基于LoRa和地磁傳感器的智能停車系統(tǒng)

王 東，呂文濤

(重慶理工大學 計算機科學與工程學院， 重慶 400054)

隨著汽車保有量的劇增，停車難的問題日益嚴重[1]。我國很多城市對停車位的需求已遠超城市空間的承受能力，繼續(xù)增建停車場已無法解決車多位少的問題。因此，對城市里現(xiàn)有停車位統(tǒng)一管理、錯時停車是個很好的舉措。這么做的前提條件是獲取停車位的狀況信息，所以需要一套停車位管理系統(tǒng)。

對停車位的檢測技術(shù)有很多種，但每種技術(shù)都有弊端。磁感線圈[2]檢測施工難度大、成本高、需要有線供電；超聲波檢測[3]、紅外線檢測[4]、圖像檢測[5]均不能在室外使用且易受溫度、光照、雨雪等環(huán)境的影響。選用地磁傳感器[6]檢測停車位，其靈敏度高、體積小、安裝靈活方便、抗干擾能力強，既不受環(huán)境因素，如光照、天氣等的影響，又不受外界電磁波的影響。

物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)有WiFi、藍牙、ZigBee和2G/3G/4G，它們的缺點非常明顯，前三者雖然功耗低但傳輸距離近，后三者傳輸距離遠但功耗高。自從出現(xiàn)了LPWAN(lower power wide area network，低功耗廣域網(wǎng))技術(shù)，便可以最大程度地實現(xiàn)遠距離和低功耗的兼顧。作為LPWAN技術(shù)的一種——LoRa，全稱“Long Range”，是一種基于直序擴頻技術(shù)的低功耗長距離無線通信技術(shù)，抗干擾能力強，具有極好的抗多徑衰落性能[7]。

本文結(jié)合了地磁檢測技術(shù)、LoRa無線通信技術(shù)和GPRS通信技術(shù)，設(shè)計了以停車位為管理核心的停車系統(tǒng)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)相比的優(yōu)勢在于：1)組網(wǎng)方式簡單，維護難度小；2)全程無需上位機和人力的參與；3)所有數(shù)據(jù)匯總到云服務(wù)器，便于管理。這些優(yōu)勢可以有效利用路邊的零散車位，對于解決道路交通狀況，建立良好的交通環(huán)境和秩序有著重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由終端節(jié)點、匯聚節(jié)點(網(wǎng)關(guān))、云服務(wù)器和應(yīng)用軟件組成。終端節(jié)點部署在每個停車位，實時監(jiān)測車輛和車位狀態(tài)；它們與匯聚節(jié)點采用多對一的星狀拓撲結(jié)構(gòu)，匯聚節(jié)點負責接收終端節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)并通過GPRS上傳到云服務(wù)器；云服務(wù)器部署有數(shù)據(jù)庫(和http Server)，為應(yīng)用軟件提供數(shù)據(jù)接口；APP、Web、客戶端等應(yīng)用軟件使用這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)相應(yīng)功能。

圖1 停車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

相較網(wǎng)狀拓撲和樹狀拓撲，星狀拓撲消除了同步開銷和跳數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低的特點，能夠很好地滿足物聯(lián)網(wǎng)的要求；而且LoRa擴頻技術(shù)將傳輸距離增加至3 km，所以可以取消額外的中繼。但是較多的終端節(jié)點連接至一個匯聚節(jié)點，會導致匯聚節(jié)點負擔過重以至于誤碼率增加和網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，可以將其根據(jù)區(qū)域劃分為多個網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)分配一個匯聚節(jié)點，并使不同網(wǎng)絡(luò)工作在不同信道，降低信號間的干擾。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點實現(xiàn)對停車位狀態(tài)的實時監(jiān)測，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)上傳至匯聚節(jié)點。該節(jié)點由主控芯片STM8L051F3、地磁傳感器HMC5883L、SX1278LoRa模塊組成，如圖2所示。為每個停車位提供一個電源接口成本太高，管理和維護的費用也較高，所以每個終端節(jié)點通過電池供電。

