基于Cortex-M3和多傳感器數(shù)據(jù)融合的咪表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 波，馬衛(wèi)國

（天津師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津300387）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展以及城市化水平的不斷提高，城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量迅速增加，“停車難、收費(fèi)亂”成為城市交通管理中的新問題[1].為解決這一難題，許多城市交通管理部門在規(guī)劃新的停車場時(shí)，紛紛增設(shè)路邊停車位，同時(shí)采用咪表作為計(jì)時(shí)收費(fèi)手段[2-3].但目前各大城市中，由于咪表停車系統(tǒng)缺乏停車位狀態(tài)和咪表收費(fèi)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)動(dòng)，只能采取“人工管理為主，咪表管理為輔”的手段，因此造成大量咪表資源的浪費(fèi)和諸多的管理漏洞[2，4].

針對(duì)以上問題，為解決停車位狀態(tài)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測問題，本研究提出一種基于ARM Cortex-M3處理器的智能咪表管理系統(tǒng)，運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車位狀態(tài)的準(zhǔn)確識(shí)別，以期為目前咪表停車管理中所存在的漏洞提供技術(shù)解決方案.

1 整體結(jié)構(gòu)及功能

智能咪表管理系統(tǒng)包括咪表、停車點(diǎn)主機(jī)和城市管理服務(wù)器3個(gè)層次.其中最低層的咪表負(fù)責(zé)單一車位的使用管理，其功能包括車位狀態(tài)監(jiān)測、人機(jī)交互、刷卡收費(fèi)以及數(shù)據(jù)上傳；停車點(diǎn)主機(jī)負(fù)責(zé)匯總本點(diǎn)位的停車位狀況，并提示管理員完成緊急情況處理；處于最高層的服務(wù)器匯總各點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，并對(duì)外發(fā)布車位使用情況，方便駕駛員就近尋找停車位.在通信方式的選擇上，咪表與停車點(diǎn)主機(jī)間采用短距離無線通信技術(shù)，停車點(diǎn)主機(jī)與服務(wù)器之間采用以太網(wǎng).智能咪表管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 咪表停車管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of the intelligent parking meter system

由于低層咪表可對(duì)車位使用狀況進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳，因而從根本上杜絕了“亂收費(fèi)”現(xiàn)象.同時(shí)，停車點(diǎn)主機(jī)和服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯總和及時(shí)發(fā)布可以最大限度地提高車位的使用率，在一定程度上緩解了“停車難”的問題.作為系統(tǒng)組成的核心，下位機(jī)咪表的軟硬件設(shè)計(jì)是研究的主要內(nèi)容.

2 咪表的主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件設(shè)計(jì)

咪表硬件設(shè)計(jì)包括STM32最小系統(tǒng)、電源管理電路、磁阻傳感器電路、超聲波傳感器電路、紅外傳感器電路、液晶顯示電路、按鍵掃描電路、語音電路、射頻讀卡器電路和無線通信電路[6-7].

系統(tǒng)CPU選用意法半導(dǎo)體（簡稱ST）的32位微控制器STM32，該系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核[8].智能咪表的硬件設(shè)計(jì)[5]如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)的硬件組成框圖Fig.2 Hardware block diagram of the system

2.2 傳感器電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 磁阻傳感器

1個(gè)鐵磁性物體（汽車），無論它是運(yùn)動(dòng)的還是靜止的，均對(duì)地球磁場產(chǎn)生擾動(dòng).磁場傳感器可檢測由車輛干擾引起的地磁場變化[9].

本系統(tǒng)選用美國霍尼韋爾公司的3軸各向異性磁阻傳感器HMC5883L作為檢測傳感器.采用磁場偏移量大小的變化對(duì)車輛存在進(jìn)行檢測.傳感器內(nèi)部對(duì)3個(gè)方向的磁場強(qiáng)度值進(jìn)行數(shù)字化測量輸出，CPU根據(jù)式（1）對(duì)向量幅值A(chǔ)進(jìn)行計(jì)算.

式（1）中：X代表水平磁場強(qiáng)度的X分量（北向）；Y代表水平磁場強(qiáng)度的Y分量（東向）；Z代表垂直磁場強(qiáng)度.當(dāng)車輛停在磁傳感器安放位置的附近時(shí)，該傳感器的A值大小將從初始值（無車輛）開始發(fā)生變化[10-11].圖3為傳感器與CPU的接口電路圖.

圖3 磁傳感器接口電路Fig.3 Interface circuit diagram of magnetic sensor

2.2.2 紅外傳感器

汽車（特別是發(fā)動(dòng)機(jī)）是一個(gè)典型的紅外線發(fā)射源，利用熱釋電紅外傳感器檢驗(yàn)車輛在駛?cè)牖蝰傠x車位之前，其在釋熱電紅外傳感器的菲涅爾透鏡前的運(yùn)動(dòng)會(huì)使紅外傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，從而檢測到車輛的存在.

2.2.3 超聲波傳感器

本設(shè)計(jì)中，2個(gè)超聲波傳感器安裝在咪表的中間位置，并呈一定夾角，其高度等于小型車平均高度的一半；2個(gè)超聲波傳感器可以測量出咪表正前方物體與咪表的距離以及物體的長度，據(jù)此判斷是否有車輛進(jìn)入指定的停車區(qū)域.

