基于多傳感器融合的智能車位鎖系統(tǒng)設(shè)計與研究

黃燕 戚志錦

摘? 要：針對機械式手動車位鎖使用不便，以及當前單地磁傳感器檢測的智能車位鎖容易受到相鄰車位車輛進出或停放不規(guī)范干擾，出現(xiàn)誤檢問題等弊端，為提高車位鎖對車位上的車輛檢測的準確率，對現(xiàn)有的自動車位鎖做出改進，提出了一種基于BLE技術(shù)的多種測量方法相結(jié)合的智能車位鎖實現(xiàn)方法。該智能車鎖可通過藍牙模塊進行信息傳輸及車輛定位，將定位結(jié)果與地磁信號融合來提高車輛的檢測準確度，實現(xiàn)智能車位鎖精準控制，同時可以實現(xiàn)手機APP推送開鎖校驗碼。

關(guān)鍵詞：車位鎖;多傳感器融合;BLE技術(shù);藍牙定位;地磁車位檢測模塊;車輛檢測

中圖分類號：TN409;TP391.44? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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)的一個領(lǐng)域。當前社會車位緊張，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];而目前在市場上銷售的智能車位鎖是通用藍牙電子標簽發(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現(xiàn)對車輛是否在車位的檢測，實現(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車輛是否在車位進行判斷，由于不同的車輛對磁場的改變有較大不同，地磁傳感器沒有標準的閾值設(shè)定方法。若地磁強度判定閾值設(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)院科研組對智能車位鎖課題進行立項研究，電子信息學(xué)院部門成立智能車位鎖課題項目研究小組，針對智能車位鎖的漏檢與誤檢等問題進行研究。為了增加智能車位鎖系統(tǒng)對車輛的檢測準確度，在單地磁傳感器檢測的基礎(chǔ)上加入藍牙定位的判斷條件進行輔助判斷，該文結(jié)合BLE技術(shù)對車輛進行定位并與車輛進行數(shù)據(jù)通信，可有效解決由于相鄰?fù)＼囄卉囕v進出或車輛停放不規(guī)范原因造成的本停車位狀態(tài)誤判問題。

藍牙定位技術(shù)在藍牙5.0推出后，其技術(shù)特點更為突出，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)勢確保了藍牙技術(shù)短距離的定位上有較大的競爭力，特別是室內(nèi)定位?；谒{牙信標的室內(nèi)定位為當前研究熱點，通過在室內(nèi)布置多個藍牙信標，使用藍牙電子標簽進行實時位置計算，實現(xiàn)準確的室內(nèi)定位[4]。本文首先對現(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)分三個硬件系統(tǒng)組成：車載BLE電子標簽終端與智能車位鎖控制系統(tǒng)，車載BLE電子標簽終端裝在車輛上，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牙信標通過車載BLE電子標簽終端與智能車位鎖的BLE模塊進行數(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藍牙信標信息進行當前坐標的估算，實時車輛的定位;車位鎖中的MCU控制器模塊是負責系統(tǒng)的調(diào)度，對電機驅(qū)動的控制、對地磁信號的分析、對電源系統(tǒng)的管理、對BLE模塊信號的分析、對碰撞的報警等。電機驅(qū)動模塊負責控制電機對智能車位鎖進行開鎖或關(guān)鎖的工作;地磁檢測模塊負責檢測車位當前車位車輛狀況，判斷車位是是否有車停放;電源供電模塊負責系統(tǒng)供電策略管理。若車位上有車輛則MCU控制器模塊進入休眠，同時關(guān)閉BLE模塊來降低系統(tǒng)功耗，當?shù)卮艡z測模塊檢測到地磁信號變化超過閾值時，便喚醒MCU控制器模塊及BLE模塊，BLE模塊與車載BLE電子標簽終端進行通信并定位，判斷車輛是否在車位內(nèi)，提高車位鎖對車輛檢測精度，有效解決誤檢等問題。報警模塊負責檢測電量及外界對車位鎖的碰撞情況報警等。各模塊協(xié)同工作，保證系統(tǒng)準確、穩(wěn)定工作的同時，還要保障系統(tǒng)的續(xù)航能力。

車載BLE電子標簽終端（主機），負責與智能車位鎖系統(tǒng)（從機）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，并與車位周圍的藍牙信標通信，計算當前車輛實時位置，當識別車輛位置距智能車位鎖距離達到一定值后，通知智能車位鎖控制端進行相應(yīng)的開鎖或關(guān)鎖操作。藍牙信標，主要為車載BLE電子標簽終端提供當前坐標的估算，確保車輛的定位精確度。

