黃燕 戚志錦



摘? 要:針對(duì)機(jī)械式手動(dòng)車位鎖使用不便,以及當(dāng)前單地磁傳感器檢測(cè)的智能車位鎖容易受到相鄰車位車輛進(jìn)出或停放不規(guī)范干擾,出現(xiàn)誤檢問題等弊端,為提高車位鎖對(duì)車位上的車輛檢測(cè)的準(zhǔn)確率,對(duì)現(xiàn)有的自動(dòng)車位鎖做出改進(jìn),提出了一種基于BLE技術(shù)的多種測(cè)量方法相結(jié)合的智能車位鎖實(shí)現(xiàn)方法。該智能車鎖可通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行信息傳輸及車輛定位,將定位結(jié)果與地磁信號(hào)融合來提高車輛的檢測(cè)準(zhǔn)確度,實(shí)現(xiàn)智能車位鎖精準(zhǔn)控制,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP推送開鎖校驗(yàn)碼。
關(guān)鍵詞:車位鎖;多傳感器融合;BLE技術(shù);藍(lán)牙定位;地磁車位檢測(cè)模塊;車輛檢測(cè)
中圖分類號(hào):TN409;TP391.44? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2096-4706(2020)17-0161-06
Abstract:Aim at the inconvenience of the traditional manual operation parking lock and the current intelligent parking lock threshold based single geomagnetic detection method is easy to be interfered by the adjacent parking space vehicle when performing vehicle detection,resulting in high missing detection and false detection probability. In order to improve the accuracy of parking vehicle detection,the current intelligent parking lock is improved,implementation method of intelligent parking lock based on the fusion of geomagnetic sensor and BLE technology is proposed. The intelligent parking lock can transmit and locate information through the BLE module when the owner approaches. And the ranging result is combined with the geomagnetic signal to improve the detection accuracy. Realize precise control of intelligent parking lock. It can realize the unlock check code pushed by mobile APP.
Keywords:parking lock;multi-sensor fusion;BLE technology;Bluetooth positioning;geomagnetic parking detection module;vehicle detection
0? 引? 言
智能物聯(lián)是目前社會(huì)發(fā)展的主流方向,智能車位鎖也是智能物聯(lián)技術(shù)的一個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前社會(huì)車位緊張,而車位鎖的出現(xiàn),解決了車位被他人占用從而可能引發(fā)的矛盾。傳統(tǒng)車位鎖開鎖或關(guān)鎖都需要人工手動(dòng)操作,車主需要下車操作;而紅外遙控車位鎖不夠智能,每次操作都需要找遙控車鑰匙,使用極為不便[1];而目前在市場(chǎng)上銷售的智能車位鎖是通用藍(lán)牙電子標(biāo)簽發(fā)送車位鎖密鑰及數(shù)據(jù)交換,通過單一的地磁傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛是否在車位的檢測(cè),實(shí)現(xiàn)車位鎖的升降。但由于使用智能車位鎖車主的車各式各樣,市面上的智能車位鎖只采用了單一的地磁傳感器對(duì)車輛是否在車位進(jìn)行判斷,由于不同的車輛對(duì)磁場(chǎng)的改變有較大不同,地磁傳感器沒有標(biāo)準(zhǔn)的閾值設(shè)定方法。若地磁強(qiáng)度判定閾值設(shè)置過小,該車位狀態(tài)判斷容易受到相鄰車位車輛進(jìn)出或其他環(huán)境因素的干擾影響,導(dǎo)致誤觸發(fā);若地磁信號(hào)判斷閾值較大,則容易遺漏掉車位上小型車輛或其他弱磁車輛,導(dǎo)致車輛不在車位的錯(cuò)誤判斷[2]。所以采用單地磁傳感器閾值判斷的方法存在一定缺陷,若該車位相鄰車輛停放不規(guī)范時(shí)容易造成漏檢與誤檢等問題[3],相鄰車輛停放不規(guī)范的示例如圖1所示。