基于ZigBee與地磁傳感技術(shù)的智能車位控制器設(shè)計(jì)*

翟文正

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院　常州　213164)(2.常州常工電子科技股份有限公司　常州　213031)

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基于ZigBee與地磁傳感技術(shù)的智能車位控制器設(shè)計(jì)*

翟文正1,2

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院常州213164)(2.常州常工電子科技股份有限公司常州213031)

提出一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地磁傳感技術(shù)的車位控制器設(shè)計(jì)方法,并對(duì)此進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)停車位空閑(占用)狀態(tài)的檢測(cè),數(shù)據(jù)到云平臺(tái)的實(shí)時(shí)上傳及控制中心對(duì)車位鎖的開閉控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,智能車位控制器能夠自動(dòng)檢測(cè)停車位中有無車輛,并能準(zhǔn)確控制車位鎖的開閉。設(shè)計(jì)具有新穎簡(jiǎn)潔,高效實(shí)用的特點(diǎn)。

ZigBee; 地磁; 車位鎖; 智能停車誘導(dǎo)

Class NumberTP277

1　引言

停車誘導(dǎo)系統(tǒng)作為智能交通(Intelligent Transport System,ITS)的核心組成部分,能實(shí)時(shí)提供城市停車信息,提高停車設(shè)施泊位利用率,解決城市停車難問題,成為近年國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1～2]。

車位數(shù)據(jù)采集作為停車誘導(dǎo)必不可少的組成環(huán)節(jié),有著至關(guān)重要的作用。隨著當(dāng)前云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展,再加上無線傳感網(wǎng)對(duì)智能停車的諸多優(yōu)勢(shì)[3～5],設(shè)計(jì)開發(fā)滿足需要的ITS成為現(xiàn)實(shí)。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于ZigBee與地磁傳感技術(shù)的智能車位控制器。

2　車位控制器設(shè)計(jì)

車位管理系統(tǒng)的硬件由基于地磁傳感器的無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集中器及控制中心組成。數(shù)據(jù)采集終端實(shí)時(shí)采集停車位地磁場(chǎng)的信號(hào),并通過ZigBee無線局域網(wǎng)發(fā)送給集中器,集中器進(jìn)行信息處理之后通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將信息上發(fā)到云平臺(tái)服務(wù)器,管理中心再通過Internet將信息發(fā)布,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)車位信息管理及更新。

如圖1所示車位控制器結(jié)構(gòu)框圖,車位控制器的主要功能是對(duì)停車位的狀態(tài)信息檢測(cè)和采集,并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酵＼囌T導(dǎo)系統(tǒng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,控制中心判斷處理后,下達(dá)指令給車位控制器,進(jìn)而對(duì)車位鎖升降動(dòng)作,以便車輛的停泊及駛離。

圖1　車位控制器結(jié)構(gòu)框圖

3　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

在功能上,車位控制器可劃分為微控制器功能模塊、地磁感應(yīng)傳感模塊、無線通信功能模塊、車位鎖電機(jī)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)模塊、聲光指示模塊和電源模塊,其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　車位控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

微控制器功能模塊和無線通信功能模塊是基于CC2530實(shí)現(xiàn)的,內(nèi)嵌高性能和低功耗的51處理器核,集成了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz頻段RF無線電收發(fā)模塊,具有接收靈敏度高,抗干擾性強(qiáng),低功耗,安全性高等特性。在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)車位狀態(tài)監(jiān)測(cè)與處理,數(shù)據(jù)收發(fā)、節(jié)點(diǎn)控制等核心功能,是車位控制器的功能控制中樞。聲光指示模塊內(nèi)嵌于車位鎖,用以提示車位鎖升降或受到撞壓時(shí)的狀態(tài)。

考慮到控制器的性能和穩(wěn)定,采用DC-DC芯片將電機(jī)電源的MCU電源分離,分別提供12V和3.3V輸入電壓。

3.1地磁傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

車輛通過會(huì)對(duì)所在周圍的地磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng),磁阻傳感器就是通過檢測(cè)車輛對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生的這個(gè)擾動(dòng)來探測(cè)車輛存在情況,從而判斷車輛的通過或泊位的情況[6]。Honeywell公司的磁傳感器在低磁場(chǎng)傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器,本設(shè)計(jì)選用HMC5883L低功耗地磁傳感器與ZigBee終端CC2530通過IIC通信。HMC5883L包括高分辨率HMC118磁阻傳感器、偏差校準(zhǔn),使羅盤精度控制在1～2度的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

