基于物聯網技術的路邊停車系統(tǒng)的設計

中船重工第七一〇研究所 熊禮平

0 引言

隨著國民收入的增加，越來越多的家庭擁有汽車，伴隨而來的停車難問題日益突出。路邊人工停車管理費用較高，導致路邊智能停車管理的需求增加。研究人員在該方面作了大量工作，并取得不少應用成果。

石新云[1]設計了一種基于物聯網ZigBee技術的智能停車管理系統(tǒng)，通過自組網方式構建ZigBee數據傳輸網絡，但ZigBee傳輸距離較近。趙豪[2]提出將車牌識別技術應用到停車管理系統(tǒng)中，能免除人工登記車牌，該方案不適用路邊停車管理。李超龍[3]提出基于RFID的車位感知方案，該方案感知準確率高，但目前RFID并不普及，不能大范圍應用。

本文總結現有停車管理系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點，結合多年停車管理系統(tǒng)研制經驗，設計了一種基于物聯網技術[4]的路邊停車系統(tǒng)。

1 LoRa

物聯網無線技術包括：ZigBee、藍牙、WiFi、2G/3G/4G。Zig-Bee是一種基于IEEE 802.15.4技術的無線網絡協議，可容納65000多個網絡節(jié)點。在物聯網方面廣泛應用。但通信距離限制其在路邊停車方面的應用。為了兼顧低功耗和長距離，出現了LoRa通信。

LoRa通信是美國Semtech公司研制的一種基于擴頻技術的超遠距離無線通信方式，屬于數字通信的一種。與非擴頻數字通信系統(tǒng)相比，LoRa通信進行信息傳輸時，發(fā)送端由擴頻碼發(fā)生器產生獨立的擴頻碼序列，并對待傳輸的數字信號進行調制，達到展寬信號帶寬目的。再將調制信號加載到射頻載波中發(fā)送，實現無線傳輸。由于信息傳輸過程所占用的帶寬大于所傳信息必須的最小帶寬，決定了LoRa通信抗干擾能力強，通信傳輸安全可靠。Semtech公司已推出基于LoRa的通信芯片。

2 系統(tǒng)的體系結構

本系統(tǒng)由“端點-網絡-平臺”三層架構組成。“端點”包括車輛檢測器、手持終端和剩余車位顯示屏。車輛檢測器采集路邊車位狀態(tài)，手持終端包括用戶手機和管理員終端，并安裝本系統(tǒng)停車APP，實時獲取某路段車位狀態(tài)變化，車主可通過停車APP獲取路段空余車位數量及位置；管理員通過停車APP實現停車服務。剩余車位顯示屏實時顯示該路段空車位情況，方便車主找到停車位置。

“網”包括車位狀態(tài)傳輸的物聯網以及平臺與端點之間的廣域網。車位狀態(tài)傳輸的物聯網采用低功耗、星型拓撲結構的LoRa傳輸網絡；平臺與端點之間的廣域網采用移動網絡、有線網絡等。

“平臺”指布設在服務器上的停車管理平臺。利用相關技術存儲和處理車位數據、費用支付信息，分別為停車公司和停車用戶提供停車管理與停車服務。

3 系統(tǒng)的硬件設計

3.1 車輛檢測器的硬件設計

車輛檢測器電路由CPU、LoRa模塊、磁采集單元、激活單元、JTAG和電源組成。

本文采用磁處理器和磁采集器的設計思路，完成磁場數據的采集和信號的轉換。磁采集器屬于電感元件，能感知周圍環(huán)境的磁場變化，一片磁處理器能同時連接并處理三個磁采集器的數據。磁處理器對采集的信號進行放大和濾波處理，并通過標準的SPI接口輸出數據至CPU。

CPU采用TI公司的16位處理器MSP430F2553，CPU是采集器的主控單元，負責采集器的邏輯控制和功能實現。主要包括磁場數據讀取、無線芯片控制、電壓采集等功能。

整個模塊采用鋰電池供電，避免電源轉換帶來的功率損耗，降低系統(tǒng)功耗和安裝成本。電路中采用了兩種設計思路降低模塊的功耗：磁處理器的電源供電通過CPU的IO口進行控制，當需要進行磁采集時，給磁處理器上電；采集結束后，通過IO口控制關閉磁處理器的電源。避免磁處理器一直處于工作狀態(tài)，降低功耗；電路還利用磁處理器的IO口喚醒CPU，實現激活功能，較強磁場下，該單元被激活，激活狀態(tài)下可以減少無線通信網絡的傳輸數據量，降低部分模塊的入網時間?，F場安裝時，通過外部磁場激活加快組網速度，降低檢測模塊的功耗。

3.2 集中器的硬件設計

集中器接收車輛檢測器以無線傳輸方式上傳的車位狀態(tài)數據，并以移動網絡的方式上傳至停車管理平臺。集中器接收停車管理平臺下發(fā)的命令數據，并最終下發(fā)指對應的車輛檢測器。微處理器采用ST公司研制的STM 32F407[5],該芯片采用CorTex-M 4內核，處理時鐘可達168MHz，配置6個速度到達11.25Mb/s的串口外設、17個定時器。標準IP接口采用串口轉網口模塊實現。無線部分仍然采用微處理器控制SX127x[6]系列LoRa收發(fā)器的方案。

