基于ZigBee和GSM的智能停車(chē)系

吳　平

(1.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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吳平1,2

(1.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

設(shè)計(jì)了一種采用ZigBee低功耗通信技術(shù)采集和匯集車(chē)位信息、GSM實(shí)現(xiàn)用戶交互的智能停車(chē)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由車(chē)位信息采集模塊、信息集中處理模塊以及用戶終端3個(gè)部分組成。車(chē)位上的停車(chē)情況由地磁傳感器的差分信息提取，用戶可以通過(guò)GSM終端查詢停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位情況。系統(tǒng)可靠地完成了地磁傳感器到用戶終端的數(shù)據(jù)鏈路，實(shí)現(xiàn)了車(chē)位信息資源的共享，提高了車(chē)位信息的透明度，能夠有效地提高城市停車(chē)的效率。

智能停車(chē)；ZigBee；GSM；地磁傳感器

引　言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng)，我國(guó)汽車(chē)消費(fèi)保持著高速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。私家車(chē)給人們帶來(lái)生活的便利，同時(shí)也造成路況的擁堵。車(chē)輛動(dòng)靜狀態(tài)的切換會(huì)在很大程度上影響道路的通行能力，增加交通事故的發(fā)生概率，同時(shí)低速駕駛會(huì)加大尾氣的排放量。相關(guān)路況調(diào)查報(bào)告指出，有相當(dāng)可觀的交通流量是為了尋找停車(chē)位而造成的無(wú)用功車(chē)流，尤其常見(jiàn)于中國(guó)大城市的核心城區(qū)[1]。核心城區(qū)的土地資源稀缺，車(chē)位供給量和需求量的矛盾日益加劇，因此科學(xué)有效的停車(chē)管理技術(shù)成為當(dāng)前熱門(mén)的研究課題。

國(guó)內(nèi)外許多智能停車(chē)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)是在停車(chē)場(chǎng)確定的前提下，設(shè)計(jì)停車(chē)引導(dǎo)系統(tǒng)和收費(fèi)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛管理的自動(dòng)化，提高車(chē)輛的入庫(kù)停車(chē)效率[2]。本文所設(shè)計(jì)的智能停車(chē)系統(tǒng)是這些研究的前項(xiàng)環(huán)節(jié)，即透明化用戶周邊的車(chē)位群信息，篩選并鎖定合適的停車(chē)場(chǎng)及車(chē)位。

1　總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能停車(chē)管理系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：車(chē)位信息采集模塊、信息集中處理模塊、用戶終端。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。用戶終端需要支持GSM功能的智能設(shè)備。

圖1　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

1.1系統(tǒng)功能

車(chē)位信息采集模塊安裝在每個(gè)車(chē)位的前方。車(chē)輛感知傳感器采用的是地磁傳感器，車(chē)輛識(shí)別方法基于“地磁場(chǎng)高斯理論”。傳感器連續(xù)采樣車(chē)位上的地磁信息，通過(guò)差分對(duì)比的方式就能判斷當(dāng)前車(chē)位的停車(chē)情況。完成一次車(chē)位信息采樣后，采集模塊通過(guò)ZigBee無(wú)線通信將結(jié)果發(fā)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(chē)場(chǎng)里所有的車(chē)位停車(chē)信息，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)與用戶的GSM終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)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(guò)GSM查詢空閑的停車(chē)車(chē)位、周邊的停車(chē)場(chǎng)反饋停車(chē)情況并制定停車(chē)方案，同時(shí)也可以對(duì)訂制的個(gè)人車(chē)位監(jiān)控，警報(bào)車(chē)位被占或車(chē)輛盜竊。

1.2系統(tǒng)選型

用戶終端除了需要支持GSM功能以外，不需要進(jìn)行其他硬件設(shè)計(jì)，車(chē)位信息采集模塊和信息集中處理模塊還需要進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。

(1) 車(chē)位信息采集模塊

車(chē)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(chē)場(chǎng)的各個(gè)車(chē)位里，需要通過(guò)電池供電，因此需要特別注意低功耗設(shè)計(jì)。

