基于無線擴頻技術(shù)的停車引導系統(tǒng)設(shè)計

(中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

隨著超大型寫字樓、商圈、高層住宅居民樓拔地而起，地下停車場成為大型建筑的標配。然而地下停車場找車位日益棘手，停車引導系統(tǒng)應運而生。停車引導系統(tǒng)的技術(shù)難點在于要求通信穩(wěn)定可靠、車輛檢測率高。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，布線檢測方式被無線通信方式取代,并出現(xiàn)了基于ZigBee[1]方式的停車引導系統(tǒng)。但ZigBee受通信距離的限制，在室內(nèi)環(huán)境下使用可靠性差。之后，以視頻檢測[2-3]為手段的停車引導系統(tǒng)被推向市場，但視頻車輛檢測器功耗偏大，需要布線安裝，在市場推廣方面受阻重重。隨著無線擴頻技術(shù)[4-5]的成熟，基于智能停車產(chǎn)品開發(fā)的公司找到了商機。本文以車輛引起的地球磁場變化為原理，針對每個車位的磁場變化，以磁阻傳感器[6]為檢測手段，無線擴頻技術(shù)為通信手段，建立一個覆蓋整個停車場的監(jiān)測顯示網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一套通信穩(wěn)定、檢測可靠的停車引導系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定度、低復雜度的停車引導系統(tǒng)，本文設(shè)計了基于無線擴頻技術(shù)的停車引導系統(tǒng)，該系統(tǒng)由采集器、集中器、中央控制器和LED車位引導屏等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 停車引導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采集器和集中器組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)選擇星形拓撲結(jié)構(gòu)。采集器通過采集車輛引起的地球磁場變化，并通過數(shù)學計算獲取車位狀態(tài)，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)與集中器進行通信。每個車位安裝一個采集器。集中器相當于網(wǎng)關(guān)，負責車位信息收集，并通過標準IP接口將車位狀態(tài)數(shù)據(jù)傳至中央控制器。中央控制器負責匯總車位信息、總區(qū)域和分區(qū)域數(shù)據(jù)處理，并通過RS485將數(shù)據(jù)分發(fā)至LED顯示屏；LED顯示屏布放在停車場入口和停車場內(nèi)的道路岔道口，負責車位信息的顯示和車輛停車引導。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

采集器與集中器的傳輸通過LoRa(Long Range)模塊實現(xiàn)。LoRa模塊的核心為SemTech公司生產(chǎn)的SX127X[7]系列芯片，LoRa是一種長距離調(diào)制技術(shù)，采用線性擴頻調(diào)制方式，用于建立長距離通信鏈路。LoRa與頻移鍵控[8](FSK)調(diào)制相比，在保證FSK的低功耗優(yōu)勢的前提下，增加通信距離。LoRaWAN(Lora Wide Area Network)是LoRa廣域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對距離和低功耗進行了優(yōu)化和權(quán)衡。不同的信道或無線通信速率下的通信互不干擾，保證了同一個網(wǎng)絡(luò)下能容納足夠的節(jié)點。

2.1 采集器硬件設(shè)計

采集器電路由CPU、LoRa模塊、磁處理器、磁采集器、激活單元和電源組成，如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點電路框圖

本文采用磁處理器和磁采集器的設(shè)計思路，完成磁場數(shù)據(jù)的采集和信號的轉(zhuǎn)換。磁采集器屬于電感元件，能感知周圍環(huán)境的磁場變化，一片磁處理器能同時連接并處理3個磁采集器的數(shù)據(jù)。磁處理器對采集的信號進行放大和濾波處理，并通過標準的SPI接口輸出數(shù)據(jù)至CPU。

CPU采用TI公司的16位處理器MSP430F2553，CPU是采集器的主控單元，負責采集器的邏輯控制和功能實現(xiàn)。主要包括磁場數(shù)據(jù)讀取、無線芯片控制、電壓采集等。

整個模塊采用鋰電池供電，避免電源轉(zhuǎn)換帶來的功率損耗，降低系統(tǒng)功耗和安裝成本。電路中采用了兩種設(shè)計思路降低模塊的功耗：① 磁處理器的電源供電通過CPU的IO口進行控制，當需要進行磁采集時，給磁處理器上電；采集結(jié)束后，通過IO口控制關(guān)閉磁處理器的電源。② 避免磁處理器一直處于工作狀態(tài)，降低功耗；電路還利用磁處理器的IO口喚醒CPU，實現(xiàn)激活功能，較強磁場下，該單元被激活，激活狀態(tài)下可以減少無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)量，降低部分模塊的入網(wǎng)時間?，F(xiàn)場安裝時，通過外部磁場激活加快組網(wǎng)速度，降低檢測模塊的功耗。

2.2 集中器硬件設(shè)計

集中器無線接收采集器上傳的車位狀態(tài)數(shù)據(jù)，并整合該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。集中器與中央控制器通過標準IP連接，當集中器接收到來自中央處理器的數(shù)據(jù)訪問命令后，將整合的車位狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至中央處理器。

微處理器采用TI公司研制的MSP430F149，該芯片處理時鐘可達8 MHz，配置多個串口外設(shè)和IO口。標準IP接口采用串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊實現(xiàn)。無線部分仍然采用微處理器控制LoRa收發(fā)器的方案。其硬件電路圖如圖3所示。

