基于无线传感网技术的智能停车系统设计

引言

伴随着我国科技和经济的进步，汽车产业在近几年进入了迅猛发展阶段。根据统计数据，2013年，我国汽车保有量已达到1.37亿辆，是2003年汽车数量的5.7倍，占全部机动车的比率达到54.9%，比10年前提高了29.9%。汽车数量急剧增长，但相应的配套设施和监管等方面的相对滞后，车位资源稀缺，可以说“停车难”成为了中国乃至全球亟待解决的重大问题。而解决这一难题，一方面要增加城市停车位的数量，另一方面则是要提高停车的效率。

本文所设计的智能停车系统采用地磁检测机制并结合无线传感网技术，具有车位检测节点功耗低、系统部署维护方便、施工成本低等特点，检测节点和路由节点之间采用433 MHz传输，对环境无特殊要求，抗干扰能力强。车主能够通过本系统在第一时间获取到车位的空余信息，进而提高停车效率，有效地缓解了停车压力。

1 系统设计方案

智能停车系统的框架如图1所示。位于车位下方的地磁检测节点实时采集车位占用信息，然后将采集到的信息经过处理后传送到转换节点。转换节点将接收到的数据打包成Socket数据包，传输到由ARM+Android平台搭建的汇聚节点。一个汇聚节点负责把单个停车场的车位情况发送到远程的数据中心，并产生车位引导信息，传送至该停车场的车位引导子系统。安卓手机客户端用户可以通过网络查询到车位的空余信息。

图1：智能地磁停车系统框架图

2 系统硬件设计

2.1 地磁车位检测节点

地磁车位检测节点采用低功耗设计，平均电流消耗为几十μA，可以使用锂电池供电，一颗2 000 mAh的锂电池可以使用3年多。节点无需经常更换锂电池，或给锂电池充电，这样就能够将做好防水工业封装的节点埋于车位下方，从而大大方便了施工安装和后期的维护。车位检测节点实物图如图2所示。

图2：地磁车位检测节点实物图

2. 1.1 检测节点主控芯片

TI的MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机。它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，其高度灵活的定时系统、多种低功耗模式、即时唤醒以及智能化自主型外设，不仅可实现真正的超低功耗优化，而且还能大幅延长电池使用寿命。

2.1.2 检测方式的选取

传统的车位检测方式有射频识别、超声波、红外探测、感应线圈等，这些检测方法用起来有较大的局限性，有的功耗较高，有的对所安装的环境有较高的要求，有的则非常容易受到干扰。一些新型的停车系统则利用了汽车会对周围地磁场产生扰动这一特性，采用高灵敏度磁阻传感器探测车位周围地磁场的变化情况，以此作为判断车位上车辆存在与否的依据。

目前的磁性传感器技术有霍尔(Hall)、各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)等。本系统采用的地磁传感器为Freeseale的MAG3110。MAG3110磁力仪由于结合了TMR技术、高分辨率的模拟设计和专用的嵌入式逻辑，因而具有优越的性能。

表1：MAG3110的参数特性

图3：MAG3110与MSP430单片机的连接图

2.1.3 检测节点无线传输模块

由于地磁车位检测节点安装在车位的下方，当车位上有车辆停靠的时候，会影响无线信号的传输，而且停车场内有很多钢筋混凝土结构的墙壁或柱子，会对无线信号产生折射干扰，因此需要选用绕障穿透能力和传输距离都优于2.4 GHz的1 GHz以下的无线传输模块。

nRF905单片无线收发器主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM频段。MCU通过SPI接口对nRF905进行编程配置，nRF905电流消耗很低，在发射功率为-10 dBm时，发射电流为11 mA，接收电流为12.5 mA，进入POWERDOWN模式电流消耗最小，典型值低于2.5μA，非常适合于本传感节点这样低功耗、低成本的系统设计。

图4：nRF905与MSP430单片机的连接图

2.2 中继节点

中继节点和检测节点在硬件上唯一的差别就是少了MAG3110地磁检测模块。

2.3 转换节点

转换节点和中继节点以及车位检测节点组成一个简单的自组织Mesh网络，并且负责将接收到的车位检测节点的数据进行拆包后重新封装成Socket数据包，发送到汇聚节点以及后面的远程数据中心。

转换节点由低功耗Wi—Fi模块CC3200外接nRF905组成。Simple Link CC3200器件是一款集成了运行频率为80 MHz的ARM Cortex—M4内核的无线MCU，此器件包含多种外设，其中包括一个快速并行摄像头接口、I2S、SD/MMC、UART、SPI、I2C和四通道模/数转换器(ADC)。CC3200支持基站、访问点和Wi—Fi直接模式，还支持WPA2个人和企业安全性以及WPS2.0。利用SmartConfig技术，AP模式和WPS2，便可实现简单且灵活的Wi-Fi服务。

表2：CC3200发射功率和接收灵敏度

图5：转换节点主要硬件连接

3 系统软件设计

3.1 检测处理算法

车位检测节点工作环境比较复杂，干扰较多，如：温度、周围的车辆等，而且同一地点地磁场的强弱会随时间产生一些变化，因此车位检测节点采集到的数据不能简单地直接使用，需要借助一定的算法对这些原始数据进行处理。

该算法主要由三部分组成：平滑滤波算法、基于时间的阈值判定算法、自校正基准场算法。综合考虑车位检测节点单片机的性能，低功耗的设计要求以及滤波的效果，平滑滤波部分使用改进的限幅移动窗口均值滤波算法，如下所示：

式中，i∈Z+，Ai表示车位检测节点采集到的数据经过滤波后的结果，Si表示采集窗口长度为W的数据的总和，Ci表示每次采集到的车位的磁场的值，B表示自校正基准场的值，T表示判定阈值，β表示大噪声系数，△表示最大采样偏差。

3.2 低功耗的实现

车位检测节点的低功耗主要是结合MSP430单片机的低功耗模式(LPM)、常开门电路控制MAG3110以及事件触发驱动型工作模式这3种方式实现的。节点工作过程如图6所示。

图6：检测节点工作过程

3.3 无线组网

本系统中，检测节点地址固定，检测节点地址和其实际地理位置绑定，转换节点和中继节点以及车位检测节点组成一个简单的Mesh网络，检测节点可以直接和中继节点、转换节点通信，中继节点之间可以相互通信，网络拓扑结构如图7所示。

图7：系统自组网拓扑结构

系统数据帧结构如图8所示。

图8： 数据帧结构

3.4 Socket编程

转换节点将接收到的车位检测节点的数据进行拆包后重新封装成Socket数据包，其软件部分除了组网编程之外，还包括下面3部分：CC3200的SmartConfig编程、解析检测节点的数据包、Socket编程。

4 系统实验测试

4.1 组网测试

依次开启检测节点、中继节点、转换节点的电源，中继节点接入串口，打印调试信息。图9记录了检测节点FFFF A1 EC发送的数据包经过两个中继节点发送到转换节点00 00 00 01的过程。

图9：组网调试信息

 
4. 2 车位检测实验数据

为了减少周围车辆对检测结果的干扰，主要使用MAG3110的Z轴数据。对Z轴数据使用改进的限幅移动窗口均值滤波算法(窗口长度取16)，滤波效果如图10所示。

图10：Z轴限幅移动窗口均值滤波

 
结合自校正基准场和阈值判定的结果如图11所示。

图11：车位使用情况判定

结语

本文所设计的车位检测系统结合了无线传感网技术和地磁检测技术，具有检测准率高、组网方便、抗干扰能力强和低功耗等特点。本系统可以实现对车位使用情况的实时监测，具有一定的实用价值和应用前景。
 

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