ZigBee模塊選用TI公司的RF收發(fā)器芯片CC2520[3]。地磁傳感器選用Honeywell公司的三軸低強(qiáng)度磁場(chǎng)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(chǎn)品MSP430F5340[5]。

車(chē)位信息采集模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　車(chē)位信息采集模塊結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(dāng)?shù)闹骺匦酒１疚倪x用ST公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的STM32F103VET6芯片(以下簡(jiǎn)稱STM32)。信息集中處理模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　信息集中處理模塊結(jié)構(gòu)圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.1微控制器接口

車(chē)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(fù)位信號(hào)，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(fù)位信號(hào)，SIM908需要UART接口(TXD、RXD)和一路模塊功能開(kāi)關(guān)信號(hào)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(tǒng)主控芯片和外圍電路的供電電壓為3.3 V，選用AMS1117穩(wěn)壓芯片，5 V電源輸入、3.3 V穩(wěn)定電壓輸出，電流輸出達(dá)到1 A，能夠滿足系統(tǒng)的供電需求。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4　電源電路

車(chē)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(jiàn)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(guò)四線SPI接口方式與MSP430F5340或STM32連接，CC2520作為從設(shè)備，MSP430F5340或STM32作為主設(shè)備。SPI接口通過(guò)MSP430F5340的GPIO P1.1～P1.4(STM32的GPIO PE8～PE11)時(shí)序模擬實(shí)現(xiàn)。選擇GPIO模擬SPI是因?yàn)樵摲椒ň哂胁僮髦庇^、靈活可變等優(yōu)點(diǎn)。CC2520的DCOUPL引腳通過(guò)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(shè)計(jì)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(gòu)成，如圖6所示。該方式與50 Ω的天線負(fù)載最匹配。

圖6　CC2520射頻天線電路

2.4HMC5843電路

HMC5843與MSP430F5340通過(guò)I2C接口連接，其中HMC5843作為從設(shè)備，MSP430F5340作為主設(shè)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(shí)候需要通過(guò)上拉電阻連接高電平，這里接上拉電阻2 kΩ，支持總線技術(shù)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)(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(shù)手冊(cè)連接220 nF的C2電容。電路設(shè)計(jì)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(guò)UART接口(PA9、PA10)發(fā)送AT指令控制SIM908的工作。PWRKEY與STM32的GPIO PA8連接，通過(guò)控制PWRKEY引腳輸入至少1 s的低電平后恢復(fù)高電平，可切換模塊的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)。SIM908的SIM卡接口支持GSM Phase1和 GSM Phase2+，供電通過(guò)內(nèi)部調(diào)節(jié)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(shí)保護(hù)SIM908。GSM和GPS的天線接口具有50 Ω的阻抗，可參考用戶手冊(cè)選擇天線。電路設(shè)計(jì)略——編者注。

3　嵌入式軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件總體設(shè)計(jì)

嵌入式軟件的設(shè)計(jì)主要包括MSP430F5340和STM32F103VET6兩個(gè)主控芯片的軟件設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)，在軟件上需要精減不必要的流程，增加MSP430F5340在定時(shí)器周期內(nèi)的休眠時(shí)間。

3.2HMC5843車(chē)輛檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

HMC5843是三軸磁傳感器，不僅能夠根據(jù)三軸磁力的變化感應(yīng)車(chē)輛的存在，還能夠通過(guò)不同軸向上的磁力變化區(qū)分車(chē)輛的移動(dòng)方向[8]。這里主要用于判斷車(chē)輛的有無(wú)，判斷依據(jù)如下：

其中，Xt、Yt、Zt分別對(duì)應(yīng)的是HMC5843三軸在t時(shí)刻的A/D采樣值，Gave是車(chē)位空閑時(shí)候的磁力大小，Threshold是程序設(shè)定的閾值。當(dāng)A/D采樣值與車(chē)位空閑時(shí)的磁力差超過(guò)閾值，系統(tǒng)認(rèn)為車(chē)位有車(chē)。

