一種基于無線傳感網的車位檢測系統設計

陳國林，佘洪波，董金榮，池上升

（福州大學 物理與信息工程學院 福建省集成電路設計中心，福州350003）

引 言

伴隨著我國科技和經濟的進步，汽車產業在近幾年進入了迅猛發展階段。根據統計數據，2013年，我國汽車保有量已達到1.37億輛，是2003年汽車數量的5.7倍，占全部機動車的比率達到54.9%，比10年前提高了29.9%［1］。汽車數量急劇增長，但相應的配套設施和監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量，另一方面則是要提高停車的效率。

本文所設計的智能停車系統采用地磁檢測機制并結合無線傳感網技術，具有車位檢測節點功耗低、系統部署維護方便、施工成本低等特點，檢測節點和路由節點之間采用433 MHz傳輸，對環境無特殊要求，抗干擾能力強。車主能夠通過本系統在第一時間獲取到車位的空余信息，進而提高停車效率，有效地緩解了停車壓力。

1 系統設計方案

智能停車系統的框架如圖1所示。位于車位下方的地磁檢測節點實時采集車位占用信息，然后將采集到的信息經過處理后傳送到轉換節點。轉換節點將接收到的數據打包成Socket數據包，傳輸到由ARM＋Android平臺搭建的匯聚節點。一個匯聚節點負責把單個停車場的車位情況發送到遠程的數據中心，并產生車位引導信息，傳送至該停車場的車位引導子系統。安卓手機客戶端用戶可以通過網絡查詢到車位的空余信息。

圖1 智能地磁停車系統框架圖

2 系統硬件設計

2.1 地磁車位檢測節點

地磁車位檢測節點采用低功耗設計，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。節點無需經常更換鋰電池，或給鋰電池充電，這樣就能夠將做好防水工業封裝的節點埋于車位下方，從而大大方便了施工安裝和后期的維護。車位檢測節點實物圖如圖2所示。

圖2 地磁車位檢測節點實物圖

2.1.1 檢測節點主控芯片

TI的MSP430 系列是一個16 位的、具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機。它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段，其高度靈活的定時系統、多種低功耗模式、即時喚醒以及智能化自主型外設，不僅可實現真正的超低功耗優化，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

傳統的車位檢測方式有射頻識別、超聲波、紅外探測、感應線圈等，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則利用了汽車會對周圍地磁場產生擾動這一特性，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。

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

MAG3110的參數特性如表1所列。

表1 MAG3110的參數特性

MAG3110與MSP430單片機的連接如圖3所示。

圖3 MAG3110與MSP430單片機的連接圖

2.1.3 檢測節點無線傳輸模塊

由于地磁車位檢測節點安裝在車位的下方，當車位上有車輛停靠的時候，會影響無線信號的傳輸，而且停車場內有很多鋼筋混凝土結構的墻壁或柱子，會對無線信號產生折射干擾，因此需要選用繞障穿透能力和傳輸距離都優于2.4GHz的1GHz以下的無線傳輸模塊。

nRF905單片無線收發器主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM 頻段［4］。MCU 通過SPI接口對nRF905進行編程配置，nRF905電流消耗很低，在發射功率為－10dBm 時，發射電流為11 mA，接收電流為12.5mA，進入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點這樣低功耗、低成本的系統設計［4］。

nRF905與MSP430單片機的連接如圖4所示。

圖4 nRF905與MSP430單片機的連接圖

2.2 中繼節點

中繼節點和檢測節點在硬件上唯一的差別就是少了MAG3110地磁檢測模塊。

2.3 轉換節點

轉換節點和中繼節點以及車位檢測節點組成一個簡單的自組織Mesh網絡，并且負責將接收到的車位檢測節點的數據進行拆包后重新封裝成Socket數據包，發送到匯聚節點以及后面的遠程數據中心。

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

CC3200發射功率和接收靈敏度如表2所列。

表2 CC3200發射功率和靈敏度

轉換節點主要硬件連接如圖5所示。

圖5 轉換節點主要硬件連接

3 系統軟件設計

3.1 檢測處理算法

車位檢測節點工作環境比較復雜，干擾較多，如：溫度、周圍的車輛等，而且同一地點地磁場的強弱會隨時間產生一些變化，因此車位檢測節點采集到的數據不能簡單地直接使用，需要借助一定的算法對這些原始數據進行處理。

該算法主要由三部分組成：平滑濾波算法、基于時間的閾值判定算法、自校正基準場算法。綜合考慮車位檢測節點單片機的性能，低功耗的設計要求以及濾波的效果，平滑濾波部分使用改進的限幅移動窗口均值濾波算法，如下所示：

式中，i∈Z＋，Ai表示車位檢測節點采集到的數據經過濾波后的結果，Si表示采集窗口長度為W 的數據的總和，Ci表示每次采集到的車位的磁場的值，B表示自校正基準場的值，T 表示判定閾值，β表示大噪聲系數，Δ 表示最大采樣偏差。

3.2 低功耗的實現

車位檢測節點的低功耗主要是結合MSP430單片機的低功耗模式（LPM）、常開門電路控制MAG3110以及事件觸發驅動型工作模式這3種方式實現的。節點工作過程如圖6所示。

圖6 檢測節點工作過程

3.3 無線組網

本系統中，檢測節點地址固定，檢測節點地址和其實際地理位置綁定，轉換節點和中繼節點以及車位檢測節點組成一個簡單的Mesh網絡，檢測節點可以直接和中繼節點、轉換節點通信，中繼節點之間可以相互通信，網絡拓撲結構如圖7所示。

圖7 系統自組網拓撲結構

系統數據幀結構如圖8所示。

圖8 數據幀結構

3.4 Socket編程

轉換節點將接收到的車位檢測節點的數據進行拆包后重新封裝成Socket數據包，其軟件部分除了組網編程之外，還包括下面3部分：CC3200的SmartConfig編程、解析檢測節點的數據包、Socket編程。

4 系統實驗測試

4.1 組網測試

依次開啟檢測節點、中繼節點、轉換節點的電源，中繼節點接入串口，打印調試信息。圖9記錄了檢測節點FF FF A1EC發送的數據包經過兩個中繼節點發送到轉換節點00 00 00 01的過程。

圖9 組網調試信息

4.2 車位檢測實驗數據

為了減少周圍車輛對檢測結果的干擾，主要使用MAG3110的Z軸數據。對Z軸數據使用改進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

結合自校正基準場和閾值判定的結果如圖11所示。

圖11 車位使用情況判定

結 語

本文所設計的車位檢測系統結合了無線傳感網技術和地磁檢測技術，具有檢測準率高、組網方便、抗干擾能力強和低功耗等特點。本系統可以實現對車位使用情況的實時監測，具有一定的實用價值和應用前景。

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

［2］利爾達科技，王薪宇，鄭淑軍，等.CC430無線傳感網絡單片機原理與應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，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.