目前，國內(nèi)外主要采用感應(yīng)線圈、視頻分析、紅外感應(yīng)和無線地磁感應(yīng)等停車位檢測技術(shù)。有學(xué)者提出采用４３３Ｍ無線通信技術(shù)進(jìn)行車位數(shù)據(jù)的傳輸，并通過４Ｇ 通信將停車場各車位的信息上報(bào)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，該方案的局 限在于增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度以及限制了下掛數(shù)量。也有國外學(xué)者提出利用智能手機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)停車位管理的方案，通過手機(jī)自帶的傳感器判斷車輛在停車場內(nèi)的行駛狀態(tài)，利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合停車場分布的WI-FI信號(hào)對(duì)車輛停放的具體車位進(jìn)行定位，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行統(tǒng)一管理和計(jì)費(fèi)，該方案由于定位精度低，對(duì)停放車輛的間距要求大，不利于實(shí)際應(yīng)用。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種采用 NB-IOT 無線通信技術(shù)和三軸磁力檢測技術(shù)的泊車位傳感節(jié)點(diǎn)，該泊車位傳感節(jié)點(diǎn)具有架設(shè)方便、下掛數(shù)量大和檢測靈敏等特點(diǎn)。

１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泊車位檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖１所示，該系統(tǒng)總體分為感知層、通信傳輸層和應(yīng)用層。感知層：在各車位上部署了采用 NB-IOT 通信技術(shù)的泊車位傳感器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集車位當(dāng)前的磁場數(shù)據(jù)，通過分析磁場數(shù)據(jù)得到當(dāng)前車位的狀態(tài)，并將車位狀態(tài)信息通過 NB-IOT 模組，發(fā)送到 NB-IOT 基站；通信傳輸層：主要承擔(dān) NB-IOT 節(jié)點(diǎn)的鏈路分配以及車位管理數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)，并提供相應(yīng)服務(wù)的接口供泊車位管理系統(tǒng)調(diào)用；應(yīng)用層：基于 Ｂ／Ｓ架構(gòu)的泊車位管理系統(tǒng)服務(wù)器部署于云端，通過 NB-IOT平臺(tái)提供的接口與各車位傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，用戶可以通過手機(jī)、ＰＣ機(jī)等終端設(shè)備查看和管理車位的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

圖１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

WSN 環(huán)境下泊車位傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，通信方式上采用 NB-IOT 通信技術(shù)，中文名窄帶物聯(lián)網(wǎng)，NB-IOT 通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)，具有覆蓋能力強(qiáng)、超低功耗、部署成本低廉、下掛數(shù)量大、無需額外架設(shè)網(wǎng)關(guān)或集中器等特點(diǎn)，檢測方式上采用基于 ＭＥＭＳ封裝技術(shù)的三軸磁力傳感器，該傳感器功耗低，檢測靈敏，不易受到天氣、空氣濕度等環(huán)境因素的影響，具有體積小巧、部署方便的特點(diǎn)，可以有效避免自行車、電動(dòng)車等非機(jī)動(dòng)車輛及行人的干擾。

２車位檢測原理

地球磁場是一個(gè)平均強(qiáng)度較為恒定的弱磁場， 在沒有施加外部磁場的情況下，地球磁場的數(shù)值會(huì)在某一個(gè)數(shù)值上下緩慢地變化。當(dāng)有鐵磁性的物體進(jìn)入磁場的時(shí)候，由于磁性物體的作用，物體周圍的地磁場會(huì)發(fā)生一定的擾動(dòng)。而車輛是具有大量金 屬的鐵磁物體，測試結(jié)果驗(yàn)證：汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)部位、前軸部分和后軸部分的金屬密度最大，能夠引起的 磁場擾動(dòng)也最為顯著。

本設(shè)計(jì)采用基于AMR檢測技術(shù)的三軸磁力傳感器，在芯片的內(nèi)部各個(gè)軸向封裝了對(duì)磁場變化十分敏感的由鐵鎳合金組成的電橋電路，可以同時(shí)檢測 Ｘ，Ｙ，Ｚ 軸方向上的磁場變化。若車位傳感器放置于車輛的下方，并以 Ｚ 軸朝上，一旦有車輛駛?cè)胲囄唬?軸朝向上的磁場變化最為明顯，因此可主要考察Ｚ 軸磁場數(shù)據(jù)的變化，并以其他軸向磁場變化作為輔助來判斷當(dāng)前車位的狀態(tài)。

