基于433 MHz頻段的無線地磁車位檢測傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計*

王 俊，金秀峰，黃繼偉

(1.福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108；2.東南大學(xué) 移動通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；3.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108)

基于433 MHz頻段的無線地磁車位檢測傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計*

王 俊1，金秀峰2，黃繼偉3

(1.福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108；2.東南大學(xué) 移動通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；3.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108)

針對現(xiàn)在存在的尋找車位難的問題，設(shè)計一種利用地磁傳感器的基于433MHz頻段的無線車位檢測節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)利用地磁傳感器在有車和無車狀態(tài)下的數(shù)據(jù)變化來檢測車位狀態(tài)；利用MSP430F5438和相應(yīng)的門控管理電路達(dá)到低功耗的特性；利用433MHz通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。闡述了整個節(jié)點(diǎn)軟件的主流程和車位檢測的流程。利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該車位檢測節(jié)點(diǎn)和檢測方法的有效性與合理性。

地磁傳感器；車位檢測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低功耗

0 引 言

隨著近10年來我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車數(shù)量以年均1100多萬輛的速度增長。至2013年，我國的汽車保有總量已經(jīng)達(dá)到了1.37億輛，這個數(shù)字是2003年的5.7倍，汽車總量對機(jī)動車總量的占比也達(dá)到54.9 %，比2003年時提高了29.9 %，統(tǒng)計顯示，我國汽車數(shù)量超過100萬輛的城市達(dá)到31個，其中北京、深圳、上海、廣州、成都、杭州等幾個一線二線城市的汽車數(shù)量已經(jīng)超過了200萬輛，北京、上海等特大城市的汽車總數(shù)更超過500萬輛。

但是隨著汽車數(shù)量的急劇增長，“停車難”這一民生問題越來越受到人們的關(guān)注，可以說“停車難”是中國乃至全球亟待解決的重大問題。因此,如何快速準(zhǔn)確地尋找到空閑的停車位是當(dāng)今的一個研究熱點(diǎn)[1]。

目前，停車場車位檢測可以分為以下幾種方式：1)通過視頻的車位檢測[2～4]，該檢測方法通過安裝攝像頭然后再對所捕獲的圖像進(jìn)行圖像處理的方法來進(jìn)行空閑車位的檢測。2)通過超聲波的車位檢測[5～7]，這種方法即在每個車位安裝超聲波探頭，利用超聲波來判斷車位是否空閑。3)基于Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車位檢測[8～10]，這種方法即在現(xiàn)有的Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，添加傳感器然后進(jìn)行車位的檢測。以上三種方法中，前兩種為有線探測方法，需要對現(xiàn)有停車場進(jìn)行大規(guī)模改動然后施工布線，成本比較高，尤其是基于視頻的車位檢測方法。基于Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的方法則是一種無線的方法，較之有線的方法安裝靈活方便，但是Zig Bee工作于2.4 GHz頻段，這個頻段與WiFi、藍(lán)牙等重合，過于擁擠，尤其容易受到WiFi的干擾或者是干擾到WiFi用戶[11,12]，并且2.4 GHz因?yàn)椴ㄩL較短，繞射能力不夠，穿透性不強(qiáng)，在停車場這樣較復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境當(dāng)中通信質(zhì)量易受影響。

本文設(shè)計了一種新的基于433 MHz頻段的無線地磁車位檢測傳感器節(jié)點(diǎn)。433 MHz比2.4 GHz波長較長，穿透性更強(qiáng)，更適合較復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境。該節(jié)點(diǎn)利用地磁傳感器檢測車位狀態(tài)，然后再通過433 MHz無線射頻模塊將檢測結(jié)果發(fā)射給路由器，通過路由器將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺服務(wù)器。整個系統(tǒng)采用433 MHz自組織無線網(wǎng)絡(luò)，部署靈活方便，反應(yīng)靈敏，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。

1 系統(tǒng)模型

整個車位檢測系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 停車場車位檢測系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig 1 Architecture diagram of parking detecting system of parking spaces

