陳國林，佘洪波，董金榮，池上升

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 福建省集成電路設(shè)計(jì)中心，福州350003）

引 言

伴隨著我國科技和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，汽車產(chǎn)業(yè)在近幾年進(jìn)入了迅猛發(fā)展階段。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2013年，我國汽車保有量已達(dá)到1.37億輛，是2003年汽車數(shù)量的5.7倍，占全部機(jī)動車的比率達(dá)到54.9%，比10年前提高了29.9%［1］。汽車數(shù)量急劇增長，但相應(yīng)的配套設(shè)施和監(jiān)管等方面的相對滯后，車位資源稀缺，可以說“停車難”成為了中國乃至全球亟待解決的重大問題。而解決這一難題，一方面要增加城市停車位的數(shù)量，另一方面則是要提高停車的效率。

本文所設(shè)計(jì)的智能停車系統(tǒng)采用地磁檢測機(jī)制并結(jié)合無線傳感網(wǎng)技術(shù)，具有車位檢測節(jié)點(diǎn)功耗低、系統(tǒng)部署維護(hù)方便、施工成本低等特點(diǎn)，檢測節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)之間采用433 MHz傳輸，對環(huán)境無特殊要求，抗干擾能力強(qiáng)。車主能夠通過本系統(tǒng)在第一時(shí)間獲取到車位的空余信息，進(jìn)而提高停車效率，有效地緩解了停車壓力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能停車系統(tǒng)的框架如圖1所示。位于車位下方的地磁檢測節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集車位占用信息，然后將采集到的信息經(jīng)過處理后傳送到轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)打包成Socket數(shù)據(jù)包，傳輸?shù)接葾RM＋Android平臺搭建的匯聚節(jié)點(diǎn)。一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把單個(gè)停車場的車位情況發(fā)送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心，并產(chǎn)生車位引導(dǎo)信息，傳送至該停車場的車位引導(dǎo)子系統(tǒng)。安卓手機(jī)客戶端用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢到車位的空余信息。

圖1 智能地磁停車系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 地磁車位檢測節(jié)點(diǎn)

地磁車位檢測節(jié)點(diǎn)采用低功耗設(shè)計(jì)，平均電流消耗為幾十μA，可以使用鋰電池供電，一顆2 000mAh的鋰電池可以使用3年多。節(jié)點(diǎn)無需經(jīng)常更換鋰電池，或給鋰電池充電，這樣就能夠?qū)⒆龊梅浪I(yè)封裝的節(jié)點(diǎn)埋于車位下方，從而大大方便了施工安裝和后期的維護(hù)。車位檢測節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 地磁車位檢測節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

2.1.1 檢測節(jié)點(diǎn)主控芯片

TI的MSP430 系列是一個(gè)16 位的、具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機(jī)。它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，其高度靈活的定時(shí)系統(tǒng)、多種低功耗模式、即時(shí)喚醒以及智能化自主型外設(shè)，不僅可實(shí)現(xiàn)真正的超低功耗優(yōu)化，而且還能大幅延長電池使用壽命［3］。

2.1.2 檢測方式的選取

傳統(tǒng)的車位檢測方式有射頻識別、超聲波、紅外探測、感應(yīng)線圈等，這些檢測方法用起來有較大的局限性，有的功耗較高，有的對所安裝的環(huán)境有較高的要求，有的則非常容易受到干擾。一些新型的停車系統(tǒng)則利用了汽車會對周圍地磁場產(chǎn)生擾動這一特性，采用高靈敏度磁阻傳感器探測車位周圍地磁場的變化情況，以此作為判斷車位上車輛存在與否的依據(jù)。

目前的磁性傳感器技術(shù)有霍爾（Hall）、各向異性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）、隧道磁阻（TMR）等。本系統(tǒng)采用的地磁傳感器為Freescale的MAG3110。MAG3110磁力儀由于結(jié)合了TMR技術(shù)、高分辨率的模擬設(shè)計(jì)和專用的嵌入式邏輯，因而具有優(yōu)越的性能。

MAG3110的參數(shù)特性如表1所列。

表1 MAG3110的參數(shù)特性

MAG3110與MSP430單片機(jī)的連接如圖3所示。

圖3 MAG3110與MSP430單片機(jī)的連接圖

2.1.3 檢測節(jié)點(diǎn)無線傳輸模塊

由于地磁車位檢測節(jié)點(diǎn)安裝在車位的下方，當(dāng)車位上有車輛?？康臅r(shí)候，會影響無線信號的傳輸，而且停車場內(nèi)有很多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的墻壁或柱子，會對無線信號產(chǎn)生折射干擾，因此需要選用繞障穿透能力和傳輸距離都優(yōu)于2.4GHz的1GHz以下的無線傳輸模塊。

nRF905單片無線收發(fā)器主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM 頻段［4］。MCU 通過SPI接口對nRF905進(jìn)行編程配置，nRF905電流消耗很低，在發(fā)射功率為－10dBm 時(shí)，發(fā)射電流為11 mA，接收電流為12.5mA，進(jìn)入POWERDOWN 模式電流消耗最小，典型值低于2.5μA，非常適合于本傳感節(jié)點(diǎn)這樣低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)［4］。

nRF905與MSP430單片機(jī)的連接如圖4所示。

圖4 nRF905與MSP430單片機(jī)的連接圖

2.2 中繼節(jié)點(diǎn)

