謝中嘯,韓圣偉

(中國計量學院，杭州 310018)

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藍牙4.1基站組網(wǎng)的停車場定位系統(tǒng)設計*

謝中嘯,韓圣偉

(中國計量學院，杭州 310018)

摘要:為了提高現(xiàn)代停車場效率，使車主停車取車更加便捷，本設計提出一種基于藍牙4.1技術的停車場智能定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要以CC2540射頻單片機作為信號基站，ARM Cortex-A8處理器為中央控制平臺，通過多個藍牙4.1基站組網(wǎng)實現(xiàn)對汽車的停車場定位，并將定位信息通過中央控制平臺的WiFi模塊傳輸?shù)缴衔粰C、手機等終端設備。實地測試結果表明，該設計準確度較高、功率低，可用于各中小型停車場中。

關鍵詞:藍牙4.1；停車場定位；ARM Cortex-A8；低功耗

引言

現(xiàn)今的室內定位技術備受無線通信及電子行業(yè)的高度關注，且廣泛應用于許多場景。越來越多的人成為有車一族，而傳統(tǒng)停車場效率低、車位利用率低，導致了許多停車場“亂象”。停車場室內定位系統(tǒng)作為幫助車主停車的輔助系統(tǒng)，其可以有效提高車主的停車、取車效率，從而大大提高停車場的效率和車位利用率。

藍牙無線技術是使用范圍廣泛的全球短距離無線控制標準之一，藍牙技術聯(lián)盟(SIG)于2010年7月發(fā)布了藍牙4.1版本的核心規(guī)范，以低功耗(BLE)作為新版本的主要技術特點，藍牙無線技術邁入4.1時代。藍牙4.1技術的特點是擁有超低的功耗，一粒紐扣電池可以連續(xù)工作數(shù)年。

藍牙4.1技術是一種支持點到點、點到多點數(shù)據(jù)業(yè)務的短距離無線通信技術，它設計的初衷就是利用一種小型化、成本低和低功率的無線通信技術，形成一種個人身邊的網(wǎng)絡，使其可以更好地組網(wǎng)，從而實現(xiàn)室內定位。

因此，本文基于藍牙4.1技術，設計了一種智能化的停車場定位系統(tǒng)，相比于現(xiàn)今的停車場系統(tǒng)，其具有更低的成本與功耗，并且可以實現(xiàn)對車輛的實時定位，使車主停車取車效率極大提高，具有很高的實際價值和參考價值。

1系統(tǒng)總體架構設計

本系統(tǒng)主要由兩個子系統(tǒng)組成，分別為：藍牙4.1組網(wǎng)定位系統(tǒng)和中央控制平臺及WiFi模塊。其中，藍牙4.1組網(wǎng)定位系統(tǒng)由多個藍牙4.1信號基站構成，可以對網(wǎng)絡中的手機或車載藍牙進行實時定位。之后，中央控制平臺得到各個車輛的定位信息，進行運算處理并將信息通過其WiFi模塊發(fā)送至上位機或車主手機等終端上，從而讓車主根據(jù)車位信息找到空車位。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件部分主要由CC2540射頻單片機、OLED液晶顯示屏、ARM Cortex-A8嵌入式平臺及其WiFi模塊組成，其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　硬件系統(tǒng)框圖

2.1核心處理單元

本系統(tǒng)的藍牙4.1組網(wǎng)定位子系統(tǒng)中的主要單元是以CC2540射頻單片機為核心的。CC2540是TI公司推出的一款完全兼容8051內核的、集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器的無線射頻單片機，它與藍牙低功耗協(xié)議棧共同構成高性價比、低功耗的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，非常適合藍牙低功耗應用。它有3個不同的存儲器訪問總線：特殊功能寄存器、數(shù)據(jù)(DATA)、代碼/外部數(shù)據(jù)(CORE/XDATA)。CC2540也包含了其他硬件資源，包括8通道12位ADC、3個通用定時器、2個串口、21個通用I/O口等。

2.2中央控制平臺及WiFi模塊

本系統(tǒng)的中央控制平臺是由ARM Cortex-A8嵌入式處理器及其外圍電路組成的，其結合嵌入式 Linux系統(tǒng)，構成一個強大的信息處理系統(tǒng)，與WiFi模塊結合，同時具有消息收發(fā)能力。全新的Cortex-A8 處理器大大提升了對信息處理的能力。

WiFi模塊選用的是HLK-RM04，其為低成本嵌入式UART-ETH-WIFI(串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng))模塊。

通過HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設備在不需要更改配置的情況下即可傳輸自己的數(shù)據(jù)，為用戶提供完整的解決方案。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1藍牙4.1協(xié)議棧系統(tǒng)

藍牙4.1收發(fā)數(shù)據(jù)需要通過其協(xié)議棧來實現(xiàn)，本項目的藍牙4.1基站基于的藍牙4.1協(xié)議棧是它的軟件架構基礎。