2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計

智能車位鎖的控制器分別由MCU控制器模塊、BLE模塊、地磁檢測模塊、報警模塊、電源供電模塊及電機驅(qū)動模塊組成，其中MCU控制器模塊負責系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，本設(shè)計的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系列的入門級產(chǎn)品，是一顆基于ARM Cortex-M0+架構(gòu)的MCU，可實現(xiàn)0.23 μA待機的超低功耗模式，喚醒時間短，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)用提供強大功能支持。本設(shè)計選用內(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)計簡便、產(chǎn)品性價比高及低功耗的特性，其非常適合應(yīng)用于本設(shè)計中。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模塊有幾個主要功能，一個藍牙電子標簽之間需要在建立通信連接并發(fā)送相應(yīng)的密鑰信息，二是運用iBeacon技術(shù)進行近距離定位，對當前車輛位置坐標估算及定位，三是兼作為藍牙信標3，為車輛定位提供準確坐標[5]。藍牙定位系統(tǒng)主要由信標節(jié)點和信號接收處理系統(tǒng)構(gòu)成，而信標擁有協(xié)議棧配置獨有的編號標識，負責距離計算以及位置標識。車載BLE電子標簽終端系統(tǒng)包含信號接收、數(shù)據(jù)處理器以及將信號回傳給智能車位鎖。車載BLE電子標簽終端內(nèi)置的藍牙模塊作為接收器，負責搜索藍牙信標及識別藍牙信標的通用唯一識別碼（UUID）標識，與智能車位鎖端通信;車載電子標簽端還負責用接收到的RSSI值來計算距離信息和坐標，處理后及時回傳到智能車位鎖端;在車位周邊放置3個藍牙信標（其中智能車位鎖為一個藍牙信標），智能車位鎖端與車載BLE電子標簽終端進行信息交換，并及時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，基于三點定位技術(shù)實現(xiàn)定位。藍牙的RSSI值包括距離相關(guān)信息，隨著兩者距離的增加，RSSI信號強度也會呈現(xiàn)出有規(guī)律的減弱，所以通過RSSI衰減模型實現(xiàn)距離測量[6]。對于藍牙定位算法介紹的文章較多，具體三點定位算法可參考文獻[7]。

藍牙5.1實現(xiàn)了更快的傳輸速度、更遠的傳輸距離、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向功能，室內(nèi)定位精度可達到厘米級，這些性能非常適合于智能車位鎖的應(yīng)用。

本設(shè)計選用挪威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，使用先進的片上自適應(yīng)電源管理系統(tǒng)可實現(xiàn)極低的能耗。nRF52811是一個多協(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)計如圖5所示。

2.3? 地磁檢測模塊

地球上充滿地磁場，在一定的區(qū)域內(nèi)的地磁場信號強度是基本穩(wěn)定的[8]。而金屬物體會對地磁場信號產(chǎn)生擾動作用，改變周圍的地磁分布，改變該區(qū)域的地磁場強度。根據(jù)以上原理，采用地磁檢測模塊對車位處的地磁信號強度變化進行監(jiān)測，感知車位上方的車輛停放情況[9]。

本設(shè)計只需要靜態(tài)地檢測車位的車輛是否存在，不需要對識別判斷車輛的運動狀態(tài)，故只需要選用單軸地磁傳感器，傳感器選擇性價比較高的美國霍尼韋爾公司HMC1001地磁傳感器[10]。HMC1001的測量磁場范圍為±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，性價比高，靈感度高，可靠性高等優(yōu)點，很好地滿足智能車位鎖系統(tǒng)設(shè)計要求。

地磁傳感器HMC1001模塊電路圖如圖6所示，由地磁傳感器IC、地磁信號放大增強電路、地磁信號比較電路及對地磁芯片復(fù)位電路等電路組成。

HMC1001屬于小磁場傳感器，其在受到較大的外力磁場的情況時會使得傳感器輸出信號的質(zhì)量變差，此時由三極管S8050及場效應(yīng)管IRF7105組成的復(fù)位電路會產(chǎn)生一個電信號來對磁場傳感器進行復(fù)位，以恢復(fù)其特性。HMC1001地磁傳感器采用惠斯通電橋原理，將磁場信號變換成差分信號，再經(jīng)信號放大器（AMP04）電路，將差分信號放大，再通過由運算放大器LM324組成的跟隨器，最后將信號傳給MCU控制器模塊，MCU控制器模塊將采集到的電壓信號與有車輛在車位上方時的閾值電壓進行比較，并進行判斷處理，從而判斷車位上是否有車輛停放[11]。根據(jù)以上地磁信號強度變化條件，判斷停車位上方是否有車輛進出。

