叶磊 韩金霞

【摘  要】为保障船舶航行安全，降低中小型船舶间碰撞事故的发生率，论文基于STM32和激光模块设计了一套船舶防撞预警系统。本系统通过激光模块进行船舶间航行距离的检测，实现航行预警功能，具有成本低、体积小、安装方便等优势。

【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.

【关键词】STM32;激光;防撞;预警

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

【中图分类号】TP399                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）06-0194-03

1 引言

传统的航行避碰主要依靠工作人员的瞭望，并通知值班驾驶员，由驾驶员根据航行经验进行分析判断后采取避让措施，这要求船舶操作人员具有较强的专业能力和极高的综合素质。随着航运事业的发展，船舶数量逐渐增多，专业化工作人员明显供不应求，船舶避碰系统的需求与日俱增[1]。虽然目前国内外都已经具有比较完善的避碰检测系统，但是这些系统对于中小型船舶，尤其是渔船来说经济成本太高，无法得到广泛的应用。因此，开发更加经济实用、性价比高的防撞预警系统意义重大。

基于以上情况，本文设计了一套成本低、体积小、安装方便的船舶防撞预警系统，为中小型船舶特别是渔船保驾护航。

2 系统总体方案设计

船舶防撞预警系统主要由STM32F103C8T6单片机、电源、TFmini Plus激光模块、舵机、LCD1602、声光报警、按键组成，系统总体框图如图1所示。

该系统采用ST公司的STM32F103C8T6单片机作为核心芯片，单片机通过UART与激光模块进行数据通信。激光模块每隔一定时间进行一次检测，并将检测到的数据发送到单片机，单片机对接收的数据进行分析处理，如果检测到有船只驶入预先设置的安全距离时，系统会进行声光报警，以便使工作人员提前采取有效措施，避开事故易发区域。同时，系统会通过LCD1602进行报警信息的显示（主要包括对方来船的速度、方位和当前距离），并将有效信息进行存储，为以后船舶航行提供数据基础。

为了增大测量范围，本设计将激光模块安装在舵机上，通过舵机水平方向的转动，带动激光模块进行水平方向0～180°范围的测量，以提高系统测量的准确度。

3 系统硬件设计

3.1 主控芯片STM32F103C8T6

本设计的核心控制芯片采用ST公司的STM32F103系列单片机[2]，其是意法半导体在MCU领域推出的非常经典的芯片系列，有着强大的功能和丰富的内部资源，系统通过STM32F103C8T6单片机完成对舵机和激光模块的控制、数据的处理以及数据的显示。

主控芯片STM32F103C8T6电路设计如图2所示。

由图2可知，STM32F103C8T6单片机[3]的30和31管脚使用的是串口功能，通过串口与激光模块进行通信。系统的显示单元采用的是LCD1602，STM32F103C8T6单片机的LCD_DB0-LCD_DB7与LCD1602的8位数据口相连接，LCD_RS、LCD_RW、LCD_E与LCD1602的控制管脚相连，实现对LCD1602的读写和使能。单片机的LED_R、LED_G、LED_Y分别是红、绿、黄三色灯的控制管脚。

3.2 TFmini Plus激光模块

本设计采用北醒光子科技有限公司的TFmini Plus激光模块作为数据采集模块，进行船舶间行驶距离的检测。其是一款小型化、单点测距的产品，基于TOF（飞行时间）原理，配合独特的光学、电学、算法设计，主要实现稳定、精准、高敏度和高速的距离测量功能。该模块具有IP65等級防护，测距精度高，对于室外强光、不同温度、不同放射率等不同环境下适应性更强，功耗也比较低。

TFmini Plus模块启动后会周期性地向外发出近红外光调制波，调制波遇物体后反射，通过测量调制波往返相位差，得到飞行时间，再计算出产品与被测目标之间的相对距离[4]。

TFmini Plus模块公用四个管脚，分别是+5V、GND、RXD/SCL、TXD/SDA。STM32F103C8T6和TFmini Plus模块之间支持UART和I2C两种通信方式，本文采用UART的方式进行通信。电路原理如图3所示。

