基于ZigBee和GSM的智能停車系

吳　平

(1.北京航天自動控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技術國家級重點實驗室)

?

吳平1,2

(1.北京航天自動控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技術國家級重點實驗室)

設計了一種采用ZigBee低功耗通信技術采集和匯集車位信息、GSM實現用戶交互的智能停車系統。系統主要由車位信息采集模塊、信息集中處理模塊以及用戶終端3個部分組成。車位上的停車情況由地磁傳感器的差分信息提取，用戶可以通過GSM終端查詢停車場的車位情況。系統可靠地完成了地磁傳感器到用戶終端的數據鏈路，實現了車位信息資源的共享，提高了車位信息的透明度，能夠有效地提高城市停車的效率。

智能停車；ZigBee；GSM；地磁傳感器

引　言

隨著國民經濟的迅猛增長，我國汽車消費保持著高速增長的勢頭。私家車給人們帶來生活的便利，同時也造成路況的擁堵。車輛動靜狀態的切換會在很大程度上影響道路的通行能力，增加交通事故的發生概率，同時低速駕駛會加大尾氣的排放量。相關路況調查報告指出，有相當可觀的交通流量是為了尋找停車位而造成的無用功車流，尤其常見于中國大城市的核心城區[1]。核心城區的土地資源稀缺，車位供給量和需求量的矛盾日益加劇，因此科學有效的停車管理技術成為當前熱門的研究課題。

國內外許多智能停車系統的研究重點是在停車場確定的前提下，設計停車引導系統和收費管理系統，實現停車場車輛管理的自動化，提高車輛的入庫停車效率[2]。本文所設計的智能停車系統是這些研究的前項環節，即透明化用戶周邊的車位群信息，篩選并鎖定合適的停車場及車位。

1　總體方案設計

本文設計的智能停車管理系統主要包括3個部分：車位信息采集模塊、信息集中處理模塊、用戶終端。系統組成結構圖如圖1所示。用戶終端需要支持GSM功能的智能設備。

圖1　系統組成結構圖

1.1系統功能

車位信息采集模塊安裝在每個車位的前方。車輛感知傳感器采用的是地磁傳感器，車輛識別方法基于“地磁場高斯理論”。傳感器連續采樣車位上的地磁信息，通過差分對比的方式就能判斷當前車位的停車情況。完成一次車位信息采樣后，采集模塊通過ZigBee無線通信將結果發送給信息集中處理模塊。

信息集中處理模塊利用集成的ZigBee功能收集停車場里所有的車位停車信息，通過GSM網絡與用戶的GSM終端進行數據交互。同時該模塊集成GPS功能，利用已知的高精度定位信息獲得差分GPS，提供給用戶以提高定位精度。

用戶終端可以通過GSM查詢空閑的停車車位、周邊的停車場反饋停車情況并制定停車方案，同時也可以對訂制的個人車位監控，警報車位被占或車輛盜竊。

1.2系統選型

用戶終端除了需要支持GSM功能以外，不需要進行其他硬件設計，車位信息采集模塊和信息集中處理模塊還需要進行硬件電路設計。

(1) 車位信息采集模塊

車位信息采集模塊主要包括主控芯片、ZigBee通信模塊、地磁傳感器模塊。由于該模塊分布在停車場的各個車位里，需要通過電池供電，因此需要特別注意低功耗設計。

ZigBee模塊選用TI公司的RF收發器芯片CC2520[3]。地磁傳感器選用Honeywell公司的三軸低強度磁場傳感器芯片HMC5843[4]。主控芯片選用TI公司的MSP430系列超低功耗MCU產品MSP430F5340[5]。

車位信息采集模塊的結構如圖2所示。

圖2　車位信息采集模塊結構圖

(2) 信息集中處理模塊

信息集中處理模塊主要包括主控芯片、ZigBee通信模塊、GSM通信模塊。ZigBee模塊仍然采用CC2520芯片，GSM模塊選用SIMCOM公司生產的SMT封裝模塊SIM908[6]，其集成了GPS/GSM功能。

考慮到信息處理量較大，需要選擇速度得當的主控芯片。本文選用ST公司生產的基于ARM Cortex-M3架構的STM32F103VET6芯片(以下簡稱STM32)。信息集中處理模塊的結構如圖3所示。

圖3　信息集中處理模塊結構圖

2　硬件電路設計

2.1微控制器接口

車位信息采集模塊主控芯片MSP430F5340需要連接的器件是CC2520和HMC5843。CC2520需要四線SPI接口(CSN、CLK、MISO、MOSI)和一路復位信號，HMC5843需要I2C接口(SDA、SCL)。MSP430F5340引腳資源的分配如表1所列。

