基于HMC5883L的停車位ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：前期研究提出一種智能手機(jī)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的智能停車系統(tǒng)總體架構(gòu)，具有低成本、交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為具體實(shí)現(xiàn)該架構(gòu)中使用的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一套停車場車位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)搭建，由中心結(jié)點(diǎn)、路由器結(jié)點(diǎn)和終端結(jié)點(diǎn)組成。中心結(jié)點(diǎn)的微控制器選用低功耗的LPC11C14，GSM模塊選用SIM300模塊。三類結(jié)點(diǎn)的ZigBee通信芯片選用CC2530。綜合多方面因素，選用基于地磁檢測技術(shù)的 HMC5883L作為車位傳感器，尺寸小、安裝方便、對非鐵磁性物體無反應(yīng)、可靠性高是該傳感器的優(yōu)點(diǎn)。在硬件電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三類結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)和控制程序。經(jīng)測試，所設(shè)計(jì)的車位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能要求，且具有低成本、低功耗的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能停車系統(tǒng);車位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);ZigBee網(wǎng)絡(luò);HMC5883L傳感器

智能停車系統(tǒng)是城市智能交通體系中的重要組成部分。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有城市智能停車系統(tǒng)通常由4部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、城市級管理控制中心、數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)與城市管理控制中心間，以及城市管理控制中心與數(shù)據(jù)發(fā)布子系統(tǒng)間，依靠GSM、GPRS、CDMA、3G、4G等移動(dòng)通信方式進(jìn)行通信，需長期繳納通信費(fèi)用，造成系統(tǒng)運(yùn)營成本高。

為此，筆者所在的課題組提出一種無需建設(shè)城市級管理控制中心的系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)通過在城市中的主要停車場或路邊停車區(qū)域分別部署一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，再與用戶的智能手機(jī)相配合，即可實(shí)現(xiàn)城市范圍內(nèi)的智能停車。用戶與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中控制結(jié)點(diǎn)間的小額通信費(fèi)用，由用戶進(jìn)行承擔(dān)，從而大大降低了城市智能停車系統(tǒng)的運(yùn)營費(fèi)用。

本文論述各ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的中心結(jié)點(diǎn)、路由器結(jié)點(diǎn)、終端結(jié)點(diǎn)等的主要電路設(shè)計(jì)及主要軟件模塊設(shè)計(jì)。

1 停車場級ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組成

部署在各停車場或路邊停車區(qū)域的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1中的方框部分所示。該網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)中心結(jié)點(diǎn)、若干個(gè)路由器結(jié)點(diǎn)、以及數(shù)量更多的終端結(jié)點(diǎn)等組成。中心結(jié)點(diǎn)內(nèi)部又由微控制器、協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)、GSM/GPRS/CDMA/3G/4G通信模塊(為簡化起見，在后文中簡稱GSM模塊)等組成。每個(gè)終端結(jié)點(diǎn)都連接有1個(gè)車位狀態(tài)檢測傳感器，用于實(shí)時(shí)采集各車位當(dāng)前是否空閑。當(dāng)車位狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，終端結(jié)點(diǎn)將通過附近的路由器結(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)進(jìn)行上報(bào)。協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)收到車位狀態(tài)發(fā)生變化的消息后，一方面將消息傳遞給微控制器后存入E2PROM，另一方面通過路由器結(jié)點(diǎn)向終端結(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋。此外，中心結(jié)點(diǎn)的GSM模塊隨時(shí)準(zhǔn)備接收用戶手機(jī)發(fā)送的停車請求，然后將請求傳遞給微控制器，微控制器在E2PROM中查找是否有空閑車位，最后將找到的空閑車位或所有車位已滿的信息通過GSM模塊反饋給用戶手機(jī)。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的主要電路設(shè)計(jì)

2.1 主要芯片選型

系統(tǒng)硬件由中心結(jié)點(diǎn)、路由器結(jié)點(diǎn)、終端結(jié)點(diǎn)等組成。中心結(jié)點(diǎn)又由微控制器、協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)、GSM模塊等組成?？紤]到某些室外停車場或路邊停車區(qū)域可能缺乏供電條件，低功耗是硬件設(shè)計(jì)的首要原則。

微控制器選用恩智浦公司的LPC11C14芯片。該芯片基于Cortex—M0內(nèi)核，特別適合于集成度較高和超低功耗要求的應(yīng)用。協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)、路由器結(jié)點(diǎn)、終端結(jié)點(diǎn)的ZigBee芯片選用TI公司的CC2530芯片。由于從休眠模式轉(zhuǎn)換到工作模式的耗時(shí)特別短，所以該芯片非常適合低功耗應(yīng)用。GSM模塊采用了市場上比較成熟的基于SIM300芯片的模塊。