圖2 終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

STM8L051F3是一款超低功耗的8位MCU，內(nèi)置8Kb Flash。它有5種低功耗模式，其中最大功耗的模式平均電流僅5.1 μA。

地磁場受經(jīng)緯度、海拔、溫度等的影響，所以在不同地點數(shù)值不同，但是在某一地點的地磁場是趨于穩(wěn)定的[8]。由于車輛是一塊大的金屬導體，因此車輛的靠近會影響該地的地磁場，導致地磁場發(fā)生偏移。而地磁傳感器能夠感知這種變化，進而判斷車輛的狀態(tài)和車位的狀態(tài)。HMC5883L是Honeywell公司的一款三軸各向異性磁阻(AMR)傳感器[9]，可以讀取地磁場在X、Y、Z三軸上的分量，與主控芯片通過I2C接口連接。因為磁場變化的大小表明了車輛對地磁場的干擾程度，所以車輛的存在與否可以通過判斷磁場變化的大小來確定[10]。通過實驗確定一個閾值，有助于忽略旁邊車位的車輛，精確判斷本車位情況。

SX1278LoRa模塊是采用LoRa擴頻調(diào)制技術(shù)的無線傳輸模塊，可選發(fā)射功率、空中速率、信道等參數(shù)，支持空中喚醒，休眠時電流僅2.0 μA，通過UART與主控芯片連接。該模塊通過外部引腳設(shè)置其工作模式，上電后即加入網(wǎng)絡(luò)，并按照內(nèi)部保存的工作參數(shù)工作。

3.2 匯聚節(jié)點硬件設(shè)計

匯聚節(jié)點接收終端節(jié)點發(fā)來的車位狀態(tài)信息，將車位狀態(tài)用LCD顯示出來，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器。該節(jié)點由主控芯片S3C2416、SX1278LoRa模塊、LCD、GPRS模塊SIM900A組成，如圖3所示。因為SIM900A需要穩(wěn)定5 V/2 A直流電源，低電壓或低電流都會導致模塊無法正常工作；況且匯聚節(jié)點可以放置在管理員處，所以匯聚節(jié)點用直流電源供電，不需考慮功耗。

圖3 匯聚節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

S3C2416是一款基于ARM926EJ內(nèi)核的低功耗、低成本、高性能的處理器[11]，具有極強的性價比優(yōu)勢，內(nèi)置的MMU單元為操作系統(tǒng)的運行提供了保證。

SIM900A是SIMCom公司推出的雙頻GSM/GPRS模塊[12-13]，性能穩(wěn)定、性價比高。與S3C2416的UART連接，通過向模塊發(fā)送AT指令來使用SIM900A的TCP/IP協(xié)議棧。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 LoRa通信協(xié)議設(shè)計

本系統(tǒng)自定義LoRa通信協(xié)議。終端節(jié)點按照一定的格式將所傳內(nèi)容封裝成幀，然后發(fā)送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點按照幀格式解析出所需內(nèi)容。之后的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)交付于GPRS，由TCP/IP協(xié)議完成。

LoRa幀格式如表1，目的地址占2個字節(jié)，給每個LoRa模塊分配一個獨一無二的地址；目的信道占1個字節(jié)，每個LoRa模塊都有32個信道可供選擇。FEC前向糾錯碼是一些冗余信息，可以提升抗干擾能力，在接收端可以用它來糾錯碼片。幀負載就是要傳輸?shù)挠行畔ⅲ赏＼囄惶柡屯＼囄粻顟B(tài)組成，停車位號使用LoRa模塊自身的地址，停車位狀態(tài)直接用0/1表示無車/有車。

表1 LoRa幀格式

另外，因為整個LoRa網(wǎng)絡(luò)使用同一信道，多個終端節(jié)點同時向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)會導致數(shù)據(jù)沖突。為避免這一情況，采用發(fā)送/應(yīng)答機制，即匯聚節(jié)點收到有效信息后向源節(jié)點回復收到，若終端節(jié)點沒有收到應(yīng)答幀，則隨機延時一段時間再次發(fā)送，直到發(fā)送成功。

圖4 終端節(jié)點軟件流程

4.2 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點直接運行裸板程序，采用睡眠-喚醒-睡眠的循環(huán)工作模式來降低功耗。喚醒后檢測停車位狀態(tài)，若發(fā)生變化，則上傳數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點；否則繼續(xù)睡眠至下次喚醒，軟件流程如圖4所示。時間片設(shè)為1 s(即每隔1 s檢測一次停車位)。

4.3 匯聚節(jié)點軟件設(shè)計

匯聚節(jié)點運行Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，保證了系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運行。

先移植U-boot到Nand Flash，然后燒寫Linux Kernel、制作根文件系統(tǒng)。該節(jié)點的軟件是以文件系統(tǒng)中的文件存在的，編寫好后交叉編譯為可執(zhí)行文件，與根文件系統(tǒng)一起制作成文件系統(tǒng)，并燒錄到Nand Flash。調(diào)試時采用NFS的方式掛接文件系統(tǒng)。