中繼節(jié)點(diǎn)和檢測節(jié)點(diǎn)在硬件上唯一的差別就是少了MAG3110地磁檢測模塊。

2.3 轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)以及車位檢測節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簡單的自組織Mesh網(wǎng)絡(luò)，并且負(fù)責(zé)將接收到的車位檢測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包后重新封裝成Socket數(shù)據(jù)包，發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)以及后面的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)由低功耗Wi－Fi模塊CC3200外接nRF905組成。SimpleLink CC3200器件是一款集成了運(yùn)行頻率為80 MHz的ARM Cortex－M4內(nèi)核的無線MCU，此器件包含多種外設(shè)，其中包括一個(gè)快速并行攝像頭接口、I2S、SD／MMC、UART、SPI、I2C 和 四 通 道 模／數(shù) 轉(zhuǎn) 換 器（ADC）［5］。CC3200支持基站、訪問點(diǎn)和 Wi－Fi直接模式，還支持WPA2個(gè)人和企業(yè)安全性以及WPS2.0。利用SmartConfig技術(shù)，AP模式和WPS2，便可實(shí)現(xiàn)簡單且靈活的Wi－Fi服務(wù)［5］。

CC3200發(fā)射功率和接收靈敏度如表2所列。

表2 CC3200發(fā)射功率和靈敏度

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)主要硬件連接如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)主要硬件連接

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測處理算法

車位檢測節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境比較復(fù)雜，干擾較多，如：溫度、周圍的車輛等，而且同一地點(diǎn)地磁場的強(qiáng)弱會隨時(shí)間產(chǎn)生一些變化，因此車位檢測節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)不能簡單地直接使用，需要借助一定的算法對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

該算法主要由三部分組成：平滑濾波算法、基于時(shí)間的閾值判定算法、自校正基準(zhǔn)場算法。綜合考慮車位檢測節(jié)點(diǎn)單片機(jī)的性能，低功耗的設(shè)計(jì)要求以及濾波的效果，平滑濾波部分使用改進(jìn)的限幅移動窗口均值濾波算法，如下所示：

式中，i∈Z＋，Ai表示車位檢測節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波后的結(jié)果，Si表示采集窗口長度為W 的數(shù)據(jù)的總和，Ci表示每次采集到的車位的磁場的值，B表示自校正基準(zhǔn)場的值，T 表示判定閾值，β表示大噪聲系數(shù)，Δ 表示最大采樣偏差。

3.2 低功耗的實(shí)現(xiàn)

車位檢測節(jié)點(diǎn)的低功耗主要是結(jié)合MSP430單片機(jī)的低功耗模式（LPM）、常開門電路控制MAG3110以及事件觸發(fā)驅(qū)動型工作模式這3種方式實(shí)現(xiàn)的。節(jié)點(diǎn)工作過程如圖6所示。

圖6 檢測節(jié)點(diǎn)工作過程

3.3 無線組網(wǎng)

本系統(tǒng)中，檢測節(jié)點(diǎn)地址固定，檢測節(jié)點(diǎn)地址和其實(shí)際地理位置綁定，轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)以及車位檢測節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簡單的Mesh網(wǎng)絡(luò)，檢測節(jié)點(diǎn)可以直接和中繼節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)通信，中繼節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3.4 Socket編程

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)將接收到的車位檢測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包后重新封裝成Socket數(shù)據(jù)包，其軟件部分除了組網(wǎng)編程之外，還包括下面3部分：CC3200的SmartConfig編程、解析檢測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包、Socket編程。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

4.1 組網(wǎng)測試

依次開啟檢測節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的電源，中繼節(jié)點(diǎn)接入串口，打印調(diào)試信息。圖9記錄了檢測節(jié)點(diǎn)FF FF A1EC發(fā)送的數(shù)據(jù)包經(jīng)過兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送到轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)00 00 00 01的過程。

圖9 組網(wǎng)調(diào)試信息

4.2 車位檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了減少周圍車輛對檢測結(jié)果的干擾，主要使用MAG3110的Z軸數(shù)據(jù)。對Z軸數(shù)據(jù)使用改進(jìn)的限幅移動窗口均值濾波算法（窗口長度取16），濾波效果如圖10所示。

圖10 Z軸限幅移動窗口均值濾波

結(jié)合自校正基準(zhǔn)場和閾值判定的結(jié)果如圖11所示。

圖11 車位使用情況判定

結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)的車位檢測系統(tǒng)結(jié)合了無線傳感網(wǎng)技術(shù)和地磁檢測技術(shù)，具有檢測準(zhǔn)率高、組網(wǎng)方便、抗干擾能力強(qiáng)和低功耗等特點(diǎn)。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對車位使用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

［1］中國網(wǎng).2013年機(jī)動車數(shù)量突破2.5億輛［EB／OL］.（2014－02－11）［2015－02］.http：／／finance.china.com.cn／consume／20140211／2174488.shtml.

［2］利爾達(dá)科技，王薪宇，鄭淑軍，等.CC430無線傳感網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［3］TI低功耗介紹［EB／OL］.［2015－02］.http：／／www.ti.com／.

［4］Nordicsemi.Product＿Specification＿nRF905＿v1.5.PDF［EB／OL］.［2015－02］.http：／／www.nordicsemi.com／eng／Products／Sub－1－GHz－RF／nRF905.

［5］TI.CC3200［EB／OL］.［2015－02］.http：／／www.ti.com.cn／product／cn／CC3200.