為解決以上存在的漏檢與誤檢等問題,佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研組對(duì)智能車位鎖課題進(jìn)行立項(xiàng)研究,電子信息學(xué)院部門成立智能車位鎖課題項(xiàng)目研究小組,針對(duì)智能車位鎖的漏檢與誤檢等問題進(jìn)行研究。為了增加智能車位鎖系統(tǒng)對(duì)車輛的檢測(cè)準(zhǔn)確度,在單地磁傳感器檢測(cè)的基礎(chǔ)上加入藍(lán)牙定位的判斷條件進(jìn)行輔助判斷,該文結(jié)合BLE技術(shù)對(duì)車輛進(jìn)行定位并與車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,可有效解決由于相鄰?fù)\囄卉囕v進(jìn)出或車輛停放不規(guī)范原因造成的本停車位狀態(tài)誤判問題。
藍(lán)牙定位技術(shù)在藍(lán)牙5.0推出后,其技術(shù)特點(diǎn)更為突出,不管在通信距離上、反應(yīng)速度上及穩(wěn)定性上都具有較好性能,這些優(yōu)勢(shì)確保了藍(lán)牙技術(shù)短距離的定位上有較大的競(jìng)爭(zhēng)力,特別是室內(nèi)定位。基于藍(lán)牙信標(biāo)的室內(nèi)定位為當(dāng)前研究熱點(diǎn),通過在室內(nèi)布置多個(gè)藍(lán)牙信標(biāo),使用藍(lán)牙電子標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)位置計(jì)算,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的室內(nèi)定位[4]。本文首先對(duì)現(xiàn)有智能車位鎖存在的不足分析,提出了將BLE的通信及定位技術(shù)與地磁傳感器結(jié)合的智能車位鎖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,并搭建了智能車位鎖系統(tǒng)。
1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
基于BLE技術(shù)的智能車位鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)分三個(gè)硬件系統(tǒng)組成:車載BLE電子標(biāo)簽終端與智能車位鎖控制系統(tǒng),車載BLE電子標(biāo)簽終端裝在車輛上,智能車位鎖控制系統(tǒng)則是安裝在車位上,放置在停車位周圍的藍(lán)牙信標(biāo)通過車載BLE電子標(biāo)簽終端與智能車位鎖的BLE模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并通過收集先前布置在智能車位鎖周圍的多個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)信息進(jìn)行當(dāng)前坐標(biāo)的估算,實(shí)時(shí)車輛的定位;車位鎖中的MCU控制器模塊是負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度,對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制、對(duì)地磁信號(hào)的分析、對(duì)電源系統(tǒng)的管理、對(duì)BLE模塊信號(hào)的分析、對(duì)碰撞的報(bào)警等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)控制電機(jī)對(duì)智能車位鎖進(jìn)行開鎖或關(guān)鎖的工作;地磁檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)車位當(dāng)前車位車輛狀況,判斷車位是是否有車停放;電源供電模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)供電策略管理。若車位上有車輛則MCU控制器模塊進(jìn)入休眠,同時(shí)關(guān)閉BLE模塊來降低系統(tǒng)功耗,當(dāng)?shù)卮艡z測(cè)模塊檢測(cè)到地磁信號(hào)變化超過閾值時(shí),便喚醒MCU控制器模塊及BLE模塊,BLE模塊與車載BLE電子標(biāo)簽終端進(jìn)行通信并定位,判斷車輛是否在車位內(nèi),提高車位鎖對(duì)車輛檢測(cè)精度,有效解決誤檢等問題。報(bào)警模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)電量及外界對(duì)車位鎖的碰撞情況報(bào)警等。各模塊協(xié)同工作,保證系統(tǒng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定工作的同時(shí),還要保障系統(tǒng)的續(xù)航能力。
車載BLE電子標(biāo)簽終端(主機(jī)),負(fù)責(zé)與智能車位鎖系統(tǒng)(從機(jī))控制端建立無線通信,與智能車位鎖連接后向智能車位鎖控制端發(fā)送密鑰,并與車位周圍的藍(lán)牙信標(biāo)通信,計(jì)算當(dāng)前車輛實(shí)時(shí)位置,當(dāng)識(shí)別車輛位置距智能車位鎖距離達(dá)到一定值后,通知智能車位鎖控制端進(jìn)行相應(yīng)的開鎖或關(guān)鎖操作。藍(lán)牙信標(biāo),主要為車載BLE電子標(biāo)簽終端提供當(dāng)前坐標(biāo)的估算,確保車輛的定位精確度。
