一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)的車(chē)位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文所設(shè)計(jì)的車(chē)位檢測(cè)系統(tǒng)基于無(wú)線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Network，WSN)技術(shù)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)使用MSP430單片機(jī)控制MAG3110磁阻傳感器，配合車(chē)位檢測(cè)算法，并通過(guò)nRF905無(wú)線通信模塊向轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)發(fā)送車(chē)位使用信息。轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)將接收到的信息轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)具有檢測(cè)準(zhǔn)率高、組網(wǎng)方便、抗干擾能力強(qiáng)和功耗低等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)

位使用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

引言

伴隨著我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在近幾年進(jìn)入了迅猛發(fā)展階段。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2013年，我國(guó)汽車(chē)保有量已達(dá)到1.37億輛，是2003年汽車(chē)數(shù)量的5.7倍，占全部機(jī)動(dòng)車(chē)的比率達(dá)到54.9%，比10年前提高了29.9%。汽車(chē)數(shù)量急劇增長(zhǎng)，但相應(yīng)的配套設(shè)施和監(jiān)管等方面的相對(duì)滯后，車(chē)位資源稀缺，可以說(shuō)“停車(chē)難”成為了中國(guó)乃至全球亟待解決的重大問(wèn)題。而解決這一難題，一方面要增加城市停車(chē)位的數(shù)量，另一方面則是要提高停車(chē)的效率。

本文所設(shè)計(jì)的智能停車(chē)系統(tǒng)采用地磁檢測(cè)機(jī)制并結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)，具有車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)功耗低、系統(tǒng)部署維護(hù)方便、施工成本低等特點(diǎn)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)之間采用433 MHz傳輸，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，抗干擾能力強(qiáng)。車(chē)主能夠通過(guò)本系統(tǒng)在第一時(shí)間獲取到車(chē)位的空余信息，進(jìn)而提高停車(chē)效率，有效地緩解了停車(chē)壓力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能停車(chē)系統(tǒng)的框架如圖1所示。位于車(chē)位下方的地磁檢測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集車(chē)位占用信息，然后將采集到的信息經(jīng)過(guò)處理后傳送到轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)打包成Socket數(shù)據(jù)包，傳輸?shù)接葾RM+Android平臺(tái)搭建的匯聚節(jié)點(diǎn)。一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把單個(gè)停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位情況發(fā)送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心，并產(chǎn)生車(chē)位引導(dǎo)信息，傳送至該停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位引導(dǎo)子系統(tǒng)。安卓手機(jī)客戶(hù)端用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)到車(chē)位的空余信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 地磁車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)

地磁車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采用低功耗設(shè)計(jì)，平均電流消耗為幾十μA，可以使用鋰電池供電，一顆2 000 mAh的鋰電池可以使用3年多。節(jié)點(diǎn)無(wú)需經(jīng)常更換鋰電池，或給鋰電池充電，這樣就能夠?qū)⒆龊梅浪I(yè)封裝的節(jié)點(diǎn)埋于車(chē)位下方，從而大大方便了施工安裝和后期的維護(hù)。車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖如圖2所示。

2. 1.1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主控芯片

TI的MSP430系列是一個(gè)16位的、具有精簡(jiǎn)指令集、超低功耗的混合型單片機(jī)。它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段，其高度靈活的定時(shí)系統(tǒng)、多種低功耗模式、即時(shí)喚醒以及智能化自主型外設(shè)，不僅可實(shí)現(xiàn)真正的超低功耗優(yōu)化，而且還能大幅延長(zhǎng)電池使用壽命。

2.1.2 檢測(cè)方式的選取

傳統(tǒng)的車(chē)位檢測(cè)方式有射頻識(shí)別、超聲波、紅外探測(cè)、感應(yīng)線圈等，這些檢測(cè)方法用起來(lái)有較大的局限性，有的功耗較高，有的對(duì)所安裝的環(huán)境有較高的要求，有的則非常容易受到干擾。一些新型的停車(chē)系統(tǒng)則利用了汽車(chē)會(huì)對(duì)周?chē)卮艌?chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)這一特性，采用高靈敏度磁阻傳感器探測(cè)車(chē)位周?chē)卮艌?chǎng)的變化情況，以此作為判斷車(chē)位上車(chē)輛存在與否的依據(jù)。

目前的磁性傳感器技術(shù)有霍爾(Hall)、各向異性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)等。本系統(tǒng)采用的地磁傳感器為Freeseale的MAG3110。MAG3110磁力儀由于結(jié)合了TMR技術(shù)、高分辨率的模擬設(shè)計(jì)和專(zhuān)用的嵌入式邏輯，因而具有優(yōu)越的性能。

