基于LORA技術(shù)的停車場車位顯示平臺設(shè)計

張雨晨 陳文釗 梁振奇 唐少虎

1. 北方工業(yè)大學城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100144； 2. 北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100035

隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國已經(jīng)進入到了信息時代。物聯(lián)網(wǎng)作為信息時代的核心代名詞，已經(jīng)得到了相當?shù)闹匾暎锫?lián)網(wǎng)作為物物相連的通信網(wǎng)絡(luò)，其關(guān)鍵性就是單一物體間的通信與信息交互。物聯(lián)網(wǎng)主要對無線通信技術(shù)進行了應用，隨著自動化無線短距離通信技術(shù)的發(fā)展， EnOcean、Zigbee，LORA等無線通信技術(shù)已成為主流的技術(shù)應用在無線通信方面。與此同時，我國私人小汽車飽有量的日益增長，除了交通擁堵等老牌難題以外，由于停車場可以提供的停車位已經(jīng)不能滿足人們對停車位的需求，導致現(xiàn)如今往往大量的停車場都大量停車甚至超負荷停車，使得駕駛員因不必要行駛而浪費大量時間，易造成駕駛員產(chǎn)生焦躁情緒，從而導致許多駕駛安全問題。因此，為了使廣大駕駛員擁有一個良好的停車體驗以及出行滿意度，對停車場的信息顯示平臺的構(gòu)建與優(yōu)化勢在必行。

綜合考慮到頻段、無線標準、電池使用、報文長度、最大傳輸速率、互相干擾幾率、睡眠模式電流、兼容性以及車位顯示平臺的實際應用環(huán)境等方面，提出了使用LORA （LongRange） ——一種快速興起的作為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應用而設(shè)計的LPWAN （low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)） 模式——的通信技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)以及智能交通時代的到來，越來越多的物體實現(xiàn)了萬物互聯(lián)，使用新型的LORA無線傳輸技術(shù)與原始單片機技術(shù)相結(jié)合應用于停車場優(yōu)化管理可以達到低功耗、低成本、誤差率小等目標結(jié)果。

1 LORA介紹

LORA是LPWAN （low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)） 的典型代表，LORA技術(shù)最主要的優(yōu)點是在易于建設(shè)和部署低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的同時，使用了線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù)即保持了像FSK （頻移鍵控） 調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發(fā)送也不會相互干擾，因此，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān) （Concentrator/Gateway）能夠并行接收并處理多個節(jié)點的數(shù)據(jù)，大大擴展了系統(tǒng)容量。

如表1所示，LORA技術(shù)提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量、低成本的通訊系統(tǒng)。該技術(shù)除了通訊距離遠以外，該技術(shù)最具有競爭力的優(yōu)勢就是低功耗，大大減少充電次數(shù)，延長電池使用壽命，以及強大的抗干擾能力。LORA技術(shù)可以在負信噪比，即信號功率小于噪聲功率時也可以進行無差錯信號傳輸。

表1 關(guān)鍵性優(yōu)勢及特性

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括LORA射頻模塊、終端車位顯示平臺。該系統(tǒng)采用LORA無線一對多的通信方式分布在停車場內(nèi)，實時采集車位狀態(tài)信息。車位信號發(fā)射器通過基于LORA技術(shù)的SX1278模塊發(fā)送車位狀態(tài)信息到終端車位顯示平臺，終端車位顯示平臺依據(jù)相關(guān)協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，在平臺上做出相應顯示。該系統(tǒng)可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)簡單、數(shù)據(jù)上傳、抗干擾等功能，實現(xiàn)車位狀態(tài)信息的采集并管理的功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)分為車位信息實時動態(tài)顯示平臺與車位信號發(fā)射器部分，選取M32F407單片機為主控MCU，在該單片機系統(tǒng)搭建環(huán)境與LORA技術(shù)的SX1278模塊進行通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。SX1278射頻模塊是一種高度集成低功耗半雙工小功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有信號穿透性強、通訊距離遠、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送穩(wěn)定等特點。