HMC5843有5種工作模式：連續(xù)測(cè)量模式、單一測(cè)量模式、閑置模式、睡眠模式、關(guān)機(jī)模式。這里設(shè)置為單一測(cè)量模式，因?yàn)樵谠撃Ｊ较峦瓿梢淮蜛/D采樣后自動(dòng)轉(zhuǎn)為睡眠模式，可以降低功耗。在出廠默認(rèn)設(shè)置中，HMC5843的I2C地址為0x3C(寫(xiě)入操作)、0x3D(讀出操作)。

下面是完成一次A/D采樣的C語(yǔ)言程序，其中I2C讀寫(xiě)操作函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是設(shè)備地址，第二個(gè)參數(shù)是內(nèi)部地址，第三個(gè)參數(shù)是讀數(shù)的保存地址或者寫(xiě)數(shù)據(jù)。

I2C_Write(0x3C,0x00,0x10);//復(fù)位操作

I2C_Write(0x3C,0x02,0x00);//設(shè)置單一測(cè)量模式

RDY = 0x00;

while(!(RDY & 0x01))

I2C_Read(0x3D,0x09,RDY);//獲取采樣好標(biāo)志

I2C_Read(0x3D,0x03,X_MSB);//獲取X軸采樣值

需要特別注意以下幾點(diǎn)：①多次采樣后需要進(jìn)行復(fù)位操作，否則采樣值會(huì)遭到嚴(yán)重的電磁干擾；②單一采樣模式完成采樣后會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)為睡眠模式，需要重新設(shè)置工作模式；③芯片的RDY可用來(lái)作為采樣完的信號(hào)，接入單片機(jī)以上升沿觸發(fā)中斷，也可以通過(guò)內(nèi)部的狀態(tài)寄存器(0x09)進(jìn)行軟件操作。

3.3CC2520 ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)

CC2520是一個(gè)半雙工的射頻收發(fā)芯片，發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)獨(dú)立，各占用128位空間，

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

Fc=(2394+FREQCTRL.FREQ)=2405+5×K

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

CC2520的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括芯片的初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)幀和接收數(shù)據(jù)幀。初始化示例程序、發(fā)送示例程序略——編者注。

3.4SIM908 GSM模塊軟件設(shè)計(jì)

SIM908的啟動(dòng)通過(guò)PWRKEY引腳下拉低電平1 s以上完成。SIM908通過(guò)UART接口與STM32連接，接口初始默認(rèn)波特率為9 600 bps，通過(guò)AT指令進(jìn)行控制。AT指令以“AT”開(kāi)頭、回車(chē)結(jié)尾,AT指令發(fā)送后，正常情況下會(huì)收到SIM908的回復(fù)。通過(guò)UART發(fā)送的AT指令需要轉(zhuǎn)為ASCII碼。

SIM908的軟件設(shè)計(jì)主要包括將車(chē)庫(kù)信息通過(guò)GSM發(fā)送到用戶終端、利用GPS功能獲取坐標(biāo)并發(fā)送位置差分?jǐn)?shù)據(jù)。AT指令發(fā)送流程及應(yīng)答略——編者注。

本系統(tǒng)可以根據(jù)終端的應(yīng)用程序需求發(fā)送不同類型的文本信息，例如發(fā)送坐標(biāo)信息可以投影到地圖中、車(chē)位的開(kāi)關(guān)量顯示等。

結(jié)　語(yǔ)

系統(tǒng)完成了車(chē)位磁傳感器到用戶終端的數(shù)據(jù)鏈路，提高了車(chē)庫(kù)信息的透明度，方便用戶尋找停車(chē)位。智能停車(chē)系統(tǒng)是支撐智慧城市項(xiàng)目的子內(nèi)容之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] 周偉.城市動(dòng)態(tài)路況信息下交通行為的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2012.

[2] 楊吉飛.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能停車(chē)?yán)U費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D].上海:復(fù)旦大學(xué),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(cè) [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(wú)線交通監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2011:21- 27.

吳平(助理工程師)，主要研究視覺(jué)導(dǎo)航、組合導(dǎo)航、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(zé)任編輯：薛士然2015-10-30)