如圖3所示的HMC5883L接口電路,由于CC2530無IIC接口,系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用軟件模擬的方法來實(shí)現(xiàn),P0.5當(dāng)作模擬IIC的時(shí)鐘輸入,P0.6當(dāng)作模擬IIC的數(shù)據(jù)線,分別接有10kΩ的上拉電阻,2個(gè)電容值為0.22uF的陶瓷電容。

圖3　HMC5883L接口電路

圖4　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為考慮電池效率,應(yīng)最大限度降低功率損耗,采用直流電機(jī),驅(qū)動(dòng)模塊采用L298,并采用PWM對(duì)電機(jī)控制,避免電流沖擊及車輛和人員傷害。

如圖4所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路的SENSA為啟動(dòng)和關(guān)閉A、B兩相的控制端,連接控制器的一個(gè)通用 I/O 口,通過設(shè)置IN1和IN2,確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,并對(duì)使能端輸出PWM脈沖,即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。采用四個(gè)續(xù)流二極管 IN4001,保護(hù)步進(jìn)電機(jī)不被感應(yīng)電壓燒壞。

4　車位控制器軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee2006協(xié)議棧,可在CC2530芯片上實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[7～8]。如圖5所示的車位控制器軟件設(shè)計(jì)框圖,軟件設(shè)計(jì)主要由地磁車位信息采集、無線數(shù)據(jù)通信和車位鎖電機(jī)控制三個(gè)模塊組成。

圖5　車位控制器軟件設(shè)計(jì)框圖

在基于ZigBee協(xié)議Z-Stack的應(yīng)用開發(fā)中,操作系統(tǒng)抽象層(Operating System Abstraction Layer,OSAL)是以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)為核心的系統(tǒng)資源管理機(jī)制,用戶只需實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序框架即可。OSAL根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)先后次序通過系統(tǒng)調(diào)用OSAL_add_task添加任務(wù)到任務(wù)鏈表中,實(shí)現(xiàn)對(duì)多任務(wù)的管理。

采集電路接收來自地磁傳感器的車位信息量進(jìn)行采集,并通過單片機(jī)GPIO端口將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的模式傳遞給CC2530,CC2530芯片內(nèi)部所嵌入的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),通過芯片RF_N和RF_P端口連接天線,進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。

車位探測(cè)終端的主要軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)車位鎖節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行硬件初始化,掃描所有可用信道以查找協(xié)調(diào)器,并建立與協(xié)調(diào)器的連接。當(dāng)有車輛進(jìn)出車位時(shí),系統(tǒng)控制終端通過協(xié)調(diào)器向車位鎖節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令,控制車位鎖的啟動(dòng)或關(guān)閉使機(jī)械裝置升降,以便實(shí)現(xiàn)車輛的停車及駛出。主程序大部分是調(diào)用相應(yīng)的子程序來實(shí)現(xiàn)車位狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和通信功能,是整個(gè)停車位控制器的設(shè)計(jì)主線。

圖6　車位控制器程序流程圖

當(dāng)停車位附近有車輛等鐵磁性物體經(jīng)過時(shí)將對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度造成干擾,從而引起停車位信息釆集模塊的誤判。因此需要一種車輛停車判斷算法使該模塊正常工作。文獻(xiàn)[9]提出一種單中間狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)檢測(cè)算法,通過設(shè)定最大Vmax、最小閾值Vmin作為狀態(tài)機(jī)的判定基準(zhǔn),然后將一組時(shí)間序列上不同的地磁強(qiáng)度作為狀態(tài)機(jī)的輸入,以避免車輛停入的誤判。

5　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

接收信號(hào)強(qiáng)度(Receive Signal Strength Indicator,RSSI)用于判定鏈路質(zhì)量,丟包率反映ZigBee組網(wǎng)通信的性能。系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)行了RSSI和丟包率的數(shù)據(jù)采集與分析,實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃u(píng)述系統(tǒng)工作性能與實(shí)踐應(yīng)用性能。

5.1接收信號(hào)強(qiáng)度

根據(jù)信號(hào)傳播理論模型,建立信號(hào)衰減和傳播距離間的關(guān)系[10]。

(1)