圖２（ａ）顯示車輛駛?cè)胲囄粫r(shí)引起傳感器上方Ｚ軸磁場變化的測試曲線，圖２（ｂ）顯示車輛駛離車位時(shí)引起傳感器上方 Ｚ 軸磁場變化的測試曲線。由測試結(jié)果可知：車輛駛?cè)牒碗x開停車位的過程中，Ｚ軸的變化是一個(gè)較為規(guī)律且近似可逆的動(dòng)態(tài)過程。

圖２ 車輛動(dòng)作引起的磁場擾動(dòng)測試結(jié)果

３ 車位傳感器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

車位傳感器節(jié)點(diǎn)主要由微控制器（ＭＣＵ）、三軸磁力傳感芯片、存儲(chǔ)芯片、NB-IOT 模組、ＮＢ－ＳＩＭ 卡、外置 ＰＣＢ天線以及鋰電池七部分組成。三軸磁力傳感器芯片作為傳感器節(jié)點(diǎn)的感知部分，負(fù)責(zé)車位磁場檢測，并通過內(nèi)置的 Ａ／Ｄ 轉(zhuǎn)換模塊將磁阻電路感應(yīng)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過ＳＰＩ接口與 ＭＣＵ 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)三軸磁力傳感器芯片可以通過中斷輸出引腳 及ＤＲＤＹ 引腳來喚醒 ＭＣＵ，提醒 ＭＣＵ 有新的磁場數(shù) 據(jù)生成或磁場變化超出設(shè)定的閾值。ＭＣＵ 電路是整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的中心部分，主要負(fù)責(zé)進(jìn)一步處理由ＳＰＩ接口發(fā)送過來的三軸磁場數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)判斷所 在車位的車輛占用情況以及傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗配置， 同時(shí) ＭＣＵ 通過 ＵＳＡＲＴ 串口與 NB-IOT 通信模組通信，發(fā)送相應(yīng)的 ＡＴ 指令控制泊車位數(shù)據(jù)的無線收發(fā)以及 NB-IOT 模組的喚醒。NB-IOT 模組、ＮＢ－ＳＭ 卡以及外置ＰＣＢ 天線，作為車位傳感器節(jié)點(diǎn)的通信傳輸部分，主要負(fù)責(zé)車位傳感器節(jié)點(diǎn)與泊車位管理系統(tǒng)之間的通信、泊車位狀態(tài)信息的發(fā)送以及管理系統(tǒng)下發(fā)命令的接收，ＮＢ－ＳＭ 卡為 NB-IOT 模組提供相應(yīng)的 ＮＢ數(shù)據(jù)流量套餐，為了保證信號(hào)接收的強(qiáng)度，選用外置ＰＣＢ天線，通過天線良好的信號(hào)增益和方向性來保證泊車位傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定收發(fā)。鋰電池電源保障傳感器節(jié)點(diǎn)長時(shí)間續(xù)航。傳感器總體結(jié)構(gòu)框架如圖３所示。

圖３ 車位傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖

３。１ 三軸磁力傳感器電路

三軸磁力傳感芯片選用ＳＴ 公司近年推出的采用 ＬＧＡ－２０封裝的高性能超低功耗系列新型獨(dú)立式微型傳感器 ＬＩＳ３ＭＤＬ，原理如圖４ 所示。傳感器可測量３ 個(gè)軸６ 個(gè)方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，數(shù)據(jù)輸出長度為１６ 位，根據(jù)不同的測量需求，測量范圍可在±４，±８，±１２，±１６Ｇｓ等４ 個(gè)檔位中選擇，支持 Ｉ２Ｃ 和 ＳＰＩ兩種通訊方式。經(jīng)過實(shí)際測試，測得當(dāng)配置傳感器 ＯＤＲ 為０．６２５ Ｈｚ，且在超低功耗連續(xù)檢測模式下運(yùn)行時(shí)，工作電流僅５μＡ，滿足車位傳感節(jié)點(diǎn)超長續(xù)航的工作需求。

圖４ 三軸磁力傳感器電路圖

磁力傳感器通過周期性測量停車位區(qū)域地磁場的變化來感知鐵磁物體的存在，當(dāng)車輛在地磁傳感器附近出現(xiàn)時(shí)，磁力傳感器模塊檢測停車位地磁場變化并進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并將這些數(shù)據(jù)通過 ＳＰＩ接口發(fā)送給 ＭＣＵ 進(jìn)行處理分析。