2.2.4 傳感器參數(shù)數(shù)據(jù)融合

磁阻傳感器、紅外傳感器和超聲波傳感器在封閉無干擾的環(huán)境下，均可以正確檢測出車位上是否存在車輛停放，但因?yàn)楸狙芯克O(shè)計(jì)的咪表主要應(yīng)用于鬧市區(qū)的路邊停車場，各種干擾極大，所以單一的傳感器很難實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的準(zhǔn)確檢測.因此采用對(duì)多種傳感器參數(shù)的數(shù)據(jù)融合是解決此問題的有效途徑[13].本系統(tǒng)選擇D-S證據(jù)理論作為融合中心算法[14].

檢測過程中，紅外傳感器對(duì)車位周圍的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，并判斷出目標(biāo)物體是遠(yuǎn)離車位還是靠近車位，通過對(duì)紅外傳感器的采樣，計(jì)算出辨識(shí)框架中的基本概率分配函數(shù)以供決策層融合使用；磁阻傳感器可以識(shí)別靠近車位的目標(biāo)物體，通過不同時(shí)刻的采樣判斷出目標(biāo)對(duì)車位周邊磁場的影響程度，進(jìn)而把數(shù)據(jù)傳送給預(yù)處理單元，計(jì)算出基本概率分配函數(shù)以供融合使用；2個(gè)超聲波傳感器對(duì)車位上的目標(biāo)進(jìn)行檢測，得出目標(biāo)的寬度以及與咪表的垂直距離，再送預(yù)處理單元，計(jì)算出基本概率分配函數(shù)以供融合使用.融合中心對(duì)4個(gè)傳感器的證據(jù)體用D-S證據(jù)理論進(jìn)行融合，最后根據(jù)判定規(guī)則判定車位的狀態(tài).

2.3 射頻讀卡器電路

射頻收發(fā)模塊執(zhí)行系統(tǒng)的收費(fèi)功能，由天線、射頻讀寫芯片及其相應(yīng)的外圍電路組成.本系統(tǒng)采用復(fù)旦微電子生產(chǎn)的基于ISO14443的非接觸卡讀卡機(jī)芯片F(xiàn)M1702.該模塊具有體積小、易于嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中使用的特點(diǎn).微處理器與FM1702SL芯片的接口原理圖如圖4所示.

圖4 FM1702SL與STM32接口電路圖Fig.4 Interface circuit diagram between FM1702SL and STM32

2.4 無線通信電路

無線通信電路選用上海桑銳電子的無線傳輸模塊SRWF-1022，該模塊提供透明數(shù)據(jù)接口，適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議，自動(dòng)過濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)，用戶無需編制多余的程序，實(shí)現(xiàn)所收即所發(fā)，模塊的工作頻率為433 MHz，可靠傳輸距離為100m.SRWF-1022的接口電路如圖5所示.

圖5 SRWF-1022TTL與STM32接口方式電路圖Fig.5 Interface circuit diagram between SRWF-1022TTL and STM32

3 咪表的軟件設(shè)計(jì)

智能咪表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Software flow chart

系統(tǒng)初始化后，即進(jìn)入空閑等待狀態(tài)，此時(shí)傳感器處于循環(huán)檢測狀態(tài)，若檢測到車位有正常停車后需延時(shí)一段時(shí)間，等待駕駛員進(jìn)行刷卡.駕駛員正常刷卡后即進(jìn)入計(jì)時(shí)收費(fèi)狀態(tài)；若有逃避刷卡，語音模塊將發(fā)出報(bào)警.計(jì)時(shí)收費(fèi)狀態(tài)下，傳感器同樣處于循環(huán)檢測狀態(tài)，以保證車輛安全.駕駛員離開時(shí)，需再次刷卡，系統(tǒng)將停止計(jì)時(shí)，并將本次停車費(fèi)用顯示在液晶屏上；若系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)未經(jīng)刷卡而車輛離開停車位的狀況，將發(fā)出報(bào)警并鎖死該IC卡.車輛離開后，系統(tǒng)將本次停車的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至停車點(diǎn)主機(jī)，然后進(jìn)入空閑等待狀態(tài)，以備進(jìn)入下一循環(huán)的操作[6].

4 系統(tǒng)調(diào)試

為了驗(yàn)證多傳感器融合算法在車位狀態(tài)檢測中的作用，系統(tǒng)分別在沒有使用算法和使用單傳感器的情況下進(jìn)行對(duì)比測量試驗(yàn).測試場地選用天津師范大學(xué)校內(nèi)主干道；測試用車型為菱悅V3（長4405mm×寬1700mm×高1415mm），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的車位狀態(tài)識(shí)別正確率明顯提高.

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of experiment

通過實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有待解決的問題：

（1）車型過少，若采用不同車型，識(shí)別率會(huì)有所降低；

（2）駕駛員停車入位過程中的反復(fù)啟停會(huì)造成錯(cuò)誤識(shí)別，后續(xù)算法設(shè)計(jì)中應(yīng)引起充分注意；

（3）實(shí)驗(yàn)場所相對(duì)城市鬧市區(qū)各種干擾相對(duì)較少.

5 結(jié)論

本研究提出一種基于多傳感器的智能咪表系統(tǒng)，充分利用多種傳感器在性能上的差異性和互補(bǔ)性，通過有效融合采集到的傳感器信息，實(shí)現(xiàn)了停車位狀態(tài)的精確檢測，解決了現(xiàn)有咪表停車系統(tǒng)中停車狀態(tài)和咪表數(shù)據(jù)之間缺乏聯(lián)動(dòng)的問題.系統(tǒng)采用無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使所有停車數(shù)據(jù)有據(jù)可查，從而從源頭上彌補(bǔ)了目前路邊停車位管理中的諸多漏洞，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值.

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