圖5 匯聚節(jié)點軟件流程

軟件流程如圖5所示，LCD顯示和收發(fā)數(shù)據(jù)并發(fā)進行。由UART發(fā)送一系列的AT命令啟動GPRS數(shù)據(jù)傳輸：(1)AT+CSTT啟動任務(wù)并設(shè)置接入點APN、用戶名、密碼 ；(2)AT+CIICR激活移動場景，發(fā)起GPRS無線連接 ；(3)AT+CIFSR獲取本地IP地址 ；(4)AT+CIPSTART =“TCP”,“公網(wǎng)IP”,端口號，與遠程服務(wù)器建立TCP連接；(5)AT+CIPSEND發(fā)送數(shù)據(jù)，在回復“>”后輸入數(shù)據(jù)，最后輸入0x1A 啟動發(fā)送。當TCP連接保持的時候，僅進行步驟(5)即可，但若一段時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)交互，TCP連接將會自動斷開。我們可以每次發(fā)送數(shù)據(jù)時進行(1)～(5)的步驟，也可以采用持續(xù)發(fā)送心跳包的方式保持TCP連接，一般間隔30 s。

Linux中“萬物皆文件”，匯聚節(jié)點中所有設(shè)備都被抽象為Linux中的一個文件。對它們的操作也就是讀寫相應(yīng)的文件。

收發(fā)數(shù)據(jù)關(guān)鍵代碼如下：

#define LoRa_Device "/dev/ttySAC0"

#define GPRS_Device "/dev/ttySAC1"

fd1= open(LoRa_Device,O_RDWR);

serial_init(fd1); //自建函數(shù)，初始化串口

read(fd1,buf,100); //終端上傳的數(shù)據(jù)存入buf

write(fd1,"ok",strlen("ok")); //發(fā)送應(yīng)答

fd2 = open(GPRS_Device,O_RDWR);

serial_init(fd2);

/*啟動GPRS發(fā)送的一系列AT指令，指令間需要的最小延時不同*/

write(fd2,"AT+CSTT ",strlen("AT+CSTT "));

sleep(1);

write(fd2,"AT+CIICR ",strlen("AT+CIICR "));

sleep(1);

write(fd2,"AT+CIFSR ",strlen("AT+CIFSR "));

sleep(1);

write(fd2,"AT+CIPSTART="TCP","119.23.219.69",4321 ",strlen("AT+CIPSTART="TCP","118.190.93.84",2317 "));

sleep(5);

write(fd2,"AT+CIPSEND ",strlen("AT+CIPSEND "));

sleep(3);

write(fd2,buf,strlen(buf));

sleep(1);

write(fd2,&hex,1);

sleep(3);

LCD顯示關(guān)鍵代碼如下：

#define LCD_Device "/dev/fb0"

fb_open(fbd,LCD_Device);

fb_draw(fbd,COLOR);

圖6 云服務(wù)器軟件流程

//總畫圖函數(shù)，利用描點、劃線的基本函數(shù)實現(xiàn)。

4.4 云服務(wù)器軟件設(shè)計

云服務(wù)器采用阿里云，操作系統(tǒng)是CentOS，在上面部署有MySQL數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器運行Socket監(jiān)聽程序，接收GPRS上傳的數(shù)據(jù)，并存儲到數(shù)據(jù)庫中，軟件流程如圖6所示。

接收GPRS數(shù)據(jù)關(guān)鍵代碼：

sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);

bind(sockfd,(struct sockaddr* )&server_sockaddr,sizeof(struct sockaddr));

listen(sockfd,MAX_QUE_NUM);

accept(sockfd,(struct sockaddr*)&client_sockaddr,&sin_size);

recv(client_fd,buf,BUFFER_SIZE,0);

MySQL數(shù)據(jù)庫操作關(guān)鍵代碼：

g_conn = mysql_init(NULL);

mysql_real_connect(g_conn,g_host_name,g_user_name,g_password,g_dbname,0,NULL,0);

executesql("set name utf8");

if(state==1)

sprintf(sql,"INSERT INTO No_");

strcat(sql,no);

strcat(sql,"(time_in) VALUES(now())");

else

sprintf(sql,"UPDATE No_");

strcat(sql,no);

strcat(sql,"SET time_out=now() WHERE ISNULL (time_out)");

executesql(sql);