藍牙4.1協(xié)議棧是一系列的通信標準，通信雙方需要共同按照這一標準進行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)；協(xié)議棧是協(xié)議的具體表現(xiàn)形式，通俗的理解為用代碼實現(xiàn)的函數(shù)庫，以便于開發(fā)人員調用。藍牙4.1協(xié)議棧是將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，提供一些API供用戶使用。

3.2藍牙4.1組網(wǎng)定位結構

圖3　微微網(wǎng)示意圖

藍牙4.1系統(tǒng)采用網(wǎng)絡結構的拓撲結構為微微網(wǎng)(Piconet)。微微網(wǎng)是通過藍牙技術以特定方式連接起來的一種微型網(wǎng)絡，一個微微網(wǎng)可以只是兩臺相連的設備，也可以是多臺連在一起的設備。微微網(wǎng)由主設備(Master)單元(發(fā)起連接的設備)和從設備(Slave)單元構成，可有一個主設備單元和多個從設備單元，如圖3所示。

每一個藍牙4.1基站都可作為主機或者從機互相進行主從通信，或者與用戶終端(手機或車載藍牙)進行通信。主機通過輪詢從機實現(xiàn)兩者之間的通信。從機只有收到主機的信息包才可發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖4所示，從節(jié)點2在t時刻收到來自主節(jié)點的數(shù)據(jù)包，此時頻率為f(k)，之后它可以在下一個時隙通過f(k+1)頻率向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。

圖4　微微網(wǎng)內通信輪詢機制

同時，本系統(tǒng)利用藍牙4.1的RSSI值來獲取基站與用戶端的距離信息(RSSI值大小隨基站間距而改變)。信號RSSI值與距離的關系如圖5所示。

圖5　信號RSSI值與距離關系圖

3.3藍牙4.1組網(wǎng)定位算法

用戶終端與各個基站之間通過藍牙4.1微微網(wǎng)拓撲網(wǎng)絡進行距離信息傳輸，最終將各個距離值傳輸?shù)街醒肟刂破脚_，其再用本系統(tǒng)的定位算法進行運算，從而實現(xiàn)對車主用戶端的實時定位。

圖6　定位算法示意圖

該定位算法以一個微元(1個主機，3個從機)為基礎構建定位網(wǎng)絡，如圖6所示。整個程序算法通過C語言實現(xiàn)。室內定位軟件算法基于蜜蜂網(wǎng)絡的信息源傳輸特點進行“3點確定1點”的定位。

圖6中，左上藍牙錨節(jié)點(從機1)到手機客戶端的距離為s1，左下藍牙錨節(jié)點(從機2)到手機客戶端的距離為s2，右上藍牙錨節(jié)點(從機3)到手機客戶端的距離為s3 ,先確定3個輸入量是否正常，再判斷是否形成四面體，然后根據(jù)動態(tài)的“3點確定1點”算法算出手機客戶端在空間平面的各個坐標點值，最后對每個信號值清零。程序流程圖如圖7所示。

圖7　程序流程圖

3.4上位機設計

藍牙4.1組網(wǎng)定位系統(tǒng)得到的距離數(shù)據(jù)信息發(fā)送至中央控制平臺，中央控制平臺經(jīng)過定位算法運算后，將最終得到的定位信息發(fā)送至上位機監(jiān)控端，這樣車位的信息及用戶自己的車位信息便可一目了然。

本系統(tǒng)設計的上位機采用LabView設計而成，如圖8所示。該設計可將中央控制平臺運算處理的結果坐標圖形化顯示在界面上，使人們可以更直觀地得到車位信息，簡潔高效。

結語

圖8　上位機界面示意圖

基于藍牙4.1技術，提出了一種組網(wǎng)定位系統(tǒng)，將車輛進行實時定位，并通過中央控制平臺進行運算處理，最后通過其WiFi模塊將定位信息發(fā)送至上位機或手機終端設備上進行顯示。本設計具有一定的實用性，對提升現(xiàn)代停車場效率有很大的幫助。但由于種種原因，此系統(tǒng)還存在一些不足，比如定位的范圍還需要加大。希望本系統(tǒng)未來可以運用在停車場中。

參考文獻

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Positioning System in Parking Lot Based on Bluetooth 4.1 Base Station Network

Xie Zhongxiao,Han Shengwei

(China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Abstract：In order to improve the efficiency of the modern parking lot and assist for parking and picking up the cars,a smart positioning system in parking lot based on Bluetooth 4.1 is proposed in this paper.The system takes RFID MCU CC2540 as the signal station,and the ARM Cortex-A8 MPU as the central control platform.The system achieves the car positioning in parking lot using the multiple Bluetooth 4.1 signal stations network.And then it sends the positioning information to PC,the mobile phones and other devices through the WiFi module in control processor.The experimental results show that the system has high accuracy and low power consumption,which can be widely applied in many parking lots.

Key words:Bluetooth 4.1;positioning system in parking lot;ARM Cortex-A8;low power consumption

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-09-12)

中圖分類號:TN92

文獻標識碼:A

* 基金項目：省部級-2015年浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃暨新苗人才計劃(2015R409029)。