SX127x接收靈敏度-148dBm，增益放大器+20dBm，最大鏈路預算擴充為168dB，保證長距離通信。接收電流9.9mA，200nA寄存器保持電流。內部設計信道活動檢測器，適合低功耗應用。

LoRa模塊與微處理器采用3線制SPI通信方式，IO口指示LoRa模塊工作狀態(tài)的改變。當微處理器監(jiān)測到IO口電平變化后，通過SPI接口讀取LoRa模塊的狀態(tài)寄存器，獲取模塊所處工作狀態(tài)，在根據程序狀態(tài)機判斷LoRa模塊完成的操作。LoRa模塊與天線接口之間采用匹配電容，保證天線接口50歐姆阻抗匹配。

4 系統(tǒng)的軟件設計

4.1 車輛檢測器的軟件設計

車輛檢測器安裝在路邊劃定的車位區(qū)域的中心位置，每個車位安裝一個車輛檢測器，負責采集車輛駛入和駛出車位的狀態(tài)，并以LoRa無線方式上傳至集中器；另外，車輛檢測器接收集中器下發(fā)指令。

車輛檢測器上電后首先完成CPU外設配置，再完成LoRa模塊參數配置。配置完成后，車輛檢測器發(fā)送入網請求至集中器。集中器收到入網請求后獲取子節(jié)點信息，兩者之間完成網絡連接。為了方便用戶開發(fā)LoRa產品，SemTech公司針對SX1276系列提供全套控制庫函數。LoRa模塊配置由SX1276Init()實現，該函數調用SX1276LoRaInit()函數完成參數更改和配置。為了實現車輛檢測器低功耗的工作要求，采用定時器精準定時，每個周期內車輛檢測器只有很短時間在工作，其余時間處于睡眠狀態(tài)。當微處理器被喚醒后，首先檢測IO口狀態(tài)，根據IO口狀態(tài)查詢無線模塊所處狀態(tài)，完成后續(xù)處理。

4.2 集中器的軟件設計

集中器完成本區(qū)域內所有車位狀態(tài)的接收。集中器完成3個中斷的響應：IO口中斷、定時器中斷、串口中斷。IO口中斷反應LoRa模塊的狀態(tài)變化，微處理器通過響應IO口中斷并讀取LoRa模塊工作狀態(tài)寄存器，確認LoRa模塊所處狀態(tài)，并根據工作狀態(tài)控制LoRa模塊完成指定的操作。定時器精確定時，保證系統(tǒng)時序。串口接收平臺下發(fā)的命令數據。

4.3 平臺的軟件設計

軟件平臺負責所有車輛的管理和服務，包括對車主的車輛停車計時、費用計算，接收車主對車位的預訂；對各路段顯示屏的剩余車位發(fā)布；巡檢員使用手持終端進行車牌錄入的管理；停車系統(tǒng)故障報告；車輛檢測器數據讀取。軟件平臺除了負責車輛的管理和服務，還具有路段數據錄入功能。包括路段的管理和車位的管理，當新增路段時，可以方便錄入該路段新增車位信息。軟件平臺采用Visual C#開發(fā)。

5 結束語

本文實現了一種基于物聯網技術的路邊停車系統(tǒng)。端點與中間層采用LoRa方式通信，中間層與平臺之間采用2G/3G/4G移動網絡傳輸。與ZigBee物聯網通信技術相比，LoRa方式通信距離更遠、通信可靠性更高，在150米范圍內通信，無需額外安裝路由設備。具備安裝便捷、成本低廉等優(yōu)勢。磁性車輛檢測器具有檢測準確性高等優(yōu)點，對提高停車效率和停車場管理水平具有重大意義。

[1]石新軍,李云玲.基于物聯網技術的智能停車管理系統(tǒng)研究[J].順德職業(yè)技術學院學報,2015 (2):9-12.

[2]趙豪,蔡延光,謝湘平.基于車牌識別技術的在智能停車管理系統(tǒng)研究[J].電子世界,2016 (1):150-151.

[3]李超龍.基于RFID的車位感知模型研究及智能停車管理系統(tǒng)的設計與實現[D].北京:北京郵電大學,2015.

[4]李宇,王衛(wèi)星,陳潤澤.基于ZigBee的物聯網智能家居系統(tǒng)[J].電子測試,2016(5):71-75.

[5]ST Microelectronics.STM 32F405/415,STM 32F407/417,STM 3 2F427/437 and STM 32F429/439 advanced ARM-based 32-bit MCUs Reference manual[EB/OL].http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/3d/6d/5a/66/b4/99/40/d4/DM00031020.pdf/files/DM00031020.pdf/jcr:content/translations/en.DM00031020.pdf.

[6]Semtech Corporation.SX 1278 137-525MHz Ultra Low Power Long Range Transceiver[EB/OL].(2013-9-1).https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/SX1278.