整個系統(tǒng)由三部分組成，分別是負(fù)責(zé)車位檢測的無線地磁傳感器終端節(jié)點(diǎn)、負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的433 MHz無線路由，以及匯總檢測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)中心。無線地磁傳感器節(jié)點(diǎn)布置于車位下方，利用地磁信息檢測當(dāng)前車位狀態(tài)，并采用沖突避免協(xié)議實(shí)現(xiàn)多址接入；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集無線地磁傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中心；網(wǎng)絡(luò)中心匯總所有車位檢測數(shù)據(jù)并將它們顯示給停車用戶。

本文著重設(shè)計了無線地磁傳感器節(jié)點(diǎn)，該設(shè)計的主要工作大致分為硬件設(shè)計與軟件設(shè)計這兩部分。下文開始從這兩大部分介紹本文的工作。

2 探測原理

地球磁場是一個磁感應(yīng)強(qiáng)度平均約為50 000～60 000 nT左右的弱磁場。該磁場強(qiáng)度隨地域、時間的變化而變化。當(dāng)沒有施加外部磁場時，傳感器內(nèi)部磁阻電流密度矢量一般呈直線狀；當(dāng)外部磁場被施加時，由于霍爾效應(yīng)，電流密度矢量會與電場方向偏離一定角度，因此，電流經(jīng)過的路程改變，電阻值變化。

本設(shè)計采用的地磁傳感器為Freescale公司的三軸地磁傳感器MAG3110，MAG3110可以同時感應(yīng)水平方向兩軸(X，Y軸)和垂直方向軸的地磁數(shù)據(jù)(Z軸)。由于停車時，汽車將位于傳感器節(jié)點(diǎn)上方，因此，Z軸地磁數(shù)據(jù)變化將最明顯，本設(shè)計主要通過考察Z軸地磁數(shù)據(jù)來判斷車位狀態(tài)。

3 硬件設(shè)計

無線地磁傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)包括：地磁傳感器電路、主控制器電路、433 MHz無線射頻電路及電源管理電路。地磁傳感器電路負(fù)責(zé)采集地磁信息，主控制器電路是整個電路的核心，負(fù)責(zé)地磁傳感數(shù)據(jù)的處理，無線通信的接入控制程序和電源的管理程序，433 MHz無線射頻電路在硬件上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的射頻收發(fā)，而電源管理電路則負(fù)責(zé)整個電路的電源控制，包括充放電管理和低功耗所必需的電路門控管理。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 無線地磁車位檢測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Hardware block diagram of geomagnetic parking detection wireless node

3.1 地磁傳感器電路

地磁傳感器電路中的傳感器采用Freescale推出的低功耗磁力計芯片MAG3110，MAG3110是一種小型的低功耗、數(shù)字式軸磁力計，具有寬廣的動態(tài)范圍；MAG3110磁力計可以測量所處位置磁場水平方向兩軸和垂直方向軸一共3個軸向的地磁數(shù)據(jù)。

MAG3110通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C串行接口和MCU相連，能夠測量高達(dá)10Gs的所在位置磁場，輸出數(shù)據(jù)速率可達(dá)80Hz。MAG3110地磁傳感器電路如圖3所示。

圖3 地磁傳感器硬件電路Fig 3 Hardware circuit of geomagnetic sensor

3.2 主控制器電路

主控制器采用MSP430F5438。MSP430系列是一個16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，MSP430F5438能夠?qū)崿F(xiàn)在1.8～3.6 V電壓和1 MHz的時鐘條件下運(yùn)行,它具有256 kB閃存,16 kB RAM,12位ADC、4個USCI,32位HW乘法器。

MSP430F5438主控制器電路如圖4所示。

圖4 MSP430F5438主控制器電路Fig 4 Main controller circuit of MSP430F5438

3.3 433 MHz無線射頻電路

433 MHz無線射頻部分，采用挪威NORDIC公司出品的低于1GHz射頻芯片nRF905。該芯片主要工作于433,868,915 MHz的ISM頻段。帶有自動重發(fā)、自動應(yīng)答以及載波檢測等功能，nRF905通過SPI接口與主控制器進(jìn)行通信。nRF905模塊和MSP430F5438的接口電路如圖5所示。