2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
智能車位鎖的控制器分別由MCU控制器模塊、BLE模塊、地磁檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、電源供電模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成,其中MCU控制器模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度,本設(shè)計(jì)的MCU選用ST公司的超低功耗系列芯片中的STM32 L010K8芯片。
2.1? MCU控制器模塊
STM32L0xx系列為ST公司的STM32L010系列的入門級(jí)產(chǎn)品,是一顆基于ARM Cortex-M0+架構(gòu)的MCU,可實(shí)現(xiàn)0.23 μA待機(jī)的超低功耗模式,喚醒時(shí)間短,12位ADC在采樣速率為10 ksps的條件下電流消耗約為41 μA,接口功能豐富,能為低功耗物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供強(qiáng)大功能支持。本設(shè)計(jì)選用內(nèi)置8 KB RAM和64 KB Flash的STM32L010K8,工作電壓范圍為1.8 V~3.6 V,工作溫度范圍-40 ℃~ 85 ℃。因該MCU的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、產(chǎn)品性價(jià)比高及低功耗的特性,其非常適合應(yīng)用于本設(shè)計(jì)中。如圖3所示為STM32 L010K8最小系統(tǒng)電路圖,其中BLM18PG121為120 Ω磁珠,用于抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾。
2.2? BLE模塊
系統(tǒng)中的BLE模塊有幾個(gè)主要功能,一個(gè)藍(lán)牙電子標(biāo)簽之間需要在建立通信連接并發(fā)送相應(yīng)的密鑰信息,二是運(yùn)用iBeacon技術(shù)進(jìn)行近距離定位,對(duì)當(dāng)前車輛位置坐標(biāo)估算及定位,三是兼作為藍(lán)牙信標(biāo)3,為車輛定位提供準(zhǔn)確坐標(biāo)[5]。藍(lán)牙定位系統(tǒng)主要由信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和信號(hào)接收處理系統(tǒng)構(gòu)成,而信標(biāo)擁有協(xié)議棧配置獨(dú)有的編號(hào)標(biāo)識(shí),負(fù)責(zé)距離計(jì)算以及位置標(biāo)識(shí)。車載BLE電子標(biāo)簽終端系統(tǒng)包含信號(hào)接收、數(shù)據(jù)處理器以及將信號(hào)回傳給智能車位鎖。車載BLE電子標(biāo)簽終端內(nèi)置的藍(lán)牙模塊作為接收器,負(fù)責(zé)搜索藍(lán)牙信標(biāo)及識(shí)別藍(lán)牙信標(biāo)的通用唯一識(shí)別碼(UUID)標(biāo)識(shí),與智能車位鎖端通信;車載電子標(biāo)簽端還負(fù)責(zé)用接收到的RSSI值來計(jì)算距離信息和坐標(biāo),處理后及時(shí)回傳到智能車位鎖端;在車位周邊放置3個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)(其中智能車位鎖為一個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)),智能車位鎖端與車載BLE電子標(biāo)簽終端進(jìn)行信息交換,并及時(shí)處理車位鎖開鎖或關(guān)鎖等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
系統(tǒng)使用距離式定位,基于三點(diǎn)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位。藍(lán)牙的RSSI值包括距離相關(guān)信息,隨著兩者距離的增加,RSSI信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)呈現(xiàn)出有規(guī)律的減弱,所以通過RSSI衰減模型實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量[6]。對(duì)于藍(lán)牙定位算法介紹的文章較多,具體三點(diǎn)定位算法可參考文獻(xiàn)[7]。
藍(lán)牙5.1實(shí)現(xiàn)了更快的傳輸速度、更遠(yuǎn)的傳輸距離、更低的功耗、更高的定位精度。BLE 5.1擁有更高精度的定位測(cè)向功能,室內(nèi)定位精度可達(dá)到厘米級(jí),這些性能非常適合于智能車位鎖的應(yīng)用。
本設(shè)計(jì)選用挪威Nordic的BLE 5.1具備尋向功能的SoC芯片nRF52811。1.7 V~3.6 V供電電壓范圍,使用先進(jìn)的片上自適應(yīng)電源管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)極低的能耗。nRF52811是一個(gè)多協(xié)議的2.4 GHz射頻模塊,內(nèi)置頻率為64 MHz的32位ARM Cortex-M4處理器,擁有192 KB Flash+24 KB RAM,擁有著豐富的數(shù)字外圍和接口。nRF52811電路圖設(shè)計(jì)如圖5所示。
