藍(lán)牙4.1基站組網(wǎng)的停車場(chǎng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

謝中嘯,韓圣偉

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院，杭州 310018)

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藍(lán)牙4.1基站組網(wǎng)的停車場(chǎng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

謝中嘯,韓圣偉

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院，杭州 310018)

摘要:為了提高現(xiàn)代停車場(chǎng)效率，使車主停車取車更加便捷，本設(shè)計(jì)提出一種基于藍(lán)牙4.1技術(shù)的停車場(chǎng)智能定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要以CC2540射頻單片機(jī)作為信號(hào)基站，ARM Cortex-A8處理器為中央控制平臺(tái)，通過(guò)多個(gè)藍(lán)牙4.1基站組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的停車場(chǎng)定位，并將定位信息通過(guò)中央控制平臺(tái)的WiFi模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)、手機(jī)等終端設(shè)備。實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度較高、功率低，可用于各中小型停車場(chǎng)中。

關(guān)鍵詞:藍(lán)牙4.1；停車場(chǎng)定位；ARM Cortex-A8；低功耗

引言

現(xiàn)今的室內(nèi)定位技術(shù)備受無(wú)線通信及電子行業(yè)的高度關(guān)注，且廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)景。越來(lái)越多的人成為有車一族，而傳統(tǒng)停車場(chǎng)效率低、車位利用率低，導(dǎo)致了許多停車場(chǎng)“亂象”。停車場(chǎng)室內(nèi)定位系統(tǒng)作為幫助車主停車的輔助系統(tǒng)，其可以有效提高車主的停車、取車效率，從而大大提高停車場(chǎng)的效率和車位利用率。

藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是使用范圍廣泛的全球短距離無(wú)線控制標(biāo)準(zhǔn)之一，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)于2010年7月發(fā)布了藍(lán)牙4.1版本的核心規(guī)范，以低功耗(BLE)作為新版本的主要技術(shù)特點(diǎn)，藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)邁入4.1時(shí)代。藍(lán)牙4.1技術(shù)的特點(diǎn)是擁有超低的功耗，一粒紐扣電池可以連續(xù)工作數(shù)年。

藍(lán)牙4.1技術(shù)是一種支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，它設(shè)計(jì)的初衷就是利用一種小型化、成本低和低功率的無(wú)線通信技術(shù)，形成一種個(gè)人身邊的網(wǎng)絡(luò)，使其可以更好地組網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

因此，本文基于藍(lán)牙4.1技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能化的停車場(chǎng)定位系統(tǒng)，相比于現(xiàn)今的停車場(chǎng)系統(tǒng)，其具有更低的成本與功耗，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)定位，使車主停車取車效率極大提高，具有很高的實(shí)際價(jià)值和參考價(jià)值。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為：藍(lán)牙4.1組網(wǎng)定位系統(tǒng)和中央控制平臺(tái)及WiFi模塊。其中，藍(lán)牙4.1組網(wǎng)定位系統(tǒng)由多個(gè)藍(lán)牙4.1信號(hào)基站構(gòu)成，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)或車載藍(lán)牙進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。之后，中央控制平臺(tái)得到各個(gè)車輛的定位信息，進(jìn)行運(yùn)算處理并將信息通過(guò)其WiFi模塊發(fā)送至上位機(jī)或車主手機(jī)等終端上，從而讓車主根據(jù)車位信息找到空車位。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要由CC2540射頻單片機(jī)、OLED液晶顯示屏、ARM Cortex-A8嵌入式平臺(tái)及其WiFi模塊組成，其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　硬件系統(tǒng)框圖

2.1核心處理單元

本系統(tǒng)的藍(lán)牙4.1組網(wǎng)定位子系統(tǒng)中的主要單元是以CC2540射頻單片機(jī)為核心的。CC2540是TI公司推出的一款完全兼容8051內(nèi)核的、集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器的無(wú)線射頻單片機(jī)，它與藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧共同構(gòu)成高性價(jià)比、低功耗的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，非常適合藍(lán)牙低功耗應(yīng)用。它有3個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問(wèn)總線：特殊功能寄存器、數(shù)據(jù)(DATA)、代碼/外部數(shù)據(jù)(CORE/XDATA)。CC2540也包含了其他硬件資源，包括8通道12位ADC、3個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)串口、21個(gè)通用I/O口等。

2.2中央控制平臺(tái)及WiFi模塊

本系統(tǒng)的中央控制平臺(tái)是由ARM Cortex-A8嵌入式處理器及其外圍電路組成的，其結(jié)合嵌入式 Linux系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)強(qiáng)大的信息處理系統(tǒng)，與WiFi模塊結(jié)合，同時(shí)具有消息收發(fā)能力。全新的Cortex-A8 處理器大大提升了對(duì)信息處理的能力。

WiFi模塊選用的是HLK-RM04，其為低成本嵌入式UART-ETH-WIFI(串口-以太網(wǎng)-無(wú)線網(wǎng))模塊。

通過(guò)HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改配置的情況下即可傳輸自己的數(shù)據(jù)，為用戶提供完整的解決方案。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1藍(lán)牙4.1協(xié)議棧系統(tǒng)

藍(lán)牙4.1收發(fā)數(shù)據(jù)需要通過(guò)其協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)，本項(xiàng)目的藍(lán)牙4.1基站基于的藍(lán)牙4.1協(xié)議棧是它的軟件架構(gòu)基礎(chǔ)。

藍(lán)牙4.1協(xié)議棧是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)；協(xié)議棧是協(xié)議的具體表現(xiàn)形式，通俗的理解為用代碼實(shí)現(xiàn)的函數(shù)庫(kù)，以便于開發(fā)人員調(diào)用。藍(lán)牙4.1協(xié)議棧是將各個(gè)層定義的協(xié)議都集合在一起，提供一些API供用戶使用。

