基于LORA技術的停車場車位顯示平臺設計

張雨晨 陳文釗 梁振奇 唐少虎

1. 北方工業大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室，北京 100144； 2. 北京城市系統工程研究中心，北京 100035

隨著科學技術的迅猛發展，我國已經進入到了信息時代。物聯網作為信息時代的核心代名詞，已經得到了相當的重視，物聯網作為物物相連的通信網絡，其關鍵性就是單一物體間的通信與信息交互。物聯網主要對無線通信技術進行了應用，隨著自動化無線短距離通信技術的發展， EnOcean、Zigbee，LORA等無線通信技術已成為主流的技術應用在無線通信方面。與此同時，我國私人小汽車飽有量的日益增長，除了交通擁堵等老牌難題以外，由于停車場可以提供的停車位已經不能滿足人們對停車位的需求，導致現如今往往大量的停車場都大量停車甚至超負荷停車，使得駕駛員因不必要行駛而浪費大量時間，易造成駕駛員產生焦躁情緒，從而導致許多駕駛安全問題。因此，為了使廣大駕駛員擁有一個良好的停車體驗以及出行滿意度，對停車場的信息顯示平臺的構建與優化勢在必行。

綜合考慮到頻段、無線標準、電池使用、報文長度、最大傳輸速率、互相干擾幾率、睡眠模式電流、兼容性以及車位顯示平臺的實際應用環境等方面，提出了使用LORA （LongRange） ——一種快速興起的作為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計的LPWAN （low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網） 模式——的通信技術。物聯網以及智能交通時代的到來，越來越多的物體實現了萬物互聯，使用新型的LORA無線傳輸技術與原始單片機技術相結合應用于停車場優化管理可以達到低功耗、低成本、誤差率小等目標結果。

1 LORA介紹

LORA是LPWAN （low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網） 的典型代表，LORA技術最主要的優點是在易于建設和部署低功耗廣域物聯網技術的同時，使用了線性調頻擴頻調制技術即保持了像FSK （頻移鍵控） 調制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時提高了網絡效率并消除了干擾，即不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發送也不會相互干擾，因此，在此基礎上研發的集中器/網關 （Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個節點的數據，大大擴展了系統容量。

如表1所示，LORA技術提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命、大容量、低成本的通訊系統。該技術除了通訊距離遠以外，該技術最具有競爭力的優勢就是低功耗，大大減少充電次數，延長電池使用壽命，以及強大的抗干擾能力。LORA技術可以在負信噪比，即信號功率小于噪聲功率時也可以進行無差錯信號傳輸。

表1 關鍵性優勢及特性

2 系統總體設計

系統總體結構如圖1所示，主要包括LORA射頻模塊、終端車位顯示平臺。該系統采用LORA無線一對多的通信方式分布在停車場內，實時采集車位狀態信息。車位信號發射器通過基于LORA技術的SX1278模塊發送車位狀態信息到終端車位顯示平臺，終端車位顯示平臺依據相關協議解析數據包，在平臺上做出相應顯示。該系統可實現網絡簡單、數據上傳、抗干擾等功能，實現車位狀態信息的采集并管理的功能。

圖1 系統總體結構

3 系統硬件設計

該系統分為車位信息實時動態顯示平臺與車位信號發射器部分，選取M32F407單片機為主控MCU，在該單片機系統搭建環境與LORA技術的SX1278模塊進行通信，完成數據傳輸。SX1278射頻模塊是一種高度集成低功耗半雙工小功率無線數據傳輸模塊，具有信號穿透性強、通訊距離遠、抗干擾能力強、數據接收和發送穩定等特點。

3.1 車位信號發射器硬件系統設計

車位信號發射器主要部分由基于LORA技術的SX1278模塊無線收發器、STM32F407微控制器、PCWL-0801激光測距模塊三部分組成。以STM32F407單片機控制器為主機，無線收發模塊SX1278為從機，使用模擬SPI進行通信。車位信號發射器硬件連接如圖2所示，PCWL-0801激光測距模塊通過RS-485接口連接STM32F407單片機，LORA技術的SX1278無線模塊通過SPI通信連接STM32F407單片機，完成車位狀態檢測并發射狀態信息。

圖2 車位信號發射器硬件連接圖

3.2 終端車位顯示平臺硬件系統設計

終端車位顯示平臺主要部分由基于LORA技術的SX1278模塊無線收發器、STM32F407微控制器、信息顯示屏三部分組成。終端車位顯示平臺硬件連接如圖3所示，LORA技術的SX1278無線模塊通過SPI通信與STM32F407單片機相連接，同時STM32F407單片機與信息顯示屏相連接。SX1278無線模塊接收車位信息數據包，STM32F407單片機依據相應協議進行解析，然后顯示在信息顯示屏。

圖3 終端車位顯示平臺硬件連接圖

4 系統軟件設計

該平臺選取STM32F407單片機為主控制器，STM32F4是由ST （意法半導體） 開發的一種高性能微控制器。面向需要在小至10 mm×10mm的封裝內實現高集成度、高性能、嵌入式存儲器和外設的醫療、工業與消費類應用。STM32F4系列微控制器還沿續了STM32產品家族的低電壓和節能兩大優點。低功耗模式共有4種，可將電流消耗降至兩μA。從低功耗模式快速啟動也同樣節省電能；啟動電路使用STM32內部生成的8MHz信號，將微控制器從停止模式喚醒用時小于6μs。

STM32F4系列單片機也具有豐富的外圍模塊，該控制平臺主要使用了STM32F407單片機的串口、GPIO、模擬SPI等功能，設計核心為模擬SPI通信，文章將重點介紹模擬SPI通信的實現以及車位信號發射器發送數據流程和終端車位顯示平臺接收并處理數據流程。