2.3? 地磁檢測(cè)模塊
地球上充滿地磁場(chǎng),在一定的區(qū)域內(nèi)的地磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度是基本穩(wěn)定的[8]。而金屬物體會(huì)對(duì)地磁場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生擾動(dòng)作用,改變周圍的地磁分布,改變?cè)搮^(qū)域的地磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)以上原理,采用地磁檢測(cè)模塊對(duì)車位處的地磁信號(hào)強(qiáng)度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),感知車位上方的車輛停放情況[9]。
本設(shè)計(jì)只需要靜態(tài)地檢測(cè)車位的車輛是否存在,不需要對(duì)識(shí)別判斷車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),故只需要選用單軸地磁傳感器,傳感器選擇性價(jià)比較高的美國霍尼韋爾公司HMC1001地磁傳感器[10]。HMC1001的測(cè)量磁場(chǎng)范圍為±480 A/m,完全滿足判斷車位上方車輛是否存在的要求,該地磁傳感器擁有體積小,性價(jià)比高,靈感度高,可靠性高等優(yōu)點(diǎn),很好地滿足智能車位鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
地磁傳感器HMC1001模塊電路圖如圖6所示,由地磁傳感器IC、地磁信號(hào)放大增強(qiáng)電路、地磁信號(hào)比較電路及對(duì)地磁芯片復(fù)位電路等電路組成。
HMC1001屬于小磁場(chǎng)傳感器,其在受到較大的外力磁場(chǎng)的情況時(shí)會(huì)使得傳感器輸出信號(hào)的質(zhì)量變差,此時(shí)由三極管S8050及場(chǎng)效應(yīng)管IRF7105組成的復(fù)位電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)來對(duì)磁場(chǎng)傳感器進(jìn)行復(fù)位,以恢復(fù)其特性。HMC1001地磁傳感器采用惠斯通電橋原理,將磁場(chǎng)信號(hào)變換成差分信號(hào),再經(jīng)信號(hào)放大器(AMP04)電路,將差分信號(hào)放大,再通過由運(yùn)算放大器LM324組成的跟隨器,最后將信號(hào)傳給MCU控制器模塊,MCU控制器模塊將采集到的電壓信號(hào)與有車輛在車位上方時(shí)的閾值電壓進(jìn)行比較,并進(jìn)行判斷處理,從而判斷車位上是否有車輛停放[11]。根據(jù)以上地磁信號(hào)強(qiáng)度變化條件,判斷停車位上方是否有車輛進(jìn)出。
2.4? 電源供電模塊及報(bào)警模塊
由于系統(tǒng)各模塊的所需的供電條件各異,需要電源供電模塊進(jìn)行電壓適配,如系統(tǒng)中采用電池電壓為6 V,需要通過低靜態(tài)電流LDO器件LP2951-3.3將6 V供電電壓轉(zhuǎn)變成為3.3 V,為MCU STM32L010K8供電。在其他所需電流較大的模塊,均選用DC-DC模塊供電,DC-DC選型方面要選取靜態(tài)電流小,轉(zhuǎn)換效率高DC-DC元器件,設(shè)計(jì)中選用TI的DC-DC芯片LMR14030給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、地磁檢測(cè)模塊及BLE模塊等供電,均由MCU控制器模塊控制其電源開關(guān),決定它們的供電時(shí)間,保證電池的續(xù)航能力。圖7為DC-DC電源供電模塊原理圖。
當(dāng)停車位無停放車輛時(shí),車位鎖會(huì)打開,當(dāng)車位鎖檢測(cè)到外界力量強(qiáng)制碰撞干擾時(shí),MCU控制器模塊會(huì)輸出脈沖波,控制報(bào)警模塊發(fā)出碰撞警報(bào)聲[12]。當(dāng)車位鎖檢測(cè)到電池電壓過低時(shí),報(bào)警模塊會(huì)在車輛進(jìn)入車位后便發(fā)出電壓過低警報(bào)聲,提醒用戶更換電池。圖8為警報(bào)聲模塊電路。
2.5? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
本設(shè)計(jì)要對(duì)車位鎖搖臂進(jìn)行升降,需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制,選用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為AT8837。AT8837是由中科微生產(chǎn)的集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片。AT8837是單通道H橋的輸出驅(qū)動(dòng)器芯片,其中H橋驅(qū)動(dòng)電路由NMOS功率管構(gòu)成,最大輸出電流可達(dá)1.5 A,擁有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和剎車等驅(qū)動(dòng)功能。AT8837內(nèi)部有過流、短路及過溫保護(hù),欠壓鎖定保護(hù)等,通過PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向及調(diào)速,當(dāng)拉低nSLEEP管腳時(shí),會(huì)使AT8837芯片進(jìn)入低功耗睡眠模式等功能。AT8837擁有寬電壓輸入、低靜態(tài)電流及低待機(jī)電流等優(yōu)點(diǎn)。綜上特點(diǎn),AT8837比較適用于智能車位鎖的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)要求。
