摘要：本文所設計的車位檢測系統(tǒng)基于無線傳感網(Wireless Sensor Network，WSN)技術。檢測節(jié)點使用MSP430單片機控制MAG3110磁阻傳感器，配合車位檢測算法，并通過nRF905無線通信模塊向轉換節(jié)點發(fā)送車位使用信息。轉換節(jié)點將接收到的信息轉換成以太網數據。系統(tǒng)具有檢測準率高、組網方便、抗干擾能力強和功耗低等特點，能實現對車

位使用情況的實時監(jiān)測。

引言

伴隨著我國科技和經濟的進步，汽車產業(yè)在近幾年進入了迅猛發(fā)展階段。根據統(tǒng)計數據，2013年，我國汽車保有量已達到1.37億輛，是2003年汽車數量的5.7倍，占全部機動車的比率達到54.9%，比10年前提高了29.9%。汽車數量急劇增長，但相應的配套設施和監(jiān)管等方面的相對滯后，車位資源稀缺，可以說“停車難”成為了中國乃至全球亟待解決的重大問題。而解決這一難題，一方面要增加城市停車位的數量，另一方面則是要提高停車的效率。

本文所設計的智能停車系統(tǒng)采用地磁檢測機制并結合無線傳感網技術，具有車位檢測節(jié)點功耗低、系統(tǒng)部署維護方便、施工成本低等特點，檢測節(jié)點和路由節(jié)點之間采用433 MHz傳輸，對環(huán)境無特殊要求，抗干擾能力強。車主能夠通過本系統(tǒng)在第一時間獲取到車位的空余信息，進而提高停車效率，有效地緩解了停車壓力。

1 系統(tǒng)設計方案

智能停車系統(tǒng)的框架如圖1所示。位于車位下方的地磁檢測節(jié)點實時采集車位占用信息，然后將采集到的信息經過處理后傳送到轉換節(jié)點。轉換節(jié)點將接收到的數據打包成Socket數據包，傳輸到由ARM+Android平臺搭建的匯聚節(jié)點。一個匯聚節(jié)點負責把單個停車場的車位情況發(fā)送到遠程的數據中心，并產生車位引導信息，傳送至該停車場的車位引導子系統(tǒng)。安卓手機客戶端用戶可以通過網絡查詢到車位的空余信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 地磁車位檢測節(jié)點

地磁車位檢測節(jié)點采用低功耗設計，平均電流消耗為幾十μA，可以使用鋰電池供電，一顆2 000 mAh的鋰電池可以使用3年多。節(jié)點無需經常更換鋰電池，或給鋰電池充電，這樣就能夠將做好防水工業(yè)封裝的節(jié)點埋于車位下方，從而大大方便了施工安裝和后期的維護。車位檢測節(jié)點實物圖如圖2所示。

2. 1.1 檢測節(jié)點主控芯片

TI的MSP430系列是一個16位的、具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機。它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發(fā)手段，其高度靈活的定時系統(tǒng)、多種低功耗模式、即時喚醒以及智能化自主型外設，不僅可實現真正的超低功耗優(yōu)化，而且還能大幅延長電池使用壽命。

2.1.2 檢測方式的選取

傳統(tǒng)的車位檢測方式有射頻識別、超聲波、紅外探測、感應線圈等，這些檢測方法用起來有較大的局限性，有的功耗較高，有的對所安裝的環(huán)境有較高的要求，有的則非常容易受到干擾。一些新型的停車系統(tǒng)則利用了汽車會對周圍地磁場產生擾動這一特性，采用高靈敏度磁阻傳感器探測車位周圍地磁場的變化情況，以此作為判斷車位上車輛存在與否的依據。

目前的磁性傳感器技術有霍爾(Hall)、各向異性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)等。本系統(tǒng)采用的地磁傳感器為Freeseale的MAG3110。MAG3110磁力儀由于結合了TMR技術、高分辨率的模擬設計和專用的嵌入式邏輯，因而具有優(yōu)越的性能。