2.4? 電源供電模塊及報警模塊

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)計中選用TI的DC-DC芯片LMR14030給電機驅(qū)動模塊、地磁檢測模塊及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。

當停車位無停放車輛時，車位鎖會打開，當車位鎖檢測到外界力量強制碰撞干擾時，MCU控制器模塊會輸出脈沖波，控制報警模塊發(fā)出碰撞警報聲[12]。當車位鎖檢測到電池電壓過低時，報警模塊會在車輛進入車位后便發(fā)出電壓過低警報聲，提醒用戶更換電池。圖8為警報聲模塊電路。

2.5? 電機驅(qū)動模塊

本設(shè)計要對車位鎖搖臂進行升降，需要電機驅(qū)動電路對電機正反轉(zhuǎn)進行控制，選用的電機驅(qū)動器為AT8837。AT8837是由中科微生產(chǎn)的集成電機驅(qū)動控制芯片。AT8837是單通道H橋的輸出驅(qū)動器芯片，其中H橋驅(qū)動電路由NMOS功率管構(gòu)成，最大輸出電流可達1.5 A，擁有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和剎車等驅(qū)動功能。AT8837內(nèi)部有過流、短路及過溫保護，欠壓鎖定保護等，通過PWM信號控制電機轉(zhuǎn)向及調(diào)速，當拉低nSLEEP管腳時，會使AT8837芯片進入低功耗睡眠模式等功能。AT8837擁有寬電壓輸入、低靜態(tài)電流及低待機電流等優(yōu)點。綜上特點，AT8837比較適用于智能車位鎖的電機驅(qū)動模塊設(shè)計要求。

AT8837電路如圖9所示，其VM腳為電機電源供電腳，一個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布局時盡量將其旋轉(zhuǎn)于VM管腳旁。為了更好抑制電機在工作或斷開瞬間產(chǎn)生火花，降低EMC干擾及保證機電運行安全，在電機輸出端OUT1與OUT2之間并聯(lián)一個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

智能車位鎖端的控制程序是整個車位鎖系統(tǒng)的核心程序，負責對車位上車輛的存在識別，車輛進出行為判斷，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度信號的變化進行識別的;車輛進出行為判斷通過地磁傳感器信號的變化及BLE模塊定位測距雙重判斷，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電機進行控制，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)對各設(shè)備模塊進行初始化，隨后系統(tǒng)進入循環(huán)主程序。接下來對當前車位狀況進行檢測，若車位無車輛停放時，系統(tǒng)對車位進行關(guān)鎖操作。關(guān)鎖完成后打開BLE模塊掃描車載BLE電子標簽終端，若車位鎖BLE模塊識別到車載BLE電子標簽終端時，雙方配對，進行密鑰驗證，通過后，對車輛進行距離定位，若車輛距車位鎖滿足特定距離后（系統(tǒng)默認為15米），喚醒地磁檢測模塊，同時打開車位鎖并降下車位鎖，使車輛駛?cè)胲囄?。通過地磁傳感器及BLE模塊定位測距共同檢測車輛是否入位，確認入位后，系統(tǒng)進行低功耗模式，關(guān)閉BLE模塊、MCU控制器模塊進入休眠狀態(tài)，只打開地磁檢測模塊對車輛進行檢測。當?shù)卮艡z測模塊監(jiān)測磁強變動值大于設(shè)定閾值時，系統(tǒng)會喚醒BLE模塊對車輛進行距離定位，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模塊進入低功耗運行模式，進入車輛檢測程序?？哲囄辉诘却^程中，要監(jiān)測車位鎖是否遭到外力破壞，若有遭到外力破壞，系統(tǒng)會發(fā)出碰撞報警的警報聲。

4? 結(jié)? 論

課題項目的研究小組提出的地磁傳感器與BLE模塊定位測距多傳感器融合的智能車位鎖的設(shè)計方案，在系統(tǒng)硬件的設(shè)計中選用了低功耗芯片，對軟件及流程進行優(yōu)化，讓智能車位鎖的續(xù)航能力更強，通過BLE模塊通信密鑰算法識別車主身份，通過iBeacon技術(shù)進行近距離定位，對當前車輛位置坐標估算及定位，將定準測距結(jié)果與地磁檢測模塊相融合，提高車輛的檢測準確度，實現(xiàn)智能車位鎖精準控制?？捎行Ы鉀Q由于相鄰?fù)＼囄卉囕v進出或車輛停放不規(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)。