基于无线扩频技术的停车引导系统设计

(中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

随着超大型写字楼、商圈、高层住宅居民楼拔地而起，地下停车场成为大型建筑的标配。然而地下停车场找车位日益棘手，停车引导系统应运而生。停车引导系统的技术难点在于要求通信稳定可靠、车辆检测率高。随着无线通信技术的发展，布线检测方式被无线通信方式取代,并出现了基于ZigBee[1]方式的停车引导系统。但ZigBee受通信距离的限制，在室内环境下使用可靠性差。之后，以视频检测[2-3]为手段的停车引导系统被推向市场，但视频车辆检测器功耗偏大，需要布线安装，在市场推广方面受阻重重。随着无线扩频技术[4-5]的成熟，基于智能停车产品开发的公司找到了商机。本文以车辆引起的地球磁场变化为原理，针对每个车位的磁场变化，以磁阻传感器[6]为检测手段，无线扩频技术为通信手段，建立一个覆盖整个停车场的监测显示网络，设计了一套通信稳定、检测可靠的停车引导系统。

1 系统体系结构

为了实现高精度、高稳定度、低复杂度的停车引导系统，本文设计了基于无线扩频技术的停车引导系统，该系统由采集器、集中器、中央控制器和LED车位引导屏等几部分组成。系统框图如图1所示。

图1 停车引导系统结构图

采集器和集中器组成无线传感网络，网络选择星形拓扑结构。采集器通过采集车辆引起的地球磁场变化，并通过数学计算获取车位状态，通过无线传输网络与集中器进行通信。每个车位安装一个采集器。集中器相当于网关，负责车位信息收集，并通过标准IP接口将车位状态数据传至中央控制器。中央控制器负责汇总车位信息、总区域和分区域数据处理，并通过RS485将数据分发至LED显示屏；LED显示屏布放在停车场入口和停车场内的道路岔道口，负责车位信息的显示和车辆停车引导。

2 系统硬件设计

采集器与集中器的传输通过LoRa(Long Range)模块实现。LoRa模块的核心为SemTech公司生产的SX127X[7]系列芯片，LoRa是一种长距离调制技术，采用线性扩频调制方式，用于建立长距离通信链路。LoRa与频移键控[8](FSK)调制相比，在保证FSK的低功耗优势的前提下，增加通信距离。LoRaWAN(Lora Wide Area Network)是LoRa广域网络协议，采用星形网络拓扑结构，对距离和低功耗进行了优化和权衡。不同的信道或无线通信速率下的通信互不干扰，保证了同一个网络下能容纳足够的节点。

2.1 采集器硬件设计

采集器电路由CPU、LoRa模块、磁处理器、磁采集器、激活单元和电源组成，如图2所示。

图2 终端节点电路框图

本文采用磁处理器和磁采集器的设计思路，完成磁场数据的采集和信号的转换。磁采集器属于电感元件，能感知周围环境的磁场变化，一片磁处理器能同时连接并处理3个磁采集器的数据。磁处理器对采集的信号进行放大和滤波处理，并通过标准的SPI接口输出数据至CPU。

CPU采用TI公司的16位处理器MSP430F2553，CPU是采集器的主控单元，负责采集器的逻辑控制和功能实现。主要包括磁场数据读取、无线芯片控制、电压采集等。

整个模块采用锂电池供电，避免电源转换带来的功率损耗，降低系统功耗和安装成本。电路中采用了两种设计思路降低模块的功耗：① 磁处理器的电源供电通过CPU的IO口进行控制，当需要进行磁采集时，给磁处理器上电；采集结束后，通过IO口控制关闭磁处理器的电源。② 避免磁处理器一直处于工作状态，降低功耗；电路还利用磁处理器的IO口唤醒CPU，实现激活功能，较强磁场下，该单元被激活，激活状态下可以减少无线通信网络的传输数据量，降低部分模块的入网时间。现场安装时，通过外部磁场激活加快组网速度，降低检测模块的功耗。

2.2 集中器硬件设计

集中器无线接收采集器上传的车位状态数据，并整合该区域内的数据。集中器与中央控制器通过标准IP连接，当集中器接收到来自中央处理器的数据访问命令后，将整合的车位状态数据上传至中央处理器。

微处理器采用TI公司研制的MSP430F149，该芯片处理时钟可达8 MHz，配置多个串口外设和IO口。标准IP接口采用串口转网口模块实现。无线部分仍然采用微处理器控制LoRa收发器的方案。其硬件电路图如图3所示。