MAG3110的參數特性如表1所列。

MAG3110與MSP430單片機的連接如圖3所示。

2.1.3 檢測節(jié)點無線傳輸模塊

由于地磁車位檢測節(jié)點安裝在車位的下方，當車位上有車輛?？康臅r候，會影響無線信號的傳輸，而且停車場內有很多鋼筋混凝土結構的墻壁或柱子，會對無線信號產生折射干擾，因此需要選用繞障穿透能力和傳輸距離都優(yōu)于2.4 GHz的1 GHz以下的無線傳輸模塊。

nRF905單片無線收發(fā)器主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz的ISM頻段。MCU通過SPI接口對nRF905進行編程配置，nRF905電流消耗很低，在發(fā)射功率為-10 dBm時，發(fā)射電流為11 mA，接收電流為12.5 mA，進入POWERDOWN模式電流消耗最小，典型值低于2.5μA，非常適合于本傳感節(jié)點這樣低功耗、低成本的系統(tǒng)設計。

nRF905與MSP430單片機的連接如圖4所示。

2.2 中繼節(jié)點

中繼節(jié)點和檢測節(jié)點在硬件上唯一的差別就是少了MAG3110地磁檢測模塊。

2.3 轉換節(jié)點

轉換節(jié)點和中繼節(jié)點以及車位檢測節(jié)點組成一個簡單的自組織Mesh網絡，并且負責將接收到的車位檢測節(jié)點的數據進行拆包后重新封裝成Socket數據包，發(fā)送到匯聚節(jié)點以及后面的遠程數據中心。

轉換節(jié)點由低功耗Wi—Fi模塊CC3200外接nRF905組成。Simple Link CC3200器件是一款集成了運行頻率為80 MHz的ARM Cortex—M4內核的無線MCU，此器件包含多種外設，其中包括一個快速并行攝像頭接口、I2S、SD/MMC、UART、SPI、I2C和四通道模/數轉換器(ADC)。CC3200支持基站、訪問點和Wi—Fi直接模式，還支持WPA2個人和企業(yè)安全性以及WPS2.0。利用SmartConfig技術，AP模式和WPS2，便可實現簡單且靈活的Wi-Fi服務。

CC3200發(fā)射功率和接收靈敏度如表2所列。

轉換節(jié)點主要硬件連接如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 檢測處理算法

車位檢測節(jié)點工作環(huán)境比較復雜，干擾較多，如：溫度、周圍的車輛等，而且同一地點地磁場的強弱會隨時間產生一些變化，因此車位檢測節(jié)點采集到的數據不能簡單地直接使用，需要借助一定的算法對這些原始數據進行處理。

該算法主要由三部分組成：平滑濾波算法、基于時間的閾值判定算法、自校正基準場算法。綜合考慮車位檢測節(jié)點單片機的性能，低功耗的設計要求以及濾波的效果，平滑濾波部分使用改進的限幅移動窗口均值濾波算法，如下所示：

式中，i∈Z+，Ai表示車位檢測節(jié)點采集到的數據經過濾波后的結果，Si表示采集窗口長度為W的數據的總和，Ci表示每次采集到的車位的磁場的值，B表示自校正基準場的

值，T表示判定閾值，β表示大噪聲系數，△表示最大采樣偏差。

3.2 低功耗的實現

車位檢測節(jié)點的低功耗主要是結合MSP430單片機的低功耗模式(LPM)、常開門電路控制MAG3110以及事件觸發(fā)驅動型工作模式這3種方式實現的。節(jié)點工作過程如圖6所示。

3.3 無線組網

本系統(tǒng)中，檢測節(jié)點地址固定，檢測節(jié)點地址和其實際地理位置綁定，轉換節(jié)點和中繼節(jié)點以及車位檢測節(jié)點組成一個簡單的Mesh網絡，檢測節(jié)點可以直接和中繼節(jié)點、轉換節(jié)點通信，中繼節(jié)點之間可以相互通信，網絡拓撲結構如圖7所示。

系統(tǒng)數據幀結構如圖8所示。

3.4 Socket編程

轉換節(jié)點將接收到的車位檢測節(jié)點的數據進行拆包后重新封裝成Socket數據包，其軟件部分除了組網編程之外，還包括下面3部分：CC3200的SmartConfig編程、解析檢測節(jié)點的數據包、Socket編程。

4 系統(tǒng)實驗測試

4.1 組網測試

依次開啟檢測節(jié)點、中繼節(jié)點、轉換節(jié)點的電源，中繼節(jié)點接入串口，打印調試信息。圖9記錄了檢測節(jié)點FFFF A1 EC發(fā)送的數據包經過兩個中繼節(jié)點發(fā)送到轉換節(jié)點00 00 00 01的過程。

4. 2 車位檢測實驗數據

為了減少周圍車輛對檢測結果的干擾，主要使用MAG3110的Z軸數據。對Z軸數據使用改進的限幅移動窗口均值濾波算法(窗口長度取16)，濾波效果如圖10所示。

結合自校正基準場和閾值判定的結果如圖11所示。

結語

本文所設計的車位檢測系統(tǒng)結合了無線傳感網技術和地磁檢測技術，具有檢測準率高、組網方便、抗干擾能力強和低功耗等特點。本系統(tǒng)可以實現對車位使用情況的實時監(jiān)測，具有一定的實用價值和應用前景。