目前常用的停車位檢測方法有感應(yīng)線圈技術(shù)、視頻檢測技術(shù)、超聲波感應(yīng)技術(shù)、紅外探測技術(shù)、地磁檢測技術(shù)等。其中，感應(yīng)線圈技術(shù)的檢測精度較高，可靠性較好，但安裝維護(hù)比較復(fù)雜，會(huì)對路面造成一定破壞;視頻檢測技術(shù)直觀可靠，但數(shù)據(jù)量很大，檢測的實(shí)時(shí)性較差，特別是會(huì)受到光線不足、灰塵、氣候條件差等的影響;超聲波感應(yīng)技術(shù)通常需要在車位的上方安裝傳感器，一般僅適用于部分室內(nèi)停車場，且成本較高;紅外探測技術(shù)相對成熟，但比較容易會(huì)受到熱源、光源等的干擾而引起誤判;地磁檢測技術(shù)是基于磁阻傳感器的車位檢測技術(shù)，具有尺寸小、便于安裝、對非鐵磁性物體無反應(yīng)、可靠性高等特點(diǎn)，目前受到國內(nèi)外的廣泛重視。綜上分析，車位狀態(tài)檢測傳感器選用霍尼韋爾公司的HMC5883L地磁傳感器。

由于LPC11C14芯片內(nèi)部不含E2PROM，為實(shí)現(xiàn)車位狀態(tài)數(shù)據(jù)在掉電條件下依然能夠存儲(chǔ)，通過I2C接口外接AT24C02芯片。LPC11C14 與CC2530間的數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)為利用串口進(jìn)行通信。因?yàn)長PC11C14只含有一個(gè)串口資源，為實(shí)現(xiàn)LPC11C14與GSM模塊的串行通信，采用 SPI轉(zhuǎn)串口芯片MAX3100進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

LPC11C14板的電源芯片采用MIC5209。MIC5209是一款5 V變3.3 V的穩(wěn)壓電源芯片，5 V電源供給GSM模塊，3.3 V供給LPC11C14芯片、SPI轉(zhuǎn)串口電路等。CC2530板的電源芯片采用HT7533，該芯片擁有極低的靜態(tài)電流及高電壓輸入的特性。

2.2 主要電路圖

圖2為微控制器與GSM模塊之間的SPI轉(zhuǎn)UART電路，SPI線與微控制器相連，UART線與GSM模塊相連。采用的SPI轉(zhuǎn)UART 芯片為美信公司的MAX3100芯片。MAX3100供電電源為3.3 V，外接晶振可選擇3.686 4 MHz和1.843 2 MHz兩種。SPI接口線主要為MOSI、MISO、SCLK、CS，其中MOSI為主機(jī)發(fā)送從機(jī)接收，MISO為主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送，SCLK為時(shí)鐘信號(hào)，CS為片選線。串口線為TX、RX，分別為發(fā)送與接收。IRQ需要接上拉電阻保持高電平，原因是在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，選擇低電平觸發(fā)外部中斷。

圖3為E2PROM芯片AT24C02的連接電路。圖中，SCL和SDA分別為I2C總線的串行時(shí)鐘管腳、串行數(shù)據(jù)/地址管腳，A0、A1、A2為從機(jī)地址引腳，WP為寫保護(hù)管腳。因I2C通信中要求SCL和SDA管腳必須處于上拉狀態(tài)，所以接有R10和R11兩個(gè)上拉電阻。由于I2C總線上只掛接了一片 AT24C02，因此將A0、A1、A2管腳接地。將WP管腳接地，從而允許對AT24C02器件的正常讀寫。A124C02的芯片地址控制格式為8位，前七位為1010A2A1A0，第八位R/W為數(shù)據(jù)傳輸方向控制位。R/W位用于控制芯片是讀還是寫。當(dāng)該位為0時(shí)，對芯片進(jìn)行寫操作;當(dāng)該位為1時(shí)，對芯片進(jìn)行讀操作。所以當(dāng)對芯片進(jìn)行寫操作時(shí)，芯片地址為A0H;當(dāng)對芯片進(jìn)行讀操作時(shí)，芯片地址為A1H。芯片內(nèi)的尋址范圍為從00到FF，可對所有 256個(gè)字節(jié)進(jìn)行操作。

圖4為基于HMC5883L的車位傳感器原理圖。C1和C2連接著電源穩(wěn)壓芯片，抑制電壓波動(dòng)，保持電路中的電壓穩(wěn)定。由于I2C通信中要求SCL和 SDA管腳必須處于上拉狀態(tài)，所以接有R1和R2兩個(gè)上拉電阻。LED1為電源工作指示燈。C3和C4兩個(gè)外部電容應(yīng)為具有低ESR特性的陶瓷電容。

3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的主要軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

圖5為協(xié)調(diào)器接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的程序流程圖。在接收程序中，首先要對系統(tǒng)和任務(wù)管理函數(shù)進(jìn)行初始化，其次對主函數(shù) SampleApp()函數(shù)進(jìn)行初始化。接著進(jìn)入系統(tǒng)的事件輪詢循環(huán)中，當(dāng)有事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，要比較其優(yōu)先級，先處理優(yōu)先級高的事件，事件的優(yōu)先級在初始化中設(shè)定。隨后調(diào)用事件處理函數(shù)，事件處理函數(shù)判斷系統(tǒng)消息，如果為接收數(shù)據(jù)包的消息，則調(diào)用數(shù)據(jù)包處理函數(shù)Sample App_MessageMSGCB()，最后判斷事件的序列號(hào)，是否為初始化里注冊的序列號(hào)，如果是原來注冊的序列號(hào)，則接收該數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)。由于各終端結(jié)點(diǎn)都將所采集的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，因此采用點(diǎn)播傳輸方式，各結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的目的地址均為0X0000。