３。２ NB-IOT 模組電路

NB-IOT 模組選用 ＮＢ０５－０１ 模組，內(nèi)嵌全球領(lǐng)先的窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線通信模塊，其原理如圖５所示。采用半雙工ＦＤＤ 通訊方式，工作頻段為８５０ ＭＨｚ，模塊符合３ＧＰＰ 標(biāo)準(zhǔn)中的頻段要求，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在 ＰＳＭ 模式下運(yùn)行電流僅５μＡ。

圖５ NB-IOT 模組電路圖

３。３ ＮＢ－ＳＩＭ 卡座電路

ＮＢ 卡使用的是中國電信提供的１０６４９ ＮＢ 專用卡，目前主要有插卡和貼片卡兩種形式，本設(shè)計(jì)采用的是 Ｍｉｃｒｏ卡座插卡的形式，其原理如圖６所示。

圖６ ＮＢ－ＳＩＭ 卡電路圖

為保證 ＮＢ 卡與 NB-IOT 模組的穩(wěn)定運(yùn)行，在卡的各個(gè)引腳添加 ＥＳＤ 防靜電保護(hù)，ＥＳＤ 采用 ＣＭ１２１３系列的 ＴＶＳ管集成芯片，以增強(qiáng)所設(shè)計(jì)的傳感節(jié)點(diǎn)通信部分的抗干擾能力。

３。４ ＭＣＵ 電路

ＭＣＵ 部分選用 ＳＴ 公司推出的的超低功耗系列單片機(jī) ＳＴＭ３２Ｌ１５１Ｃ８Ｔ６，該 ＭＣＵ 基于 ３２ 位 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３內(nèi)核，低功耗工作模式下電流僅１１μＡ，在低功耗睡眠模式下功耗可低至４．６μＡ，可勝任車位傳感器所需的低功耗設(shè)計(jì)。ＭＣＵ 部分電路圖如圖７所示，該部分主要負(fù)責(zé)地磁傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理及分析，并結(jié)合獲取的地磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行車位狀態(tài)判斷、控制 NB-IOT 模組進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)警等。

圖７ ＭＣＵ 電路圖

３。５ 射頻天線（ＲＦ）電路

天線部分是決定傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信效果的關(guān)鍵一環(huán)，所設(shè)計(jì)的 ＲＦ走線應(yīng)滿足５０ Ω 阻抗匹配，印刷線路板（ＰＣＢ）走線阻抗因素主要與銅厚、布線寬度、布線間距以及ＰＣＢ 使用的板材有關(guān)，即

式中：εｒ 為ＰＣＢ板材的介電常數(shù)；ｔ為ＰＣＢ走線銅的厚度；ｈ為微帶線的介質(zhì)厚度；Ｗ 為ＰＣＢ走線的寬度。由 式（１）可見：ＰＣＢ走線的阻抗Ｚ 與板材介質(zhì)厚度成正比，與εｒ，Ｗ 和ｔ成反比。因此，在模組進(jìn)行ＰＣＢ設(shè)計(jì)時(shí)也需根據(jù)ＰＣＢ加工廠商的工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，使天線各部分走線滿足５０Ω 阻抗匹配。結(jié)合ＰＣＢ廠家的工藝標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出的 ＲＦ 走線經(jīng)仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示設(shè)計(jì)能較好滿足阻抗匹配的要求，如圖８所示。

圖８ 阻抗匹配仿真計(jì)算圖

３。６ 電源電路

ＤＣ－ＤＣ 穩(wěn)壓芯片采用 ＳＰＸ３８１９－３．３ 低功耗電源芯片，其原理如圖９ 所示，為 NB-IOT 模組提供穩(wěn)定的３．３Ｖ 電壓，最大輸出電流可達(dá)５００ ｍＡ，滿足 NB-IOT 模組天線開啟時(shí)所需的瞬時(shí)功耗，靜態(tài)電流１μＡ，符合車位傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)需求，在輸出端并聯(lián)１００μＦ 大電容，以防止天線開啟時(shí)工作電流瞬時(shí)增大引起的電壓跌落，供電引腳端口采用１０μＦ，０．１μＦ，１ｎＦ，１００ｐＦ 的組合形式以濾過高頻信號(hào)干擾。

