彭宏偉，周 璇，彭 宇，梁列全，杜梓均

（1.上海創(chuàng)感傳感技術有限公司，上海 200000；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510000；3.廣東財經大學 信息學院，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著人民生活水平的不斷提高，城市機動車保有量呈爆炸性增長。據(jù)統(tǒng)計，2020年全國機動車保有量達3.72億輛，其中汽車2.81億輛。城市汽車保有量與停車位供求關系矛盾逐步凸顯，停車難問題遏制了城市發(fā)展進程。低成本、高精度的車位檢測系統(tǒng)是城市智慧交通的重要組成部分。物聯(lián)網、傳感器以及計算機技術的高速發(fā)展為高效、低功耗、低成本的智能車位檢測系統(tǒng)的研制提供了有效的技術手段。

車位占用檢測技術是智能車位檢測系統(tǒng)的關鍵，包括紅外線、電磁感應線圈、超聲波、微波雷達、視頻、地磁以及聲學檢測等多種方式。其中，電磁感應線圈、微波雷達、視頻檢測三種檢測方式雖然精度較高、抗干擾能力強，但安裝維護成本較高，廣泛推廣存在一定難度。紅外線與超聲波檢測方式的成本相對較低，但抗干擾能力較差，且超聲波檢測方式安裝維護難度較高?；诘卮艂鞲衅鞯能囄粰z測方式成本較低、檢測精度高、靈活可靠，是當前智能車位檢測系統(tǒng)方向的研究熱點。

然而，車位占用狀態(tài)檢測過程中，由于車輛種類和停車位排放方式的多樣性以及干擾環(huán)境的影響，容易造成誤檢，且車位占用信息的遠程傳輸仍然存在功耗高、成本高等問題。為此，本文擬結合地磁傳感技術和NB-IoT窄帶物聯(lián)網技術，研制低成本、低功耗、高檢測精度、高效傳輸效率、高可靠性的車位檢測裝置，為城市智慧交通建設提供參考。

1 總體設計方案

本系統(tǒng)主要包括MCU最小系統(tǒng)、NB-IoT模塊（M5311、天線、SIM卡）、電源模塊、地磁傳感器（RM3100），系統(tǒng)結構如圖1所示。其中MCU最小系統(tǒng)包括超低功耗STM32L系列的32位微處理器、晶振電路和復位電路等，用于處理和傳輸?shù)卮艂鞲衅鲾?shù)據(jù)；電源模塊通過穩(wěn)壓芯片TPS62740給主要元器件供電；地磁傳感器模塊RM3100是PNI公司的低成本、高精度的磁感應型地磁傳感器，檢測范圍為±800 μT，測量精度小于10 nT；NB-IoT模塊選用中國移動物聯(lián)網的M5311通信模塊。RM3100模塊和MCU之間采用SPI方式進行通信；NB-IoT模塊和MCU采用UART方式進行通信。

圖1 車位檢測裝置硬件結構

2 硬件設計

2.1 MCU最小系統(tǒng)

選用STM32單片機作為控制模塊，采用的超低功耗STM32L051C8T6單片機是意法半導體公司低功耗STM32L0系列的一款32位微控制器，支持7種工作模式，滿足不同需求，最大程度降低功耗。在進入電源低功耗的停止模式下，STM32L051C8T6的功耗低至4.3 μA，非常適合車位檢測裝置，完全滿足低功耗的需求。MCU最小系統(tǒng)原理設計如圖2所示。

圖2 車位檢測裝置供電電路原理

2.2 地磁傳感器模塊

本設計的地磁傳感器模塊采用PNI公司的16位高精度、低功耗三軸地磁傳感器RM3100，是在東北天坐標系下的3軸磁感應式（Magneto-Impedance, MI）地磁傳感器。磁場測量量程較寬，為±800 μT；且其測量精度小于10 nT，不足地球磁場的0.1%?；赑NI公司專有的磁感應技術，RM3100的性能達到現(xiàn)有MEMS或者霍爾效應傳感器的20倍以上。RM3100采用SPI通信接口和MCU相連，每次測量完成時DRDY引腳變?yōu)楦唠娖?，將DRDY引腳連接到MCU作為MCU外部中斷控制，MCU讀取RM3100寄存器存儲的數(shù)據(jù)。RM3100工作原理如圖3所示。

圖3 RM3100接線原理

2.3 NB-IoT模塊電路

NB-IoT模塊的外圍電路可以劃分為SIM卡電路、串口通信電路、天線電路、開機電路。6引腳SIM卡接線如圖4所示，SIM卡電源主要由NB-IoT模塊電源供應。為了減少噪聲對SIM卡電路的影響，并聯(lián)33 pF的電容進行保護。

圖4 SIM卡接線示意圖

MCU的串口電平為3.3 V，M5311的串口電平為1.8 V，電平不對等。車位檢測裝置使用的轉換芯片型號為TXS1004，具有4路轉換接口。M5311模塊接口如圖5所示，芯片接線如圖6所示。轉換芯片的1.8 V電源由M5311模塊提供，除了PSM模式，其他模式下，M5311的20引腳（VDD_1.8 V）都可以輸出1.8 V電壓。M5311的開關機電路使用獨立開關和三級管聯(lián)動MCU兩種方式進行控制，接線原理如圖7所示，PWR接口連接到MCU的GPIO口。PWEKEY接口連接M5311的PWR（19）引腳，模組通過控制M5311的19引腳電平高低實現(xiàn)開機。