3.2 LPC11C14接收CC2530數(shù)據(jù)

終端結(jié)點(diǎn)通過傳感器定時(shí)采集車位狀態(tài)，當(dāng)車位狀態(tài)變化時(shí)，經(jīng)路由器結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給中心結(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器模塊CC2530。之后，CC2530將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給微控制器LPC11C14。最后，LPC11C14將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外接的E2PROM芯片AT24C02中。整個(gè)傳輸過程中，LPC11C14為中斷觸發(fā)方式。圖6以LPC11C14通過串口接收CC2530數(shù)據(jù)為例，給出了對應(yīng)的流程圖，LPC11C14通過串口向 CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)的過程類似。LPC11C14讀取CC2530采集到的數(shù)據(jù)后，通過I2C總線寫到外接的AT24C02芯片中。

3.3 LPC11C14收發(fā)GSM模塊數(shù)據(jù)

當(dāng)LPC11C14需要向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先通過MAX3100的發(fā)送緩沖區(qū)TXFIFO發(fā)送給GSM模塊，然后GSM模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送給智能手機(jī)。

當(dāng)GSM模塊接收到智能手機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送到MAX3100的接收緩沖區(qū)RXFIFO，然后再把數(shù)據(jù)傳輸給LPC11C14。由于 MAX3100與LPC11C14為SPI連接，而GSM模塊與MAX3100的連接為串口連接，但是SPI的傳輸速度是串口傳輸速度的幾倍，因此需要在 SPI傳輸前加上一定時(shí)間的延時(shí)。圖7以LPC11C14向GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)為例，給出了對應(yīng)的流程圖，LPC11C14從GSM模塊接收數(shù)據(jù)的過程類似。

4 系統(tǒng)測試

4.1 HMC5883L采集磁場數(shù)據(jù)測試

在某小型停車場的停車位上進(jìn)行了測試。根據(jù)該停車場的地理朝向，采集數(shù)據(jù)時(shí)將傳感器X軸正方向朝正北，Y軸正方向朝正西。表1為車位上沒有車時(shí)所采集的數(shù)據(jù)。表2為將終端結(jié)點(diǎn)放置于車輛下面時(shí)所采集的數(shù)據(jù)。表中的數(shù)字增益為440，即用表中的數(shù)字除以440可得到當(dāng)前各個(gè)軸向以高斯為單位的磁場強(qiáng)度。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，停車位有車和無車時(shí)，X軸和Y軸的讀數(shù)變化不是特別明顯，但是Z軸上的讀數(shù)有顯著的變化，只需要根據(jù)Z軸的數(shù)據(jù)即可判斷停車位上是否有車輛。

4.2 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)測試

圖8為從開發(fā)工具IAR中觀察到的，LPC11C14所接收到的傳感器數(shù)據(jù)。從該圖右側(cè)可看到，當(dāng)前所接收到的磁場數(shù)據(jù)為“x：+0147 y：+0250 z：-0247”

為驗(yàn)證LPC11C14所接收的數(shù)據(jù)確實(shí)被準(zhǔn)確地寫到了E2PROM，用邏輯分析儀的探針接在SCL、SDA和MOSI引腳進(jìn)行了測量，圖9為測量結(jié)果的時(shí)序圖?？蓪⒃搱D按時(shí)間順序分成上、中、下三部分。每一部分都顯示了SCL、SDA和MOSI 3個(gè)引腳在不同時(shí)間段的時(shí)序圖。從各部分SDA管腳時(shí)序圖上方的標(biāo)注可看出，除必要的ACK應(yīng)答信號(hào)以外，“x：+0147 y：+0250 z：-0247”的磁場強(qiáng)度信息確實(shí)被寫到了AT24C02中且被準(zhǔn)確讀出。

5 結(jié)論

在課題組前期研究成果中，提出一種無需建設(shè)城市級管理控制中心的系統(tǒng)架構(gòu)，從而有望大大降低城市級智能停車系統(tǒng)的建設(shè)及運(yùn)營成本。

針對該架構(gòu)中停車場內(nèi)車位狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的停車場車位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案、主要電路圖、主要軟件模塊的流程圖，從硬件和軟件兩方面介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。本設(shè)計(jì)采用HMC5883L地磁傳感器的磁場數(shù)據(jù)用于車位檢測，具有尺寸小、安裝方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。采用ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)用于傳輸各車位狀態(tài)數(shù)據(jù)，不產(chǎn)生移動(dòng)通信費(fèi)用，運(yùn)營成本低。