LoRa模块与处理器采用SPI通信方式，微处理器为主设备。RF_DIO0～RF_DIO2指示无线模块的工作状态。以接收为例，当无线模块处于接收状态，在没有接收到数据时，状态IO均为低电平；当某时刻接收到数据后，RF_DIO0变为高电平。微处理器探测到IO电平变化，监测LoRa模块所属状态，完成后续数据读取等操作。

2.3 中央控制器硬件设计

中央控制器周期性地访问集中器，集中器将车辆检测器数据传至中央控制器。中央控制器汇总、分析解算后，传输至对应的显示屏发布。中央控制器电路由CPU、网络模块、电源管理和通信模块组成。

电源管理负责整个控制器的供电保障。通信模块负责将标准TTL串口电平转换为RS485协议，CPU负责数据接收、分析处理和发布，CPU选择意法半导体公司的高性能微控制器，该控制器自带以太网外设，方便实现网络通信。中央控制器电路框图如图4所示。

3 系统软件设计

3.1 采集器软件设计

采集器负责车位信息、采集器电池电压的采集和发送，并接收集中器下发的应答、指令命令数据。程序流程如图5所示。

系统上电后首先进行参数配置，包括单片机外设的配置、LoRa无线模块参数配置。无线模块参数配置由SemTech公司提供的库函数SX1276Init()实现，该函数完成无线模块硬件电平初始化无线模块状态设置，并最终调用SX1276LoRaInit()完成参数配置。无线模块参数表由LoRaSettings结构体提供，包括通信频率、发射功率、带宽和扩频因子等关键参数。通过修改该结构体对应的参数，完成模块设置。之后进入主循环，主循环的功能是检测车位状态和无线数据收发。车位状态定时检测，通过定时器定时保证周期性检测；无线数据收发通过单片机控制，模块状态通过IO口发送给单片机。该软件有2个中断服务程序；定时器中断和IO口中断，保证精准定时和无线模块状态机正常有序运行。

图3 无线模块通信电路

图4 中央控制器电路框图

图5 采集器程序流程

3.2 集中器软件设计

集中器完成该区域内车位状态收集。等待接收无线数据时，集中器无线模块处于接收模式。正确接收到车辆检测器数据时，切换成发送状态，给对应的车辆检测器发送接收数据回令。完成回令发送后，切换为接收状态等待接收无线数据。对接收的车位状态数据，实时上传至中央控制器，经处理器解算，按照显示屏模块的协议格式转换，通过RS485串口线将数据发送至显示屏显示。

3.3 中央控制器软件设计

中央控制器周期性地发送访问集中器的指令，当集中器接收到访问指令后，将数据上传至中央控制器、中央控制器对数据进行综合、分析和解算。将结果传至对应的显示屏发布。中央处理器的软件流程如图7所示。

4 实验结果

为了验证该引导系统的检测准确性和通信稳定性，对某一地下停车场进行设备安装和测试。该停车场共有地下2层，仅对地下一层设备的测试进行说明。该层被分为4个区域，分别表示为A、B、C、D，总共有车位134个，一个入口，一个出口，引导牌10块，停车场平面图如图8所示。入口处的引导屏显示停车场内空车位的数量，进入停车场内有8块引导屏，分别指示箭头方向的空车位的数量。图9显示停车场内引导屏在某一时刻的显示结果，通过引导屏中标记的方向和数量，能够快速找到空车位停车，提高停车效率。该层共安装集中器一套，采集器与集中器最远距离超过75 m。经测试，室内条件下，基于LoRa的通信仍然稳定可靠，丢包率低，通信质量较ZigBee好。经13天测试，共收据数据847组。其中进车552组，出车295组。漏检13组，错检56组，准确率达91.8%。

图6 停车场示意图

图7 中央控制器软件流程

5 结束语

相比ZigBee通信，LoRa在通信距离上优势明显。基于无线扩频技术的车辆检测器免布线方式安装，通信稳定可靠，磁检测方式提高检测率，中央控制器能远程监控车辆检测器状态，对车辆检测器进行无线设置和查询，方便维护和使用，同时具有安装方便等优势。目前NB-loT[9]日渐成熟，无线通信必将在越来越多的停车场中得到应用。

图8 停车场示意图

图9 停车场引导显示