3.2藍(lán)牙4.1組網(wǎng)定位結(jié)構(gòu)

圖3　微微網(wǎng)示意圖

藍(lán)牙4.1系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為微微網(wǎng)(Piconet)。微微網(wǎng)是通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)以特定方式連接起來(lái)的一種微型網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)微微網(wǎng)可以只是兩臺(tái)相連的設(shè)備，也可以是多臺(tái)連在一起的設(shè)備。微微網(wǎng)由主設(shè)備(Master)單元(發(fā)起連接的設(shè)備)和從設(shè)備(Slave)單元構(gòu)成，可有一個(gè)主設(shè)備單元和多個(gè)從設(shè)備單元，如圖3所示。

每一個(gè)藍(lán)牙4.1基站都可作為主機(jī)或者從機(jī)互相進(jìn)行主從通信，或者與用戶終端(手機(jī)或車載藍(lán)牙)進(jìn)行通信。主機(jī)通過(guò)輪詢從機(jī)實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。從機(jī)只有收到主機(jī)的信息包才可發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖4所示，從節(jié)點(diǎn)2在t時(shí)刻收到來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，此時(shí)頻率為f(k)，之后它可以在下一個(gè)時(shí)隙通過(guò)f(k+1)頻率向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

圖4　微微網(wǎng)內(nèi)通信輪詢機(jī)制

同時(shí)，本系統(tǒng)利用藍(lán)牙4.1的RSSI值來(lái)獲取基站與用戶端的距離信息(RSSI值大小隨基站間距而改變)。信號(hào)RSSI值與距離的關(guān)系如圖5所示。

圖5　信號(hào)RSSI值與距離關(guān)系圖

3.3藍(lán)牙4.1組網(wǎng)定位算法

用戶終端與各個(gè)基站之間通過(guò)藍(lán)牙4.1微微網(wǎng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行距離信息傳輸，最終將各個(gè)距離值傳輸?shù)街醒肟刂破脚_(tái)，其再用本系統(tǒng)的定位算法進(jìn)行運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車主用戶端的實(shí)時(shí)定位。

圖6　定位算法示意圖

該定位算法以一個(gè)微元(1個(gè)主機(jī)，3個(gè)從機(jī))為基礎(chǔ)構(gòu)建定位網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。整個(gè)程序算法通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。室內(nèi)定位軟件算法基于蜜蜂網(wǎng)絡(luò)的信息源傳輸特點(diǎn)進(jìn)行“3點(diǎn)確定1點(diǎn)”的定位。

圖6中，左上藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)(從機(jī)1)到手機(jī)客戶端的距離為s1，左下藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)(從機(jī)2)到手機(jī)客戶端的距離為s2，右上藍(lán)牙錨節(jié)點(diǎn)(從機(jī)3)到手機(jī)客戶端的距離為s3 ,先確定3個(gè)輸入量是否正常，再判斷是否形成四面體，然后根據(jù)動(dòng)態(tài)的“3點(diǎn)確定1點(diǎn)”算法算出手機(jī)客戶端在空間平面的各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)值，最后對(duì)每個(gè)信號(hào)值清零。程序流程圖如圖7所示。

圖7　程序流程圖

3.4上位機(jī)設(shè)計(jì)

藍(lán)牙4.1組網(wǎng)定位系統(tǒng)得到的距離數(shù)據(jù)信息發(fā)送至中央控制平臺(tái)，中央控制平臺(tái)經(jīng)過(guò)定位算法運(yùn)算后，將最終得到的定位信息發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控端，這樣車位的信息及用戶自己的車位信息便可一目了然。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上位機(jī)采用LabView設(shè)計(jì)而成，如圖8所示。該設(shè)計(jì)可將中央控制平臺(tái)運(yùn)算處理的結(jié)果坐標(biāo)圖形化顯示在界面上，使人們可以更直觀地得到車位信息，簡(jiǎn)潔高效。

結(jié)語(yǔ)

圖8　上位機(jī)界面示意圖

基于藍(lán)牙4.1技術(shù)，提出了一種組網(wǎng)定位系統(tǒng)，將車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并通過(guò)中央控制平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)算處理，最后通過(guò)其WiFi模塊將定位信息發(fā)送至上位機(jī)或手機(jī)終端設(shè)備上進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用性，對(duì)提升現(xiàn)代停車場(chǎng)效率有很大的幫助。但由于種種原因，此系統(tǒng)還存在一些不足，比如定位的范圍還需要加大。希望本系統(tǒng)未來(lái)可以運(yùn)用在停車場(chǎng)中。

參考文獻(xiàn)

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Positioning System in Parking Lot Based on Bluetooth 4.1 Base Station Network

Xie Zhongxiao,Han Shengwei

(China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Abstract：In order to improve the efficiency of the modern parking lot and assist for parking and picking up the cars,a smart positioning system in parking lot based on Bluetooth 4.1 is proposed in this paper.The system takes RFID MCU CC2540 as the signal station,and the ARM Cortex-A8 MPU as the central control platform.The system achieves the car positioning in parking lot using the multiple Bluetooth 4.1 signal stations network.And then it sends the positioning information to PC,the mobile phones and other devices through the WiFi module in control processor.The experimental results show that the system has high accuracy and low power consumption,which can be widely applied in many parking lots.

Key words:Bluetooth 4.1;positioning system in parking lot;ARM Cortex-A8;low power consumption

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-09-12)

中圖分類號(hào):TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

* 基金項(xiàng)目：省部級(jí)-2015年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃(2015R409029)。