圖９ 電源電路圖

３。７ 鋰電池充電電路

筆者設(shè)計(jì)的車位傳感節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，電路 中預(yù)留了鋰電池充電電路，以滿足鋰電池充電需求， 如圖１０所示。鋰電池充電管理芯片選用 ＴＰ５１００，內(nèi)置功率 ＭＯＳ管，工作電流可通過編程控制在０．１～２ Ａ，自帶過流過壓保護(hù)，耐用性強(qiáng)且使用方便。鋰電池采用的是電壓３．７Ｖ，總?cè)萘浚保埃玻埃埃恚粒璧牟⒙?lián)式鋰電池組，當(dāng)泊車位沒有車輛進(jìn)出的情況下，傳感器長期處于低功耗運(yùn)行模式，ＭＣＵ 進(jìn)入啟用 ＲＴＣ喚醒的 Ｓｔｏｐ 模式，功耗約為１．６μＡ。三軸磁傳感器在 ＯＤＲ 為５ Ｈｚ的低功耗檢測模式下工作，功耗約為１５μＡ。NB-IOT 模組進(jìn)入 ＰＳＭ 模式，功耗約為５μＡ。節(jié)點(diǎn)中其他模塊如存儲(chǔ)芯片在掉電模式下的功耗極低僅１μＡ，傳感器節(jié)點(diǎn)在低功耗模式下總功耗約２５μＡ，鋰電池組的最大放電量約為標(biāo)量的７０％，因此，在沒有車輛進(jìn)出的理想條件下，可以估算出鋰電池理論上最長可以為傳感器節(jié)點(diǎn)提供２８５６００ｈ即３３ 年的續(xù)航時(shí)間。

圖１０ 鋰電池充電電路圖

４ 軟件設(shè)計(jì)

軟件主程序流程如圖１１所示，上電時(shí)首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，完成對(duì) NB-IOT 模組、三軸磁力傳感器、ＭＣＵ 及各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置，NB-IOT 模組的注網(wǎng)過程包括通過相應(yīng)的 ＡＴ 指令對(duì) ＮＢ－ＳＩＭ 卡的有效性、模組頻段、網(wǎng)絡(luò)激活狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)、信號(hào)質(zhì)量和連接狀態(tài)等環(huán)節(jié)進(jìn)行查詢驗(yàn)證，以 確保NB-IOT 數(shù)據(jù)能夠正常接收和發(fā)送，待 NB-IOT 模組成功注網(wǎng)后，進(jìn)入泊車位檢測流程，ＭＣＵ 對(duì)磁力傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，若車位狀態(tài)發(fā)生了改變，將車位狀態(tài)信息發(fā)送到平臺(tái)，并進(jìn)入低功耗模式，若車位狀態(tài)未發(fā)生改變，則直接進(jìn)入低功耗模 式，當(dāng)發(fā) 生定時(shí)中斷或傳感器發(fā)出外部中斷時(shí)， ＭＣＵ 喚醒并重新進(jìn)入泊車位檢測流程，如此往復(fù)循環(huán)。

圖１１ 主程序流程圖

泊車位檢測總體流程如圖１２所示，主要包含以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)采集，主要負(fù)責(zé)對(duì)磁場進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)采集；數(shù)據(jù)濾波，對(duì)采集來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾， 濾除干擾信號(hào)以及毛刺；分析判斷，獲取到濾處理后 的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析判斷車位的狀態(tài)并輸出；基準(zhǔn)線更新，基準(zhǔn)線是傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行車位檢測判斷的重要依據(jù)，磁場受到溫度等環(huán)境因素的影響會(huì)產(chǎn)生微弱的變化，因此在車位空閑的情況下， 對(duì)三軸基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期的更新，有利于保證車位檢測的準(zhǔn)確性。

