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(dǎo)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(yīng)用成果。

石新云[1]設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)的智能停車管理系統(tǒng)，通過自組網(wǎng)方式構(gòu)建ZigBee數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，但ZigBee傳輸距離較近。趙豪[2]提出將車牌識別技術(shù)應(yīng)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(zhǔn)確率高，但目前RFID并不普及，不能大范圍應(yīng)用。

本文總結(jié)現(xiàn)有停車管理系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點，結(jié)合多年停車管理系統(tǒng)研制經(jīng)驗，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[4]的路邊停車系統(tǒng)。

1 LoRa

物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)包括：ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、2G/3G/4G。Zig-Bee是一種基于IEEE 802.15.4技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可容納65000多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。在物聯(lián)網(wǎng)方面廣泛應(yīng)用。但通信距離限制其在路邊停車方面的應(yīng)用。為了兼顧低功耗和長距離，出現(xiàn)了LoRa通信。

LoRa通信是美國Semtech公司研制的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線通信方式，屬于數(shù)字通信的一種。與非擴(kuò)頻數(shù)字通信系統(tǒng)相比，LoRa通信進(jìn)行信息傳輸時，發(fā)送端由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生獨立的擴(kuò)頻碼序列，并對待傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到展寬信號帶寬目的。再將調(diào)制信號加載到射頻載波中發(fā)送，實現(xiàn)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(qiáng)，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(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由“端點-網(wǎng)絡(luò)-平臺”三層架構(gòu)組成?！岸它c”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(jī)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(shù)量及位置；管理員通過停車APP實現(xiàn)停車服務(wù)。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(wǎng)”包括車位狀態(tài)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)以及平臺與端點之間的廣域網(wǎng)。車位狀態(tài)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)采用低功耗、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LoRa傳輸網(wǎng)絡(luò)；平臺與端點之間的廣域網(wǎng)采用移動網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)等。

“平臺”指布設(shè)在服務(wù)器上的停車管理平臺。利用相關(guān)技術(shù)存儲和處理車位數(shù)據(jù)、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(wù)。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 車輛檢測器的硬件設(shè)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(shè)計思路，完成磁場數(shù)據(jù)的采集和信號的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。磁處理器對采集的信號進(jìn)行放大和濾波處理，并通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口輸出數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)采集器的邏輯控制和功能實現(xiàn)。主要包括磁場數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shè)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(jìn)行控制，當(dāng)需要進(jìn)行磁采集時，給磁處理器上電；采集結(jié)束后，通過IO口控制關(guān)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(xiàn)激活功能，較強(qiáng)磁場下，該單元被激活，激活狀態(tài)下可以減少無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)量，降低部分模塊的入網(wǎng)時間。現(xiàn)場安裝時，通過外部磁場激活加快組網(wǎng)速度，降低檢測模塊的功耗。

3.2 集中器的硬件設(shè)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(shù)據(jù)，并以移動網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)，并最終下發(fā)指對應(yīng)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(nèi)核，處理時鐘可達(dá)168MHz，配置6個速度到達(dá)11.25Mb/s的串口外設(shè)、17個定時器。標(biāo)準(zhǔn)IP接口采用串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊實現(xiàn)。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(yù)算擴(kuò)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(nèi)部設(shè)計信道活動檢測器，適合低功耗應(yīng)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(dāng)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(jù)程序狀態(tài)機(jī)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(shè)計

4.1 車輛檢測器的軟件設(shè)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(fù)責(zé)采集車輛駛?cè)牒婉偝鲕囄坏臓顟B(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(shè)配置，再完成LoRa模塊參數(shù)配置。配置完成后，車輛檢測器發(fā)送入網(wǎng)請求至集中器。集中器收到入網(wǎng)請求后獲取子節(jié)點信息，兩者之間完成網(wǎng)絡(luò)連接。為了方便用戶開發(fā)LoRa產(chǎn)品，SemTech公司針對SX1276系列提供全套控制庫函數(shù)。LoRa模塊配置由SX1276Init()實現(xiàn)，該函數(shù)調(diào)用SX1276LoRaInit()函數(shù)完成參數(shù)更改和配置。為了實現(xiàn)車輛檢測器低功耗的工作要求，采用定時器精準(zhǔn)定時，每個周期內(nèi)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(dāng)微處理器被喚醒后，首先檢測IO口狀態(tài)，根據(jù)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(shè)計

集中器完成本區(qū)域內(nèi)所有車位狀態(tài)的接收。集中器完成3個中斷的響應(yīng)：IO口中斷、定時器中斷、串口中斷。IO口中斷反應(yīng)LoRa模塊的狀態(tài)變化，微處理器通過響應(yīng)IO口中斷并讀取LoRa模塊工作狀態(tài)寄存器，確認(rèn)LoRa模塊所處狀態(tài)，并根據(jù)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(shù)據(jù)。

4.3 平臺的軟件設(shè)計

軟件平臺負(fù)責(zé)所有車輛的管理和服務(wù)，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(yù)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(jìn)行車牌錄入的管理；停車系統(tǒng)故障報告；車輛檢測器數(shù)據(jù)讀取。軟件平臺除了負(fù)責(zé)車輛的管理和服務(wù)，還具有路段數(shù)據(jù)錄入功能。包括路段的管理和車位的管理，當(dāng)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(jié)束語

本文實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)傳輸。與ZigBee物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)相比，LoRa方式通信距離更遠(yuǎn)、通信可靠性更高，在150米范圍內(nèi)通信，無需額外安裝路由設(shè)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(zhǔn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能停車管理系統(tǒng)研究[J].順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2015 (2):9-12.

[2]趙豪,蔡延光,謝湘平.基于車牌識別技術(shù)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(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2015.

[4]李宇,王衛(wèi)星,陳潤澤.基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)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.