表1　MSP430F5340引腳資源分配

信息集中處理模塊主控芯片STM32F103VET6連接芯片CC2520和SIM908。CC2520同樣需要四線SPI接口和復位信號，SIM908需要UART接口(TXD、RXD)和一路模塊功能開關信號PWRKEY。STM32F103VET6引腳資源的分配如表2所列。

表2　STM32F103VET6引腳資源分配

2.2電源電路

本系統主控芯片和外圍電路的供電電壓為3.3 V，選用AMS1117穩壓芯片，5 V電源輸入、3.3 V穩定電壓輸出，電流輸出達到1 A，能夠滿足系統的供電需求。電路設計如圖4所示。

圖4　電源電路

車位信息采集模塊的5 V輸入由5 V鋰電池提供；信息集中處理模塊的5 V輸入采用常見的220 V交流電輸入、5 V直流輸出的電源適配器即可。

2.3CC2520電路

CC2520通過四線SPI接口方式與MSP430F5340或STM32連接，CC2520作為從設備，MSP430F5340或STM32作為主設備。SPI接口通過MSP430F5340的GPIO P1.1～P1.4(STM32的GPIO PE8～PE11)時序模擬實現。選擇GPIO模擬SPI是因為該方法具有操作直觀、靈活可變等優點。CC2520的DCOUPL引腳通過外接100 nF電容提供1.8 V的去耦電壓，RBIAS外接的56 kΩ電阻為參考電流提供精確的偏置電阻，CC2520外圍電路設計如圖5所示。

圖5　CC2520外圍電路

RF_P和RF_N是射頻電路的接口，采用傳輸線平衡/不平衡變換的方式連接到天線兩端，由分立的電容和電感構成，如圖6所示。該方式與50 Ω的天線負載最匹配。

圖6　CC2520射頻天線電路

2.4HMC5843電路

HMC5843與MSP430F5340通過I2C接口連接，其中HMC5843作為從設備，MSP430F5340作為主設備。I2C接口與MSP430F5340的I2C接口(P3.0、P3.1)連接。HMC5843采用單電源(AVDD)工作模式，VREN與AVDD相連。I2C總線空閑時候需要通過上拉電阻連接高電平，這里接上拉電阻2 kΩ，支持總線技術規格標準(100 kbps)和快速模式(400 kbps)。單電源工作模式下，DVDD需要與C1連接。SETP和SETC之間按照技術手冊連接220 nF的C2電容。電路設計圖如圖7所示。

圖7　HMC5843外圍電路

2.5SIM908電路

SIM908與外部的接口主要包括STM32的控制接口、射頻天線接口和SIM卡接口。STM32通過UART接口(PA9、PA10)發送AT指令控制SIM908的工作。PWRKEY與STM32的GPIO PA8連接，通過控制PWRKEY引腳輸入至少1 s的低電平后恢復高電平，可切換模塊的開啟和關閉狀態。SIM908的SIM卡接口支持GSM Phase1和 GSM Phase2+，供電通過內部調節器提供，選用Amphenol的6芯SIM卡槽C70710M0065122，22 Ω電阻是為了在SIM卡接口連接異常時保護SIM908。GSM和GPS的天線接口具有50 Ω的阻抗，可參考用戶手冊選擇天線。電路設計略——編者注。

3　嵌入式軟件設計

3.1軟件總體設計

嵌入式軟件的設計主要包括MSP430F5340和STM32F103VET6兩個主控芯片的軟件設計。軟件流程圖如圖8所示。

圖8　軟件流程圖

信息采集模塊需要特別注意低功耗的設計，在軟件上需要精減不必要的流程，增加MSP430F5340在定時器周期內的休眠時間。

3.2HMC5843車輛檢測模塊軟件設計

HMC5843是三軸磁傳感器，不僅能夠根據三軸磁力的變化感應車輛的存在，還能夠通過不同軸向上的磁力變化區分車輛的移動方向[8]。這里主要用于判斷車輛的有無，判斷依據如下：

其中，Xt、Yt、Zt分別對應的是HMC5843三軸在t時刻的A/D采樣值，Gave是車位空閑時候的磁力大小，Threshold是程序設定的閾值。當A/D采樣值與車位空閑時的磁力差超過閾值，系統認為車位有車。

HMC5843有5種工作模式：連續測量模式、單一測量模式、閑置模式、睡眠模式、關機模式。這里設置為單一測量模式，因為在該模式下完成一次A/D采樣后自動轉為睡眠模式，可以降低功耗。在出廠默認設置中，HMC5843的I2C地址為0x3C(寫入操作)、0x3D(讀出操作)。