圖１２ 泊車位檢測總流程圖

本設(shè)計(jì)所用濾波算法采用中值率波與均值濾波結(jié)合的方式進(jìn)行處理。中值濾波算法的公式為

Ｙ（ｉ）＝Ｍｅｄ［ｘ（ｉ－ｎ），…，ｘ（ｉ），…，ｘ（ｉ＋ｎ）］ｎ∈Ｎ （２）

將采樣到的一組數(shù)據(jù)由大到小進(jìn)行排列，將中間的值作為采樣的數(shù)值。均值濾波算法為

將獲得的一組數(shù)據(jù)取平均值作為采樣的結(jié)果， 這兩種方法結(jié)合可以有效濾除所獲取數(shù)據(jù)的毛刺等干擾。

傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)生中斷喚醒后開始分析判斷車位狀態(tài)，首先 ＭＣＵ 處于低功耗待機(jī)模式，傳感器在低功耗連續(xù)檢測狀態(tài)下工作，每秒檢測５ 次磁場，當(dāng)傳感器檢測到Ｚ軸數(shù)值大于設(shè)定好的閾值時(shí)，傳感器產(chǎn)生中斷喚醒 ＭＣＵ，具體的中斷處理流程如圖１３所示。

圖１３ 車位狀態(tài)判斷流程圖

ＭＣＵ 喚醒后通過濾波獲取并處理數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前車位是否空閑分兩種方向進(jìn)行車位的判斷，主要的判斷依據(jù)是將車位在空閑狀態(tài)下獲得的磁場基準(zhǔn)線與采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較：若車位當(dāng)前空閑，就判斷車位是否是車輛駛?cè)胲囄唬舨杉降臄?shù)據(jù)并沒有滿足車輛駛?cè)胲囄坏呐袛鄺l件，則認(rèn)為引起中斷的為干擾事件，傳感器節(jié)點(diǎn)重新回到低功耗待機(jī)狀態(tài)，等待車輛駛?cè)耄蝗糗囄灰呀?jīng)有車停，則判斷車輛是否離開車位，當(dāng)引起中斷的數(shù)據(jù)沒有滿足車輛離開的判斷條件時(shí)，則認(rèn)為該中斷源為干擾，傳感器節(jié) 點(diǎn)重新回到低功耗檢測狀態(tài)，等待下一次中斷產(chǎn)生。

本研究實(shí)現(xiàn)的車位傳感器節(jié)點(diǎn)將選用的 ＮＢ－ ＩｏＴ 模組配置在支持 ＡＴ 指令的 ＣｏＡＰ 通信模式下，在該工作模式下 NB-IOT 模組可以與支持ＣｏＡＰ通信協(xié)議的 NB-IOT 平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并且 ＭＣＵ可以通過 ＵＳＡＲＴ 串口靈活地發(fā)送豐富的 ＡＴ 指令對(duì) NB-IOT 模組進(jìn)行操作。

NB-IOT 模組實(shí)時(shí)發(fā)送泊車位狀態(tài)的前提是 NB-IOT 模組已經(jīng)成功注網(wǎng)，以３號(hào)泊車位上傳車位有車輛駛?cè)氲臓顟B(tài)信息為例，要上傳的格式為長度７ 字節(jié)的１６ 進(jìn)制數(shù)據(jù)，內(nèi)容為０３０１０２０００１ＦＣ０１，其中第１字節(jié)為泊車位地址，第２字節(jié)為功能碼，代表上傳的是泊車位狀態(tài)，第３ 字節(jié)表示數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，第４，５字節(jié)為泊車位狀態(tài)信息，最后兩個(gè)字節(jié)為 ＣＲＣ１６校驗(yàn) 碼。NB-IOT 模組發(fā)送泊車位狀態(tài)的 ＡＴ 指令流程如圖１４所示。

圖１４ 泊車位狀態(tài)信息發(fā)送流程圖

首先，向模組發(fā)送 ＮＣＤＰ 指令查詢模組設(shè)置的ＣｏＡＰ 服務(wù)器ＩＰ 地址號(hào)及網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)是否正確，若返回的值與所要發(fā)送的 NB-IOT 平臺(tái)不一致，或者返回“ＥＲＲＯＲ”，則需要給模組配置正確的ＩＰ 地址及端口號(hào)，重啟模組后生效；之后，向模組發(fā)送 ＮＳ－ ＭＩ指令，開啟模組的“消息發(fā)送通知”功能，開啟成功后，使用 ＮＭＧＳ指令發(fā)送泊車位狀態(tài)信息，若模組返回“ＥＲＲＯＲ”，則需要再次發(fā)送泊車位狀態(tài)信息，若發(fā)送成功，模組將返回“＋ＮＳＭＩ：ＳＥＮＴ”告知 ＭＣＵ信息已經(jīng)成功發(fā)送，至此泊車位狀態(tài)發(fā)送完成。