3.1 車位信號發(fā)射器硬件系統(tǒng)設(shè)計

車位信號發(fā)射器主要部分由基于LORA技術(shù)的SX1278模塊無線收發(fā)器、STM32F407微控制器、PCWL-0801激光測距模塊三部分組成。以STM32F407單片機控制器為主機，無線收發(fā)模塊SX1278為從機，使用模擬SPI進行通信。車位信號發(fā)射器硬件連接如圖2所示，PCWL-0801激光測距模塊通過RS-485接口連接STM32F407單片機，LORA技術(shù)的SX1278無線模塊通過SPI通信連接STM32F407單片機，完成車位狀態(tài)檢測并發(fā)射狀態(tài)信息。

圖2 車位信號發(fā)射器硬件連接圖

3.2 終端車位顯示平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計

終端車位顯示平臺主要部分由基于LORA技術(shù)的SX1278模塊無線收發(fā)器、STM32F407微控制器、信息顯示屏三部分組成。終端車位顯示平臺硬件連接如圖3所示，LORA技術(shù)的SX1278無線模塊通過SPI通信與STM32F407單片機相連接，同時STM32F407單片機與信息顯示屏相連接。SX1278無線模塊接收車位信息數(shù)據(jù)包，STM32F407單片機依據(jù)相應協(xié)議進行解析，然后顯示在信息顯示屏。

圖3 終端車位顯示平臺硬件連接圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該平臺選取STM32F407單片機為主控制器，STM32F4是由ST （意法半導體） 開發(fā)的一種高性能微控制器。面向需要在小至10 mm×10mm的封裝內(nèi)實現(xiàn)高集成度、高性能、嵌入式存儲器和外設(shè)的醫(yī)療、工業(yè)與消費類應用。STM32F4系列微控制器還沿續(xù)了STM32產(chǎn)品家族的低電壓和節(jié)能兩大優(yōu)點。低功耗模式共有4種，可將電流消耗降至兩μA。從低功耗模式快速啟動也同樣節(jié)省電能；啟動電路使用STM32內(nèi)部生成的8MHz信號，將微控制器從停止模式喚醒用時小于6μs。

STM32F4系列單片機也具有豐富的外圍模塊，該控制平臺主要使用了STM32F407單片機的串口、GPIO、模擬SPI等功能，設(shè)計核心為模擬SPI通信，文章將重點介紹模擬SPI通信的實現(xiàn)以及車位信號發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)流程和終端車位顯示平臺接收并處理數(shù)據(jù)流程。

4.1 模擬SPI通信

該設(shè)備使用STM32F407單片機模擬SPI通訊發(fā)送指令包給SX1278的LORA模塊，采用四線SPI通訊，分別為MOSI （主出從入） 、MISO （主入從出） 、CE （片選） 、SCK （時鐘），該設(shè)備并不選用擁有SPI功能的IO口進行硬件SPI通信，而是選取普通的IO口 （輸入輸出通用寄存器） 進行模擬SPI傳輸。實現(xiàn)SPI通訊核心程序如下：

模擬SPI發(fā)送：

void RF_SPI_MasterIO （unsigned char outtt）

{ unsigned char i；

for （i=0；i＜8；i++） {

if （outtt & 0x80） /*檢查最高位是否為高 */

RF_SDI_H； /*拉高引腳 */

else

RF_CKL_H； /*時鐘拉高 */

DELAYY （1）；

outtt = （outtt ＜＜ 1）；

RF_CKL_L； /* 時鐘拉低 */

DELAYY （1）；}}

模擬SPI接收：

unsigned char RF_SPI_READ_BYTE （）

{ unsigned char j；

橘子。橘子含豐富的蛋白質(zhì)、鈣、磷、維生素C、維生素B1、維生素B2等，有降低膽固醇吸收、降血脂、抗動脈粥樣硬化的作用。

unsigned char i；

j=0；

for （i = 0；i ＜ 8；i++）

{RF_CKL_H；

DELAYY （1）；

j = （j ＜＜ 1）；

if （P10IN &BIT2 ） /* 檢查P10.2引腳是否為高電平 */

j = j | 0x01； /*該位置高 */

RF_CKL_L；

DELAYY （1）；}

return j；}

4.2 車位信號發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)計

車位信號發(fā)射器部分既要通過PCWL-0801激光測距模塊獲取車位狀態(tài)信息，又要通過基于LORA技術(shù)的SX1278模塊上傳數(shù)據(jù)到車位信息顯示平臺。獲取并上傳車位信息流程圖如圖4所示，STM32F407單片機、SX1278無線模塊、PCWL-0801激光測距模塊在系統(tǒng)上電后進行初始化設(shè)置，PCWL-0801激光測距模塊不斷檢測車位信息，通過RS-485通信接口傳輸數(shù)據(jù)到STM32F407單片機。單片機解析數(shù)據(jù)包并通過模擬SPI通信傳輸數(shù)據(jù)到SX1278無線模塊。基于LORA技術(shù)的SX1278無線模塊通過固定協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給車位信息顯示平臺。最后各模塊重新設(shè)定為原始模式，繼續(xù)完成對車位狀態(tài)信息的采集。