圖5 433MHz無線射頻電路Fig 5 433MHz wireless radio frequency circuit

3.4 電源管理電路

電源管理電路負(fù)責(zé)整個電路的電源控制，包括供電管理、充放電管理以及低功耗所必需的電路門控管理。供電管理比較簡單，此處省略，下面著重講述另外兩部分：

1)鋰電池充放電電路

本系統(tǒng)充電部分選用完整的單節(jié)鋰離子電池充電芯片TP4057，帶電池正負(fù)極反接保護(hù)，采用恒定電流/恒定電壓線性控制。TP4057可以適合USB電源和適配器電源工作。TP4057采用了內(nèi)部PMOSFET架構(gòu)，加上防倒充電路，所以,不需要外部檢測電阻器和隔離二極管。充滿電壓固定于 4.2 V，而充電電流可通過一個電阻器進(jìn)行外部設(shè)置。當(dāng)電池達(dá)到4.2 V之后，充電電流降至設(shè)定值 1/10，TP4057將自動終止充電。

當(dāng)輸入電壓(交流適配器或USB電源)被功能切掉時，TP4057自動進(jìn)入一個低電流狀態(tài)，電池漏電流在 2 μA以下。TP4057無電池雙燈全滅充電電路如圖6所示。

圖6 鋰電池充放電電路Fig 6 Charge and discharge circuits of Li battery

2)門控管理電路

無線傳感節(jié)點(diǎn)由鋰電池供電，必須采用低功耗設(shè)計。低功耗設(shè)計包括硬件和軟件兩部分，其中硬件設(shè)計主要采用低功耗器件和必要的門控管理電路。本設(shè)計采用了2個門控管理電路來分別管理地磁傳感器MAG3110和無線傳輸模塊nRF905，原理圖如圖7。

圖7 門控管理電路Fig 7 Gated management circuits

門控管理電路的控制端和MSP430F5438的I/O引腳相連，改變I/O引腳的電平即可以實(shí)現(xiàn)門控管理電路的開啟和關(guān)閉。在關(guān)閉狀態(tài)下，外設(shè)電路靜態(tài)電流只是由2個MOS管的漏電流產(chǎn)生的(小于100nA)，因此,它可以被看作是零功耗；在開啟狀態(tài)下，2個MOS導(dǎo)通，從而分別給地磁傳感模塊和射頻模塊供電。

4 軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件的主流程如圖8所示。主流程為系統(tǒng)初始化，包括初始化主控制器、地磁傳感器以及射頻模塊，然后發(fā)出網(wǎng)絡(luò)搜索指令搜索附近路由器，待成功加入網(wǎng)絡(luò)后，采集地磁數(shù)據(jù)并判斷車位狀態(tài)，如果車位狀態(tài)無變化，則直接休眠；如發(fā)生變化，則將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)再休眠，休眠一定時間后喚醒，重新開始檢測車位狀態(tài)。

圖8 傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程Fig 8 Main program flow chart of sensor node

由于傳感區(qū)域可能會有多個節(jié)點(diǎn)，因此，無線發(fā)送必須采用一定的沖突避免方法來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴１驹O(shè)計采用的沖突避免方法如圖9所示，發(fā)送數(shù)據(jù)時先進(jìn)行載波偵聽，如果信道空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)，如果接收到自動應(yīng)答，則數(shù)據(jù)發(fā)送成功，結(jié)束本次發(fā)送；如果未收到自動應(yīng)答,則隨機(jī)延時一段時間后再次發(fā)送，如果超過最大重發(fā)次數(shù)，則判斷發(fā)送失敗,并結(jié)束本次發(fā)送。