下面是完成一次A/D采樣的C語言程序，其中I2C讀寫操作函數的第一個參數是設備地址，第二個參數是內部地址，第三個參數是讀數的保存地址或者寫數據。

I2C_Write(0x3C,0x00,0x10);//復位操作

I2C_Write(0x3C,0x02,0x00);//設置單一測量模式

RDY = 0x00;

while(!(RDY & 0x01))

I2C_Read(0x3D,0x09,RDY);//獲取采樣好標志

I2C_Read(0x3D,0x03,X_MSB);//獲取X軸采樣值

需要特別注意以下幾點：①多次采樣后需要進行復位操作，否則采樣值會遭到嚴重的電磁干擾；②單一采樣模式完成采樣后會自動跳轉為睡眠模式，需要重新設置工作模式；③芯片的RDY可用來作為采樣完的信號，接入單片機以上升沿觸發中斷，也可以通過內部的狀態寄存器(0x09)進行軟件操作。

3.3CC2520 ZigBee模塊軟件設計

CC2520是一個半雙工的射頻收發芯片，發送緩沖區和接收緩沖區獨立，各占用128位空間，

CC2520支持信道在線編程，通過配置寄存器FREQCTRL完成。信道中心頻率的計算方法如下：

Fc=(2394+FREQCTRL.FREQ)=2405+5×K

其中K為0～25的整數，由上式可以根據所需的信道中心頻率配置FREQCTRL寄存器。

CC2520的軟件設計部分主要包括芯片的初始化、發送數據幀和接收數據幀。初始化示例程序、發送示例程序略——編者注。

3.4SIM908 GSM模塊軟件設計

SIM908的啟動通過PWRKEY引腳下拉低電平1 s以上完成。SIM908通過UART接口與STM32連接，接口初始默認波特率為9 600 bps，通過AT指令進行控制。AT指令以“AT”開頭、回車結尾,AT指令發送后，正常情況下會收到SIM908的回復。通過UART發送的AT指令需要轉為ASCII碼。

SIM908的軟件設計主要包括將車庫信息通過GSM發送到用戶終端、利用GPS功能獲取坐標并發送位置差分數據。AT指令發送流程及應答略——編者注。

本系統可以根據終端的應用程序需求發送不同類型的文本信息，例如發送坐標信息可以投影到地圖中、車位的開關量顯示等。

結　語

系統完成了車位磁傳感器到用戶終端的數據鏈路，提高了車庫信息的透明度，方便用戶尋找停車位。智能停車系統是支撐智慧城市項目的子內容之一，具有廣闊的應用前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

[1] 周偉.城市動態路況信息下交通行為的研究[D].大連:大連理工大學,2012.

[2] 楊吉飛.基于物聯網的智能停車繳費系統設計和實現[D].上海:復旦大學,2010.

[3] TI.2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZIGBEE RF TRANSCEIVER [EB/OL].[2015-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2520.pdf.

[4] HONEYWELL.HMC5843 Data Sheet [EB/OL].[2015-10].http://www.honeywell- sensor.com.cn.

[5] TI.MSP430F5340 Data Sheet [EB/OL].[2015- 10].http://www.ti.com/lit/ds/slas706e/slas706e.pdf.

[6] SIMCOM.SIM908 Data Sheet[EB/OL].[2015- 10].http://www.simcomm2m.com.

[7] ST Microelectronics.STM32F10xxx參考手冊 [EB/OL].[2015- 10].http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/CD00171190.pdf.

[8] 劉傳瑞.基于ZigBee和地磁傳感器的新型無線交通監控系統的研究與實現[D].成都:電子科技大學,2011:21- 27.

吳平(助理工程師)，主要研究視覺導航、組合導航、嵌入式系統應用。

Wu Ping1,2

(1.Beijing Aerospace Automatic Control Institute,Beijing 100854,China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligent Control)

An intelligent parking system is designed which uses ZigBee technology collecting the parking information and GSM executing the user interaction.The system consists of three parts:the parking information collection module,the centralized information processing module and the user terminal.The parking space information is collected by the differential information from the geomagnetic sensor.The user can query the parking space information from the GSM terminal.The system reliably completes the data link between the geomagnetic sensor and the user terminal.It greatly benefits in sharing parking information,user-friendly parking options and further improving efficiency of the city parking.

intelligent parking;ZigBee;GSM;geomagnetic sensor

TP274.2

A

(責任編輯：薛士然2015-10-30)