机主程序

从机程序主要是进行循环发送与接收数据信息，执行的任务较主机轻松。在程序启动后开始进行相应的显示屏初始化、中断定时器初始设置，以及NRF2401通信模块配置。此后与主机间进行循环通信。

3.4从机中断子程序

从机的中断服务子程序时间上更为频繁，保持对OLED显示屏的持续刷新，保证屏幕显示稳定。程序执行时，先进行按键扫描，根据选择对设置进行修改，然后执行屏幕刷新操作，中断结束。

图10 从机中断子程序流程图

4 结语

骑行GPS系统综合了众多低功耗设备方案，结合时下热门的ARM-Cortex M处理器，与GPS导航定位系统，卡尔曼滤波运算，而提出一套易实现的能满足骑行用户需求的低功耗，低成本的方案。总体上，本设计具有无线通信，GPS导航通信，屏幕显示与车灯控制的基本功能。使用上，该系统设计实现了定位，时间，运动信息实时显示，导出定位信息到TF卡便于对接计算机使用Google Earth进行轨迹测绘，车尾灯的智能控制。其中，低成本、低功耗、方便易用正是本文设计骑行GPS轨迹记录与车灯控制系统的目的所在。

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Research and Design of Riding GPS Track Record and Headlight Control System Based on STM32

OUYANG Shuangqing1WANG Ziyun1，2
（1.Department of Automation，School of IOT Engineering，Jiangnan University，Wuxi214122）（2.Key Laboratory of Advanced Process Control for Lighe Indusery Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi214122）

With the promotion of riding hobbies，a simple GPS track record and headlight integrated control system is de⁃signed，in order to meet the requirements of riding enthusiasts.This system takes the STM32F103C8 as the core，designed as the master-slave form.The host part is composed of UBLOX-NEO6M GPS chip，headlight control circuit，TF card read and write cir⁃cuit，power supply circuit and NRF24L01 wireless communication module，to processing GPS signal and export，and control head⁃light.As for slave part the core also use STM32F103C8，together with the OLED display module，function key circuit，NRF24L01 wireless communication module，and function mode can be set.MCU uses Kalman filter algorithm for GPS receiver signal process⁃ing to improve system accuracy.TF card data can be exported to the computer for drawing by Google Earth.

STM32，GPS，Kalman filter，track recording and export

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.021

1 引言

2016年11月13日，

2016年12月20日

国家863项目（编号：2014AA041505）；国家自然科学基金（编号：61572238）；江南大学自主科研基金（编号：JUSRP115A30）；江苏高校品牌专业建设工程项目（编号：PPZY2015A036）资助。

欧阳双庆，男，研究方向：单片机系统控制、算法分析。王子赟，男，博士，讲师，研究方向：传感器技术、电力变换技术。高，而低档次的产品不能满足爱好者的基本需求，定位漂移较大，信号易丢失，功能单一等问题比较突出。这些问题不利于推进骑行设备智能化，目前在国内这一块骑行设备智能产品还可以有很大提升。

Class NumberTP391

近年来科技飞速发展，越来越多的智能化设备涌入人们的生活之中，从身边掀起了一股智能化的风潮。在国家低碳环保的相关政策推动下，越来越多的人们选择使用自行车出行，节能环保还能锻炼身体，于是骑行族开始逐步壮大起来。而GPS的使用现在已经非常普及，大到航空航海系统，小到个人移动设备，都有着它的身影。随着GPS的民用化与成本的降低，已经走入了人们的日常生活中，很多手机、PDA等手持设备都配备GPS功能。当前市场也出现了一些GPS的定轨仪器，但是普遍价位