圖9 數(shù)據(jù)無線發(fā)送流程圖Fig 9 Flow chart of wireless data transmission

地磁車位檢測方法的流程圖如圖10所示。檢測必須用到判決門限，由于地磁數(shù)據(jù)是隨時變化的，因此，這個門限是近10次地磁采集數(shù)據(jù)的平均值。在主流程初始化當(dāng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)連續(xù)采集并設(shè)置了這個門限。在車位檢測流程中，程序先判斷上次車位的狀態(tài)，并將采集到的數(shù)據(jù)與門限進(jìn)行對比。如果上次車位狀態(tài)是空且本次數(shù)據(jù)沒有超過門限，則證明當(dāng)前車位狀態(tài)也是空，門限值將本次數(shù)據(jù)作為參考，加權(quán)平均后得到新門限；如果超過，且連續(xù)5次超過，則判定當(dāng)前車位已被占用；反之，當(dāng)上次車位狀態(tài)是忙的時候，流程亦如此類推。

圖10 傳感節(jié)點(diǎn)車位檢測流程圖Fig 10 Flow chart of parking detection of sensing node

5 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)中，讓傳感器節(jié)點(diǎn)每2 s采集一次地磁數(shù)據(jù)，在約12 h里共采集了22 302個點(diǎn)，圖11(a)圖顯示了采集的地磁數(shù)據(jù)，可以很明顯地看到地磁數(shù)據(jù)是一直變化的。圖11(a)圖還有2個波峰點(diǎn)，表示汽車出現(xiàn)的時間點(diǎn)。將車位檢測的初始門限設(shè)為70，圖11(b)顯示了傳感器節(jié)點(diǎn)的檢測結(jié)果，從中可以很明顯地看出：本文的設(shè)計能夠在地磁數(shù)據(jù)動態(tài)變化的情況下正確檢測出車位是否被占用的。

圖11 Z軸地磁傳感數(shù)據(jù)與車位檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 11 Z axis geomagnetic sensing data and experimental results of parking detection

在功耗方面，經(jīng)測試，傳感器節(jié)點(diǎn)在車位檢測時功耗大約為12 mA左右，時間平均約為4 ms，發(fā)送數(shù)據(jù)時功耗電流約為33 mA，時間平均約20 ms，休眠狀態(tài)下功耗電流約5 μA左右，以每2 s采集一次，一天發(fā)送20次數(shù)據(jù)來計算(車位狀態(tài)變化10次)，每天的耗電量約0.303 6 mA·h，按照一節(jié)18650鋰電池容量為1 800 mA·h計算，如果電池效率為60 %，在此種情況下節(jié)點(diǎn)能連續(xù)工作約3 557天左右，完全滿足低功耗的要求。

6 結(jié) 論

為了解決日益嚴(yán)重的停車難問題，本文設(shè)計了一種基于433 MHz頻段的無線地磁車位檢測傳感器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)利用地磁信息檢測車位狀態(tài)，并通過433 MHz射頻模塊將結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)中心。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該節(jié)點(diǎn)的車位檢測正確性與低功耗的特性。

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Design of geomagnetic parking detection wireless sensor node based on 433 MHz band*

WANG Jun1, JIN Xiu-feng2, HUANG Ji-wei3

(1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China;2.National Communication Research Laboratory,Southeast University,Nanjing 210096,China;3.College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

Aiming at problem that it is difficult to look for parking spaces,a wireless parking detection node using geomagnetic sensor based on 433MHz band is designed.The node uses geomagnetic sensor determines with and without parking status of parking by change of datas.Use MSP430F5438 and corresponding gated management circuit,the designed sensor can achieve low power consumption;433 MHz communication module is adopted to realize wireless transmission of datas.The software of the designed sensor,including main flow and flow of parking detection are expatiated.Using experiment to verify validity and rationality of the detecting node and detecting method of parking detecting node.

geomagnetic sensor; parking detection; wireless sensor networks(WSNs); low power consumption

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0047—04

2014—07—17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61301096,61304260)

TP 212.9

A

1000—9787(2014)10—0047—04

王 俊(1982-)，男，江西景德鎮(zhèn)人，博士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。