AT8837電路如圖9所示,其VM腳為電機(jī)電源供電腳,一個(gè)100 μF電解電容與100 nF的瓷片電容并接到地,用于電源濾波,PCB布局時(shí)盡量將其旋轉(zhuǎn)于VM管腳旁。為了更好抑制電機(jī)在工作或斷開瞬間產(chǎn)生火花,降低EMC干擾及保證機(jī)電運(yùn)行安全,在電機(jī)輸出端OUT1與OUT2之間并聯(lián)一個(gè)100 nF的瓷片電容,其中BLM18PG330為33 Ω磁珠,用于抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾。
3? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
智能車位鎖端的控制程序是整個(gè)車位鎖系統(tǒng)的核心程序,負(fù)責(zé)對(duì)車位上車輛的存在識(shí)別,車輛進(jìn)出行為判斷,車位鎖上鎖或開鎖控制等[13]。車位上車輛的存在與否是通過地磁傳感器強(qiáng)度信號(hào)的變化進(jìn)行識(shí)別的;車輛進(jìn)出行為判斷通過地磁傳感器信號(hào)的變化及BLE模塊定位測(cè)距雙重判斷,防止相鄰車位車輛的干擾出現(xiàn)誤判;智能車位鎖系統(tǒng)感知車位車輛的情況對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,執(zhí)行關(guān)鎖或開鎖控制,其工作流程圖如圖10所示。
車位鎖上電后,系統(tǒng)對(duì)各設(shè)備模塊進(jìn)行初始化,隨后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)主程序。接下來對(duì)當(dāng)前車位狀況進(jìn)行檢測(cè),若車位無車輛停放時(shí),系統(tǒng)對(duì)車位進(jìn)行關(guān)鎖操作。關(guān)鎖完成后打開BLE模塊掃描車載BLE電子標(biāo)簽終端,若車位鎖BLE模塊識(shí)別到車載BLE電子標(biāo)簽終端時(shí),雙方配對(duì),進(jìn)行密鑰驗(yàn)證,通過后,對(duì)車輛進(jìn)行距離定位,若車輛距車位鎖滿足特定距離后(系統(tǒng)默認(rèn)為15米),喚醒地磁檢測(cè)模塊,同時(shí)打開車位鎖并降下車位鎖,使車輛駛?cè)胲囄弧Mㄟ^地磁傳感器及BLE模塊定位測(cè)距共同檢測(cè)車輛是否入位,確認(rèn)入位后,系統(tǒng)進(jìn)行低功耗模式,關(guān)閉BLE模塊、MCU控制器模塊進(jìn)入休眠狀態(tài),只打開地磁檢測(cè)模塊對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)?shù)卮艡z測(cè)模塊監(jiān)測(cè)磁強(qiáng)變動(dòng)值大于設(shè)定閾值時(shí),系統(tǒng)會(huì)喚醒BLE模塊對(duì)車輛進(jìn)行距離定位,確定車輛是否離開。確定車輛離開后,執(zhí)行關(guān)鎖程序,關(guān)閉地磁,BLE模塊進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式,進(jìn)入車輛檢測(cè)程序。空車位在等待過程中,要監(jiān)測(cè)車位鎖是否遭到外力破壞,若有遭到外力破壞,系統(tǒng)會(huì)發(fā)出碰撞報(bào)警的警報(bào)聲。
4? 結(jié)? 論
課題項(xiàng)目的研究小組提出的地磁傳感器與BLE模塊定位測(cè)距多傳感器融合的智能車位鎖的設(shè)計(jì)方案,在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)中選用了低功耗芯片,對(duì)軟件及流程進(jìn)行優(yōu)化,讓智能車位鎖的續(xù)航能力更強(qiáng),通過BLE模塊通信密鑰算法識(shí)別車主身份,通過iBeacon技術(shù)進(jìn)行近距離定位,對(duì)當(dāng)前車輛位置坐標(biāo)估算及定位,將定準(zhǔn)測(cè)距結(jié)果與地磁檢測(cè)模塊相融合,提高車輛的檢測(cè)準(zhǔn)確度,實(shí)現(xiàn)智能車位鎖精準(zhǔn)控制。可有效解決由于相鄰?fù)\囄卉囕v進(jìn)出或車輛停放不規(guī)范原因造成的誤判問題。
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作者簡(jiǎn)介:黃燕(1985—),女,漢族,湖北荊門人,講師,碩士,主要研究方向:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);通訊作者:戚志錦(1984—),男,漢族,廣東湛江人,工程師,碩士,主要研究方向:汽車電子技術(shù)。