4.5 應(yīng)用軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的開放性體現(xiàn)在：開發(fā)不同的應(yīng)用軟件可以實現(xiàn)不同的功能。比如：繳費功能，從云服務(wù)器上得到某車位的車輛停放時間，計算出要繳費的金額，手機APP繳費即可。導航功能，事先在云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中存儲停車位的位置信息，手機APP調(diào)用地圖ADK實現(xiàn)導航。核算功能，管理員在客戶端或Web端登入賬號密碼，查看車位停放歷史、每月收入情況等。

5 實驗與結(jié)果分析

5.1 地磁傳感器測試

將地磁傳感器放置在停車位旁邊，使得y軸正方向與車輛駛?cè)胪＼囄坏姆较蛳嗤瑈軸正方向水平順時針旋轉(zhuǎn)90°便是x軸，z軸垂直于水平面。測試地磁傳感器與車輛不同距離時磁場的變化量，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。檢測結(jié)果表明，將地磁傳感器放在距車輛0.3 m范圍內(nèi)，閾值設(shè)為1.3 gauss，可以有效檢測車輛的存在，并可以過濾掉旁邊停車位車輛帶來的干擾。

5.2 LoRa通信測試

搭建系統(tǒng)測試環(huán)境：匯聚節(jié)點與終端節(jié)點點對點傳輸，LoRa模塊工作在433 MHz，發(fā)射功率20 dBm，空中速率2.4 kbps。直接由終端節(jié)點的控制芯片發(fā)送一定量的數(shù)據(jù)包，匯聚節(jié)點收到后顯示在LCD上。為了測試LoRa通信的有效傳輸距離，將終端節(jié)點分開放在空地上，然后移動匯聚節(jié)點并進行收發(fā)測試。測試結(jié)果如表3所示，其單跳通信距離遠大于ZigBee、WiFi和藍牙，表明LoRa技術(shù)非常適用于低功耗廣域網(wǎng)的構(gòu)建。

表3 LoRa通信距離測試結(jié)果

實驗結(jié)果表明，LoRa傳輸?shù)挠行Ь嚯x可達公里級，本文系統(tǒng)實現(xiàn)的LoRa網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)停車場的車位監(jiān)測工作。如果分組建網(wǎng)，則可以將傳輸范圍擴大到整個城市。

5.3 完整聯(lián)調(diào)測試

圖7 停車系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

車輛駛?cè)牒婉偝鐾＼囄粫r，終端節(jié)點最終將信息上傳至云服務(wù)器，云服務(wù)器接收后存儲到數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫名為Parking_System，每個停車位對應(yīng)1張表。3個停車位參與了實驗，如圖7所示。表中每行表示了1次停車行為(一進一出)，如圖8所示，time_in表示進入停車位時間，time_out表示離開停車位時間。

測試證明了車輛停放時間被準確記錄到云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。

5.4 與現(xiàn)有智能停車系統(tǒng)對比

大多數(shù)現(xiàn)有智能停車系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)選擇的是ZigBee，原因是ZigBee技術(shù)比較成熟，有現(xiàn)成的協(xié)議棧。小米的智能家居用的就是ZigBee技術(shù)。但是ZigBee技術(shù)的重要缺點就是單跳傳輸距離近，只能通過增加中繼的方式延長傳輸距離。

圖8 停車位信息表

文獻[14]的中的仿真實驗表明，ZigBee在無中繼節(jié)點時只能傳輸80 m，增加了1個中繼后也只有150 m。根據(jù)本文LoRa通信測試結(jié)果，ZigBee要經(jīng)過約12個中繼節(jié)點才能達到LoRa的傳輸距離。這正是本文系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)完成了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層和傳輸層的設(shè)計與實現(xiàn)，用地磁傳感器完成底層信息采集，以LoRa技術(shù)為核心搭建了底層傳輸網(wǎng)絡(luò)，并對應(yīng)用層軟件設(shè)計提出了設(shè)計思想。

系統(tǒng)的特點如下：

1) 用地磁傳感器完成底層信息采集，靈敏度高，抗干擾能力強。

2) 采用LoRa技術(shù)作為底層傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離遠，功耗小，網(wǎng)絡(luò)拓撲簡單，減少了額外的中繼成本。

3) 匯聚節(jié)點直接添加GPRS模塊，運行操作系統(tǒng)，減少了對上位機以及人力的依賴，自動化程度更高。

4) LCD實現(xiàn)了停車位狀態(tài)信息的實時發(fā)布，若要用電子終端更加快捷方便地查詢預訂，可以開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件實現(xiàn)，該系統(tǒng)為上層應(yīng)用軟件的開發(fā)提供了開放性。

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