4.1 模擬SPI通信

該設備使用STM32F407單片機模擬SPI通訊發送指令包給SX1278的LORA模塊，采用四線SPI通訊，分別為MOSI （主出從入） 、MISO （主入從出） 、CE （片選） 、SCK （時鐘），該設備并不選用擁有SPI功能的IO口進行硬件SPI通信，而是選取普通的IO口 （輸入輸出通用寄存器） 進行模擬SPI傳輸。實現SPI通訊核心程序如下：

模擬SPI發送：

void RF_SPI_MasterIO （unsigned char outtt）

{ unsigned char i；

for （i=0；i＜8；i++） {

if （outtt & 0x80） /*檢查最高位是否為高 */

RF_SDI_H； /*拉高引腳 */

else

RF_CKL_H； /*時鐘拉高 */

DELAYY （1）；

outtt = （outtt ＜＜ 1）；

RF_CKL_L； /* 時鐘拉低 */

DELAYY （1）；}}

模擬SPI接收：

unsigned char RF_SPI_READ_BYTE （）

{ unsigned char j；

橘子。橘子含豐富的蛋白質、鈣、磷、維生素C、維生素B1、維生素B2等，有降低膽固醇吸收、降血脂、抗動脈粥樣硬化的作用。

unsigned char i；

j=0；

for （i = 0；i ＜ 8；i++）

{RF_CKL_H；

DELAYY （1）；

j = （j ＜＜ 1）；

if （P10IN &BIT2 ） /* 檢查P10.2引腳是否為高電平 */

j = j | 0x01； /*該位置高 */

RF_CKL_L；

DELAYY （1）；}

return j；}

4.2 車位信號發射器發送數據設計

車位信號發射器部分既要通過PCWL-0801激光測距模塊獲取車位狀態信息，又要通過基于LORA技術的SX1278模塊上傳數據到車位信息顯示平臺。獲取并上傳車位信息流程圖如圖4所示，STM32F407單片機、SX1278無線模塊、PCWL-0801激光測距模塊在系統上電后進行初始化設置，PCWL-0801激光測距模塊不斷檢測車位信息，通過RS-485通信接口傳輸數據到STM32F407單片機。單片機解析數據包并通過模擬SPI通信傳輸數據到SX1278無線模塊。基于LORA技術的SX1278無線模塊通過固定協議將數據發送給車位信息顯示平臺。最后各模塊重新設定為原始模式，繼續完成對車位狀態信息的采集。

圖4 獲取并上傳車位信息流程圖

4.3 終端車位顯示平臺接收程序設計

終端車位顯示平臺部分既要由基于LORA技術的SX1278模塊接收車位狀態信息，又要由STM32F407單片機檢解析數據并由信息顯示屏顯示。信息顯示平臺接收并處理數據流程圖如圖5所示，STM32F407單片機和SX1278無線模塊上電后進行初始化配置。系統不斷檢測LORA模塊是否接收數據完成，且對接收數據CRC校驗正確，傳輸數據到STM32F407單片機。STM32F407單片機根據規定協議解析數據包，并完成信息顯示平臺的顯示。

圖5 信息顯示平臺接收并處理數據流程圖

5 平臺測試及分析

本文根據實際情況搭建系統測試環境，驗證該車位信息顯示平臺的實際運行效果。選取一車輛較多、管理混亂、停車體驗不佳的停車場進行試驗，以驗證輔助停車效果及不同時間段顯示準確率。

單一車輛駛入測試，由一駕駛人駛入停車場，觀看實時動態顯示平臺確定3號停車位為空，沿地圖路線駛入該停車位，當小汽車駛入3號停車位時，試試動態顯示平臺停車位指示燈由綠變紅；多車輛駛入測試，標號為A、B、C、D、E的5輛汽車依次駛入停車場，并選取1、2、3、4、5號停車位進行停車，駛入停車位順序為1號、3號、5號、2號、4號，觀察實時動態顯示平臺A燈、C燈、E燈、B燈、D燈依次由綠變紅。

不同時段車位信息顯示平臺準確率如表2所示，試驗結果表明，即使在接近滿負荷的停車狀態下，該停車顯示平臺仍然可以做到成功率接近99%，單一車輛駛入以及多車輛駛入均能達到預期結果，大大減少了不必要繞行時間，增加了駕駛人的停車滿意程度。并且基于LORA技術的信號接收發送的效率遠遠高于其他技術，通過使用頻譜儀觀察波形，即使在噪聲較大的時段 （包含負信噪比），車位信號發射器的數據信號也可以正確并實時的傳送給信息顯示平臺接收器，由此看來，LORA技術應用于車位信息顯示平臺較其他無線通信技術具有很大的優越性。

表2 不同停車比例顯示成功率 （%）

6 結語

基于LORA的實時動態顯示平臺是LORA技術應用于智能交通領域的良好試驗，本文將LORA技術與STM32F407單片機系統相結合，完成了基于LORA的車位信息顯示平臺的設計，實現了對停車場的輔助管理。本文主要解決了STM32F407單片機與LORA模塊的模擬SPI通信，為LORA技術應用于交通領域提供了一種思路。該系統平臺達到預期效果，有效減少了駕駛員不必要繞行時間，一定程度上避免了停車場中因找尋停車位而引發的種種為題。該平臺具有顯示準確率高、實時性和抗干擾能力強、系統運行穩定、低功耗、低成本、施工簡便的優點。同時為新興的LORA技術提供了一個良好的范本，類似的要求低功耗、低成本、短距離的通信均可效仿該方式進行改革創新，卓有成效的推動了物聯網信息時代的發展。

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