LoRa模塊與處理器采用SPI通信方式，微處理器為主設(shè)備。RF_DIO0～RF_DIO2指示無線模塊的工作狀態(tài)。以接收為例，當無線模塊處于接收狀態(tài)，在沒有接收到數(shù)據(jù)時，狀態(tài)IO均為低電平；當某時刻接收到數(shù)據(jù)后，RF_DIO0變?yōu)楦唠娖?。微處理器探測到IO電平變化，監(jiān)測LoRa模塊所屬狀態(tài)，完成后續(xù)數(shù)據(jù)讀取等操作。

2.3 中央控制器硬件設(shè)計

中央控制器周期性地訪問集中器，集中器將車輛檢測器數(shù)據(jù)傳至中央控制器。中央控制器匯總、分析解算后，傳輸至對應的顯示屏發(fā)布。中央控制器電路由CPU、網(wǎng)絡(luò)模塊、電源管理和通信模塊組成。

電源管理負責整個控制器的供電保障。通信模塊負責將標準TTL串口電平轉(zhuǎn)換為RS485協(xié)議，CPU負責數(shù)據(jù)接收、分析處理和發(fā)布，CPU選擇意法半導體公司的高性能微控制器，該控制器自帶以太網(wǎng)外設(shè)，方便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。中央控制器電路框圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 采集器軟件設(shè)計

采集器負責車位信息、采集器電池電壓的采集和發(fā)送，并接收集中器下發(fā)的應答、指令命令數(shù)據(jù)。程序流程如圖5所示。

系統(tǒng)上電后首先進行參數(shù)配置，包括單片機外設(shè)的配置、LoRa無線模塊參數(shù)配置。無線模塊參數(shù)配置由SemTech公司提供的庫函數(shù)SX1276Init()實現(xiàn)，該函數(shù)完成無線模塊硬件電平初始化無線模塊狀態(tài)設(shè)置，并最終調(diào)用SX1276LoRaInit()完成參數(shù)配置。無線模塊參數(shù)表由LoRaSettings結(jié)構(gòu)體提供，包括通信頻率、發(fā)射功率、帶寬和擴頻因子等關(guān)鍵參數(shù)。通過修改該結(jié)構(gòu)體對應的參數(shù)，完成模塊設(shè)置。之后進入主循環(huán)，主循環(huán)的功能是檢測車位狀態(tài)和無線數(shù)據(jù)收發(fā)。車位狀態(tài)定時檢測，通過定時器定時保證周期性檢測；無線數(shù)據(jù)收發(fā)通過單片機控制，模塊狀態(tài)通過IO口發(fā)送給單片機。該軟件有2個中斷服務(wù)程序；定時器中斷和IO口中斷，保證精準定時和無線模塊狀態(tài)機正常有序運行。

圖3 無線模塊通信電路

圖4 中央控制器電路框圖

圖5 采集器程序流程

3.2 集中器軟件設(shè)計

集中器完成該區(qū)域內(nèi)車位狀態(tài)收集。等待接收無線數(shù)據(jù)時，集中器無線模塊處于接收模式。正確接收到車輛檢測器數(shù)據(jù)時，切換成發(fā)送狀態(tài)，給對應的車輛檢測器發(fā)送接收數(shù)據(jù)回令。完成回令發(fā)送后，切換為接收狀態(tài)等待接收無線數(shù)據(jù)。對接收的車位狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時上傳至中央控制器，經(jīng)處理器解算，按照顯示屏模塊的協(xié)議格式轉(zhuǎn)換，通過RS485串口線將數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示屏顯示。

3.3 中央控制器軟件設(shè)計

中央控制器周期性地發(fā)送訪問集中器的指令，當集中器接收到訪問指令后，將數(shù)據(jù)上傳至中央控制器、中央控制器對數(shù)據(jù)進行綜合、分析和解算。將結(jié)果傳至對應的顯示屏發(fā)布。中央處理器的軟件流程如圖7所示。

4 實驗結(jié)果

為了驗證該引導系統(tǒng)的檢測準確性和通信穩(wěn)定性，對某一地下停車場進行設(shè)備安裝和測試。該停車場共有地下2層，僅對地下一層設(shè)備的測試進行說明。該層被分為4個區(qū)域，分別表示為A、B、C、D，總共有車位134個，一個入口，一個出口，引導牌10塊，停車場平面圖如圖8所示。入口處的引導屏顯示停車場內(nèi)空車位的數(shù)量，進入停車場內(nèi)有8塊引導屏，分別指示箭頭方向的空車位的數(shù)量。圖9顯示停車場內(nèi)引導屏在某一時刻的顯示結(jié)果，通過引導屏中標記的方向和數(shù)量，能夠快速找到空車位停車，提高停車效率。該層共安裝集中器一套，采集器與集中器最遠距離超過75 m。經(jīng)測試，室內(nèi)條件下，基于LoRa的通信仍然穩(wěn)定可靠，丟包率低，通信質(zhì)量較ZigBee好。經(jīng)13天測試，共收據(jù)數(shù)據(jù)847組。其中進車552組，出車295組。漏檢13組，錯檢56組，準確率達91.8%。

圖6 停車場示意圖

圖7 中央控制器軟件流程

5 結(jié)束語

相比ZigBee通信，LoRa在通信距離上優(yōu)勢明顯。基于無線擴頻技術(shù)的車輛檢測器免布線方式安裝，通信穩(wěn)定可靠，磁檢測方式提高檢測率，中央控制器能遠程監(jiān)控車輛檢測器狀態(tài)，對車輛檢測器進行無線設(shè)置和查詢，方便維護和使用，同時具有安裝方便等優(yōu)勢。目前NB-loT[9]日漸成熟，無線通信必將在越來越多的停車場中得到應用。

圖8 停車場示意圖

圖9 停車場引導顯示