圖5 M5311模塊接口示意圖

圖6 電平轉換芯片示意圖

圖7 M5311開關機電路接線

3 軟件設計

3.1 主程序設計

主程序包括4個主要模塊程序，即：M5311模塊程序、RM3100數(shù)據(jù)采集模塊程序、車位檢測模塊程序、低功耗配置模塊程序。裝置軟件程序的總體流程如圖8所示，首先系統(tǒng)初始化，接著M5311模塊初始化，連接到云平臺；然后RM3100初始化；最后系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，單片機向RM3100發(fā)出檢測指令，裝置采集停車位地磁數(shù)據(jù)，根據(jù)地磁變化通過車位檢測模塊程序判斷當前車位占用狀態(tài)、基值是否需要更新以及檢測裝置能否進入休眠狀態(tài)。若車位狀態(tài)發(fā)生變化，可發(fā)送此時的車位占用信息到OneNET云平臺。車位檢測裝置的系統(tǒng)初始化在STM32Cube MX中完成，包括高低速晶振RCC、NVIC中斷配置、TIM定時器以及UART1/2、SPI2、GPIO等通信接口。

圖8 車位檢測裝置程序流程

3.2 M5311模塊程序

M5311模塊需要在中國移動云平臺上經過“創(chuàng)建產品”和“添加設備”兩個步驟，才能接入云平臺，其中模塊手機卡的用戶識別碼IMSI和移動裝備辨識碼IMEI可以通過AT指令AT+CGSN=1和AT+CIMI分別獲取。

M5311模塊通過串口和MCU模塊進行通信，MCU發(fā)送AT系列指令控制M5311，M5311返回響應信息給MCU，MCU通過響應信息判斷M5311是否注網成功。注網成功后，M5311進行在線設備創(chuàng)建、資源訂閱、登錄云平臺、定時上報車位狀態(tài)信息等操作。

3.3 RM3100數(shù)據(jù)采集模塊

RM3100使用SPI和MCU通信協(xié)議進行通信。RM3100初始化設置計數(shù)器和連續(xù)測量模式（CMM）寄存器。為了保證RM3100的低功耗運行，將其運行狀態(tài)分為兩種：連續(xù)測量狀態(tài)和休眠狀態(tài)。當RM3100連續(xù)多個周期采集地磁數(shù)據(jù)在閾值范圍內波動，則進入休眠狀態(tài)，此時將RM3100設置為單軸報警模式；當RM3100檢測值超過閾值范圍，則喚醒RM3100，進入連續(xù)測量狀態(tài)。由于地磁信號可能受到外界磁場的干擾，RM3100采集的數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波算法進行濾波，以提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。RM3100數(shù)據(jù)采集模塊流程如圖9所示。

圖9 RM3100數(shù)據(jù)采集模塊流程

3.4 車位檢測模塊

磁基值校準實驗過程中發(fā)現(xiàn)，雖然同類型汽車進出車位的波動值相差不大，但排放方式和停車位相鄰車位狀態(tài)不同時，磁場環(huán)境背景值差別較大；且不同類型汽車進出車位引起磁場波動也相差甚遠，如電動車和燃油車。為此，本文提出基值動態(tài)更新法，在每次當前車位或相鄰車位狀態(tài)發(fā)生變化引起較大數(shù)據(jù)波動時，進行基值更新，以減少背景磁場環(huán)境變化而引起的誤判，改善因鄰位車輛以及車輛經過引起車位周圍磁場發(fā)生較大變化而造成的誤檢。車位基值的設定分為無車基值、有車基值；車位狀態(tài)變化的判斷閾值分為無車穩(wěn)定狀態(tài)閾值、有車穩(wěn)定狀態(tài)閾值、車輛駛入判斷閾值、車輛駛出判斷閾值?；岛烷撝荡笮∈疽鈭D如圖10所示。

圖10 車位占用檢測基值和閾值示意圖

3.5 低功耗配置模塊

車位檢測裝置的低功耗特性通過選擇具有低功耗模式的元器件以及各元器件工作模式匹配實現(xiàn)。當車位狀態(tài)發(fā)生變化并更新相應基值后，開啟定時器，連續(xù)工作5 s，狀態(tài)未發(fā)生變化，即判斷車位占用進入穩(wěn)定狀態(tài)，RM3100進入休眠狀態(tài)下的單軸報警模式、MCU進入停止模式，NB-IoT模塊M5311進入PSM模式，裝置進入低功耗運行模式。

4 車位檢測實驗

圖11為裝置的實物圖，圖12為自行開發(fā)的手機APP程序界面，圖13為車位檢測實驗場地。分別進行了電動車和燃油車的車位占用檢測實驗和功耗測試實驗，車位占用實驗結果如圖14所示。經實驗發(fā)現(xiàn)，裝置放置在車輛后軸處地磁數(shù)據(jù)波動比較穩(wěn)定，且裝置能有效檢測電動車和燃油車的車位占用狀態(tài)。低功耗測試實驗結果表明，裝置在休眠狀態(tài)時的平均功耗約為正常工作時的3.8%，完全符合低功耗的設計思路。

圖11 裝置實物圖

圖12 手機APP軟件界面

圖13 車位檢測實驗場地

圖14 車位占用實驗結果

5 結 語

本文設計了基于RM3100地磁傳感器的車位檢測裝置，以STM32L單片機為MCU控制器，以NB-IoT通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，車位檢測實驗驗證了裝置具有良好的檢測效果和工作穩(wěn)定性、低功耗等特點；由于采用動態(tài)基準設置方式，裝置適用于各類型車型和各種停車位模式。