基于ZigBee和GSM的智能停車系

吳　平

(1.北京航天自動控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實驗室)

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吳平1,2

(1.北京航天自動控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實驗室)

設(shè)計了一種采用ZigBee低功耗通信技術(shù)采集和匯集車位信息、GSM實現(xiàn)用戶交互的智能停車系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由車位信息采集模塊、信息集中處理模塊以及用戶終端3個部分組成。車位上的停車情況由地磁傳感器的差分信息提取，用戶可以通過GSM終端查詢停車場的車位情況。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，實現(xiàn)了車位信息資源的共享，提高了車位信息的透明度，能夠有效地提高城市停車的效率。

智能停車；ZigBee；GSM；地磁傳感器

引　言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛增長，我國汽車消費(fèi)保持著高速增長的勢頭。私家車給人們帶來生活的便利，同時也造成路況的擁堵。車輛動靜狀態(tài)的切換會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，同時低速駕駛會加大尾氣的排放量。相關(guān)路況調(diào)查報告指出，有相當(dāng)可觀的交通流量是為了尋找停車位而造成的無用功車流，尤其常見于中國大城市的核心城區(qū)[1]。核心城區(qū)的土地資源稀缺，車位供給量和需求量的矛盾日益加劇，因此科學(xué)有效的停車管理技術(shù)成為當(dāng)前熱門的研究課題。

國內(nèi)外許多智能停車系統(tǒng)的研究重點(diǎn)是在停車場確定的前提下，設(shè)計停車引導(dǎo)系統(tǒng)和收費(fèi)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)停車場車輛管理的自動化，提高車輛的入庫停車效率[2]。本文所設(shè)計的智能停車系統(tǒng)是這些研究的前項環(huán)節(jié)，即透明化用戶周邊的車位群信息，篩選并鎖定合適的停車場及車位。

1　總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的智能停車管理系統(tǒng)主要包括3個部分：車位信息采集模塊、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

車位信息采集模塊安裝在每個車位的前方。車輛感知傳感器采用的是地磁傳感器，車輛識別方法基于“地磁場高斯理論”。傳感器連續(xù)采樣車位上的地磁信息，通過差分對比的方式就能判斷當(dāng)前車位的停車情況。完成一次車位信息采樣后，采集模塊通過ZigBee無線通信將結(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功能收集停車場里所有的車位停車信息，通過GSM網(wǎng)絡(luò)與用戶的GSM終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時該模塊集成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GSM查詢空閑的停車車位、周邊的停車場反饋停車情況并制定停車方案，同時也可以對訂制的個人車位監(jiān)控，警報車位被占或車輛盜竊。

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，車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。

(1) 車位信息采集模塊

車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場的各個車位里，需要通過電池供電，因此需要特別注意低功耗設(shè)計。

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]。

車位信息采集模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　車位信息采集模塊結(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?。本文選用ST公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的STM32F103VET6芯片(以下簡稱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

2.1微控制器接口

車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，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，SIM908需要UART接口(TXD、RXD)和一路模塊功能開關(guān)信號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)計如圖4所示。

圖4　電源電路

車位信息采集模塊的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MSP430F5340的GPIO P1.1～P1.4(STM32的GPIO PE8～PE11)時序模擬實現(xiàn)。選擇GPIO模擬SPI是因為該方法具有操作直觀、靈活可變等優(yōu)點(diǎn)。CC2520的DCOUPL引腳通過外接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總線空閑時候需要通過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)手冊連接220 nF的C2電容。電路設(shè)計圖如圖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，可參考用戶手冊選擇天線。電路設(shè)計略——編者注。

3　嵌入式軟件設(shè)計

3.1軟件總體設(shè)計

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

3.2HMC5843車輛檢測模塊軟件設(shè)計

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)車輛的存在，還能夠通過不同軸向上的磁力變化區(qū)分車輛的移動方向[8]。這里主要用于判斷車輛的有無，判斷依據(jù)如下：

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

HMC5843有5種工作模式：連續(xù)測量模式、單一測量模式、閑置模式、睡眠模式、關(guān)機(jī)模式。這里設(shè)置為單一測量模式，因為在該模式下完成一次A/D采樣后自動轉(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(寫入操作)、0x3D(讀出操作)。

下面是完成一次A/D采樣的C語言程序，其中I2C讀寫操作函數(shù)的第一個參數(shù)是設(shè)備地址，第二個參數(shù)是內(nèi)部地址，第三個參數(shù)是讀數(shù)的保存地址或者寫數(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，否則采樣值會遭到嚴(yán)重的電磁干擾；②單一采樣模式完成采樣后會自動跳轉(zhuǎn)為睡眠模式，需要重新設(shè)置工作模式；③芯片的RDY可用來作為采樣完的信號，接入單片機(jī)以上升沿觸發(fā)中斷，也可以通過內(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

CC2520是一個半雙工的射頻收發(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，通過配置寄存器FREQCTRL完成。信道中心頻率的計算方法如下：

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

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

SIM908的軟件設(shè)計主要包括將車庫信息通過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、車位的開關(guān)量顯示等。

結(jié)　語

系統(tǒng)完成了車位磁傳感器到用戶終端的數(shù)據(jù)鏈路，提高了車庫信息的透明度，方便用戶尋找停車位。智能停車系統(tǒng)是支撐智慧城市項目的子內(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，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] 周偉.城市動態(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?yán)U費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計和實現(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 [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線交通監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(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)