MAG3110的參數(shù)特性如表1所列。

MAG3110與MSP430單片機(jī)的連接如圖3所示。

2.1.3 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸模塊

由于地磁車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)安裝在車(chē)位的下方，當(dāng)車(chē)位上有車(chē)輛停靠的時(shí)候，會(huì)影響無(wú)線信號(hào)的傳輸，而且停車(chē)場(chǎng)內(nèi)有很多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的墻壁或柱子，會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)產(chǎn)生折射干擾，因此需要選用繞障穿透能力和傳輸距離都優(yōu)于2.4 GHz的1 GHz以下的無(wú)線傳輸模塊。

nRF905單片無(wú)線收發(fā)器主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM頻段。MCU通過(guò)SPI接口對(duì)nRF905進(jìn)行編程配置，nRF905電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10 dBm時(shí)，發(fā)射電流為11 mA，接收電流為12.5 mA，進(jìn)入POWERDOWN模式電流消耗最小，典型值低于2.5μA，非常適合于本傳感節(jié)點(diǎn)這樣低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

nRF905與MSP430單片機(jī)的連接如圖4所示。

2.2 中繼節(jié)點(diǎn)

中繼節(jié)點(diǎn)和檢測(cè)節(jié)點(diǎn)在硬件上唯一的差別就是少了MAG3110地磁檢測(cè)模塊。

2.3 轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)以及車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簡(jiǎn)單的自組織Mesh網(wǎng)絡(luò)，并且負(fù)責(zé)將接收到的車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包后重新封裝成Socket數(shù)據(jù)包，發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)以及后面的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)由低功耗Wi—Fi模塊CC3200外接nRF905組成。Simple Link CC3200器件是一款集成了運(yùn)行頻率為80 MHz的ARM Cortex—M4內(nèi)核的無(wú)線MCU，此器件包含多種外設(shè)，其中包括一個(gè)快速并行攝像頭接口、I2S、SD/MMC、UART、SPI、I2C和四通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。CC3200支持基站、訪問(wèn)點(diǎn)和Wi—Fi直接模式，還支持WPA2個(gè)人和企業(yè)安全性以及WPS2.0。利用SmartConfig技術(shù)，AP模式和WPS2，便可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且靈活的Wi-Fi服務(wù)。

CC3200發(fā)射功率和接收靈敏度如表2所列。

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)主要硬件連接如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)處理算法

車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境比較復(fù)雜，干擾較多，如：溫度、周?chē)能?chē)輛等，而且同一地點(diǎn)地磁場(chǎng)的強(qiáng)弱會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生一些變化，因此車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)不能簡(jiǎn)單地直接使用，需要借助一定的算法對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

該算法主要由三部分組成：平滑濾波算法、基于時(shí)間的閾值判定算法、自校正基準(zhǔn)場(chǎng)算法。綜合考慮車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)單片機(jī)的性能，低功耗的設(shè)計(jì)要求以及濾波的效果，平滑濾波部分使用改進(jìn)的限幅移動(dòng)窗口均值濾波算法，如下所示：

式中，i∈Z+，Ai表示車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波后的結(jié)果，Si表示采集窗口長(zhǎng)度為W的數(shù)據(jù)的總和，Ci表示每次采集到的車(chē)位的磁場(chǎng)的值，B表示自校正基準(zhǔn)場(chǎng)的

值，T表示判定閾值，β表示大噪聲系數(shù)，△表示最大采樣偏差。

3.2 低功耗的實(shí)現(xiàn)

車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的低功耗主要是結(jié)合MSP430單片機(jī)的低功耗模式(LPM)、常開(kāi)門(mén)電路控制MAG3110以及事件觸發(fā)驅(qū)動(dòng)型工作模式這3種方式實(shí)現(xiàn)的。節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程如圖6所示。

3.3 無(wú)線組網(wǎng)

本系統(tǒng)中，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)地址固定，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)地址和其實(shí)際地理位置綁定，轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)以及車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簡(jiǎn)單的Mesh網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)可以直接和中繼節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)通信，中繼節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.4 Socket編程

轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)將接收到的車(chē)位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包后重新封裝成Socket數(shù)據(jù)包，其軟件部分除了組網(wǎng)編程之外，還包括下面3部分：CC3200的SmartConfig編程、解析檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包、Socket編程。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 組網(wǎng)測(cè)試

依次開(kāi)啟檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的電源，中繼節(jié)點(diǎn)接入串口，打印調(diào)試信息。圖9記錄了檢測(cè)節(jié)點(diǎn)FFFF A1 EC發(fā)送的數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)兩個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送到轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)00 00 00 01的過(guò)程。

4. 2 車(chē)位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了減少周?chē)?chē)輛對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，主要使用MAG3110的Z軸數(shù)據(jù)。對(duì)Z軸數(shù)據(jù)使用改進(jìn)的限幅移動(dòng)窗口均值濾波算法(窗口長(zhǎng)度取16)，濾波效果如圖10所示。

結(jié)合自校正基準(zhǔn)場(chǎng)和閾值判定的結(jié)果如圖11所示。

結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的車(chē)位檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合了無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)和地磁檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)準(zhǔn)率高、組網(wǎng)方便、抗干擾能力強(qiáng)和低功耗等特點(diǎn)。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)位使用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。