其中n為路徑損耗指數(shù),d為發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接受節(jié)點(diǎn)間的距離,Xσ為均值為σ的高斯分布,一般σ=0。d0為參考距離,P0則為在參考距離d0下接收的信號(hào)強(qiáng)度值。

在實(shí)際提供RSSI測(cè)量的芯片中,采用簡(jiǎn)化模型表示發(fā)射功率和接收功率的關(guān)系：

PR=A-10×nlgd

(2)式中PR為無線信號(hào)的接收功率,單位dBm;A為信號(hào)傳輸1m遠(yuǎn)時(shí)接收信號(hào)的功率,常數(shù)A和n的數(shù)值決定了接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸距離的關(guān)系。CC2530基于IEEE 802.15.4協(xié)議,其簡(jiǎn)化的信道模型：

(3)

實(shí)驗(yàn)采用Smart RF Studio軟件進(jìn)行測(cè)試,利用車位控制器和區(qū)域網(wǎng)關(guān)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)互相發(fā)送30Byte數(shù)據(jù)包,0X08通道作為通信信道,并保持傳輸功率為1dBm,監(jiān)測(cè)到如表1所示的RSSI值。

表1　節(jié)點(diǎn)接收敏感度

可以看出：RSSI均介于-90dBm和-100dBm,滿足正常通信標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)觀察到信號(hào)強(qiáng)弱與可測(cè)定信號(hào)點(diǎn)與接收點(diǎn)間距離的關(guān)系,當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間距離小于60m時(shí),所有發(fā)送數(shù)據(jù)包均被成功接收,當(dāng)距離超過90m時(shí),丟包率增加并影響正常的數(shù)據(jù)傳輸。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ZigBee協(xié)調(diào)器與終端的傳輸有效范圍為10～100m,通過路由與節(jié)點(diǎn)之間通信的接力,傳輸距離與組網(wǎng)范圍可以拓展。

5.2網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

以四個(gè)車位采集結(jié)點(diǎn),兩個(gè)路由結(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)延遲率,設(shè)定采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相互周期性發(fā)送長(zhǎng)度為93字節(jié)的數(shù)據(jù)包,節(jié)點(diǎn)間距不超過5m,任意兩個(gè)采集結(jié)點(diǎn)分別以10ms、 20ms、60ms為周期同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包到網(wǎng)關(guān),觀測(cè)到如表2所示的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率。

表2　網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理過程的延遲(發(fā)送節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧延遲約550us,接收節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧延遲約600us)及接收緩存尺寸限制,ZigBee結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)周期應(yīng)高于60ms,以降低丟包率,并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

基于車位控制器節(jié)點(diǎn)搭建的ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)城市停車誘導(dǎo)系統(tǒng)中區(qū)域性ZigBee網(wǎng)絡(luò),滿足中小規(guī)模車位信息采集。

6　結(jié)語

系統(tǒng)以ZigBee無線射頻處理器CC2530為核心構(gòu)建車位鎖控制器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái),完成ZigBee無線射頻單元、車位鎖控制單元和地磁傳感器單元軟硬件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)停車位空閑或占用狀態(tài)的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,智能車位控制器能夠自動(dòng)檢測(cè)停車位中有無車輛,并能準(zhǔn)確控制車位鎖的開閉,為路面停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

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Design of Intelligent Parking Space Controller Based on ZigBee and Geomagnetic Sensor Technology

ZHAI Wenzheng

(1. Software School,Changzhou College of Information Technology, Changzhou213164) (2. Changzhou Changgong Electronic Technology Co. Ltd, Changzhou213031)

A parking space controller is proposed. By geomagnetic sensor and wireless sensor network technology,the controller can detect the parking space free or occupied and real-time upload the data to intelligent parking guidance cloud platform system, at the same time to accept the command of parking lock open and closed from control center. The experimental results show that the intelligent parking controller can automatically detect whether there is vehicle in the parking space,and can accurately control the opening and closing of the parking space lock.

ZigBee, geomagnetic, parking space lock, intelligent parking guidance

2016年4月10日,

2016年5月27日

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目(編號(hào)：PPZY2015A090)資助。

翟文正,男,博士后,講師,研究方向:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)控制。

TP277

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.045