圖4 獲取并上傳車位信息流程圖

4.3 終端車位顯示平臺接收程序設(shè)計

終端車位顯示平臺部分既要由基于LORA技術(shù)的SX1278模塊接收車位狀態(tài)信息，又要由STM32F407單片機檢解析數(shù)據(jù)并由信息顯示屏顯示。信息顯示平臺接收并處理數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示，STM32F407單片機和SX1278無線模塊上電后進行初始化配置。系統(tǒng)不斷檢測LORA模塊是否接收數(shù)據(jù)完成，且對接收數(shù)據(jù)CRC校驗正確，傳輸數(shù)據(jù)到STM32F407單片機。STM32F407單片機根據(jù)規(guī)定協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，并完成信息顯示平臺的顯示。

圖5 信息顯示平臺接收并處理數(shù)據(jù)流程圖

5 平臺測試及分析

本文根據(jù)實際情況搭建系統(tǒng)測試環(huán)境，驗證該車位信息顯示平臺的實際運行效果。選取一車輛較多、管理混亂、停車體驗不佳的停車場進行試驗，以驗證輔助停車效果及不同時間段顯示準確率。

單一車輛駛?cè)霚y試，由一駕駛?cè)笋側(cè)胪＼噲觯^看實時動態(tài)顯示平臺確定3號停車位為空，沿地圖路線駛?cè)朐撏＼囄?，當小汽車駛?cè)?號停車位時，試試動態(tài)顯示平臺停車位指示燈由綠變紅；多車輛駛?cè)霚y試，標號為A、B、C、D、E的5輛汽車依次駛?cè)胪＼噲?，并選取1、2、3、4、5號停車位進行停車，駛?cè)胪＼囄豁樞驗?號、3號、5號、2號、4號，觀察實時動態(tài)顯示平臺A燈、C燈、E燈、B燈、D燈依次由綠變紅。

不同時段車位信息顯示平臺準確率如表2所示，試驗結(jié)果表明，即使在接近滿負荷的停車狀態(tài)下，該停車顯示平臺仍然可以做到成功率接近99%，單一車輛駛?cè)胍约岸嘬囕v駛?cè)刖苓_到預期結(jié)果，大大減少了不必要繞行時間，增加了駕駛?cè)说耐＼嚌M意程度。并且基于LORA技術(shù)的信號接收發(fā)送的效率遠遠高于其他技術(shù)，通過使用頻譜儀觀察波形，即使在噪聲較大的時段 （包含負信噪比），車位信號發(fā)射器的數(shù)據(jù)信號也可以正確并實時的傳送給信息顯示平臺接收器，由此看來，LORA技術(shù)應用于車位信息顯示平臺較其他無線通信技術(shù)具有很大的優(yōu)越性。

表2 不同停車比例顯示成功率 （%）

6 結(jié)語

基于LORA的實時動態(tài)顯示平臺是LORA技術(shù)應用于智能交通領(lǐng)域的良好試驗，本文將LORA技術(shù)與STM32F407單片機系統(tǒng)相結(jié)合，完成了基于LORA的車位信息顯示平臺的設(shè)計，實現(xiàn)了對停車場的輔助管理。本文主要解決了STM32F407單片機與LORA模塊的模擬SPI通信，為LORA技術(shù)應用于交通領(lǐng)域提供了一種思路。該系統(tǒng)平臺達到預期效果，有效減少了駕駛員不必要繞行時間，一定程度上避免了停車場中因找尋停車位而引發(fā)的種種為題。該平臺具有顯示準確率高、實時性和抗干擾能力強、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、低功耗、低成本、施工簡便的優(yōu)點。同時為新興的LORA技術(shù)提供了一個良好的范本，類似的要求低功耗、低成本、短距離的通信均可效仿該方式進行改革創(chuàng)新，卓有成效的推動了物聯(lián)網(wǎng)信息時代的發(fā)展。

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