4 系统软件设计

4.1 系统软件设计

该系统的软件设计主要包括系统初始化、参数设置、舵机控制、安全距离检测、数据处理、声光报警以及数据显示七个部分。

系统上电后，首先进行系统的初始化，完成系统时钟和GPIO口配置，同时，设置好安全距离，然后启动定时器，每隔10s进行一次完整的数据采集。数据采集的处理过程如下：

TM32F103C8T6控制舵机在一个初始位置，然后启动激光模块进行数据测量，STM32F103C8T6对TFmini Plus采集的数据进行分析处理。如果超过预先设置的安全距离，启动蜂鸣器进行声音报警，三色灯开始闪烁进行灯光提示，同时，将获取到对方来船的位置、速度和距离在LCD1602上进行显示，并进行存储。如果未超过预先设置的安全距离，单片机控制舵机转动45°的位置进行再次检测，重复第一次检测的过程;如果舵机45°位置处尚未检测到船只，再控制舵机转动到90°的位置，依次类推，直至舵机回到原点时完成一次完整的数据采集。

系统的软件流程如图4所示。

4.2 激光模块软件设计

TFmini Plus有两种数据输出格式，即标准数据输出格式和字符串数据格式，这两种格式可通过指令代码相互切换。

本文采用默认的标准串口数据输出格式，TFmini Plus激光模块在使用UART通信时要通过上位机软件或串口调试助手进行相关参数的配置，模块默认状态下是串口通信模式，使用时只需向串口发送5A 08 06 H1 H2 H3 H4 SU（SU为checksum），设置波特率为115200即可。

激光模块上传的数据帧，每帧长度为9个字节，包含2字节帧头（0x59 0x59）、2字节距离值（distance）、2字节信号强度值（strength）、2字节芯片温度值（tempture）以及1字节数据校验和（checksum）。数据格式为16进制（hex）。具体数据编码[5]如表1所示。

TFmini Plus激光模块软件程序设计流程如图5所示。

STM32F103C8T6单片机使能TFmini Plus激光模块后，TFmini Plus开始进行数据测量，并当单片机收到激光模块返回的数据后，判断当前的测量次数，如果未達到测量次数NUM，将收到的数据插入数据接收队列receive_queue（ushort data，uchar length），并调用数据解析函数analyz_data（ushort *data， uchar length），将距离参数解析出来存储到数组valid_data，进行下一次数据的接收;如果当前测量次数大于等于NUM时，对valid_data数组内的数据进行分析，如果测量的距离小于预先设置的安全距离时，置位报警标志位alarm_flag，当单片机查询到alarm_flag为1时，系统进行声光报警，并在LCD1602上进行显示，否则等待下一次测量。

5 结语

本文提出的船舶防撞预警系统由STM32F103C8T6单片机、TFmini Plus激光模块、舵机、LCD1602等部分构成。该系统能够进行船只间安全距离的检测，当船只驶入安全距离时，系统进行声光报警，提示工作人员采取有效的避障措施，由于成本较低、安装方便灵活，可以应用在中小型船舶特别是渔船上，在船舶安全航行方面能发挥重要作用。该系统具有很好的扩展性，为了保证数据检测的准确性可以扩展其他的传感器，多个传感器可以同时进行检测，同时，也可以为该系统添加主控端和上位机端，更好地实现对系统的控制。

【参考文献】

【1】周东柳.基于单片机的船舶主动避碰系统的设计[D].舟山：浙江海洋学院，2015.

【2】林玩杰，李水峰，毛立夫，等.基于STM32智能家居控制系统的设计[J].电子设计工程，2019（24）：176-180.

【3】曾建清.基于STM32的多功能空气质量检测系统设计[D].成都：电子科技大学，2019.

【4】邓威，张庐林，何鑫，等.基于移动互联网安防设备的设计[J].电子世界，2019（20）：141-142.

【5】张志坚.基于MSP430的夜间隧道照明系统的研究[D].太原：山西大学，2019.