一种停车场无线车位检测器设计与实现*

李鹏宇，龙沪强

（1.上海交通大学，上海 200240;2.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050）

0 引言

中国进入汽车时代后，大型停车场相继出现，对于停车场内的车位的精细诱导需求日益明显，因此，出现了很多实时车位监控方案，其中，通过地磁检测、无线传感器网络协作感知、实时车位采集系统的优势日益明显。无线传感器网络有布设灵活、低功耗、反应灵敏等特点，相比传统的超声波定位功耗大、布设繁琐、虚报误报有很大的优势。本文基于无线传感器网络技术提出了一种在线实时车位检测的解决方案和系统实现技术，并成功应用于商业停车场。

1 系统总体概述

图1所示的车位检测系统由4部分构成:1）安装在停车场车位上的车位检测器和安装于天花板的路由节点构成的自组织［1，2］无线传感器网络;2）由无线射频模块和工控机组成的停车场网关服务器;3）由PC机组成的停车场管理终端，用于管理停车场的车位使用情况和监控设备运行状态;4）安装在停车场天花板下的LED显示屏，用于显示停车场剩余车位的显示情况。数据传输采用主动方式，传感网采集车位占用与否数据无线发送给停车场网关服务器，网关服务器把车位占用情况存入嵌入式数据库，停车场管理终端通过以太网访问嵌入式数据库，完成车位信息的更新，同时网关服务器会把车位变化数据通过以太网传送给各个LED显示屏。

图1 停车场车位检测系统Fig 1 Diagram of parking lot detecting system

2 车位检测器硬件设计

如图2所示，车位检测器由微处理器、射频模块、电源模块、传感器模块构成。微处理器定时查询传感器模块状态，如果传感器检测值超出门限，即打开射频模块发射传感器数值到传感网中。电源模块负责提供一个稳定的电压给微处理器和射频模块，在适当的时候关闭一些模块，使整个系统进入低功耗状态。

图2 车位检测器硬件结构Fig 2 Hardware architecture diagram of parking lot detector

2.1 射频模块

射频模块负责检测器节点的数据收发，本设计采用的是ADI公司的无线射频收发器ADF7020—1。现在比较流行的是ISM 2.45 GHz频段的无线收发器，但本检测器贴地面安装，而且，汽车停在检测器上面会对无线信号产生遮挡，另外，停车场内多混凝土墙壁和柱子，使信号的反射和折射噪声干扰很大，必须选用绕射能力强和穿透距离远的方案，2.45 GHz在穿透能力和传输距离方面都不如1 GHz频率以下的收发器，ADI公司的ADF7020—1相比同类型芯片，发射功率更大，灵敏度更高，非常适合这种应用。ADF7020—1适用于 315，433，470，615 MHz ISM 频段。对于频率选择，315 MHz多用于智能家居、无线遥控钥匙等应用;433 MHz多用于汽车的无钥系统，这2个频段都不适合作为车位检测器的频段，因此，最后选择470 MHz频段。芯片电压范围为2.3～3.6 V，可编程输出功率为 －20～63dBm，1kbps FSK 调制接收灵敏度［3］为 －119 dBm，接收模式电流为17.6 mA，发射模式10 dBm输出功率电流为21 mA，器件关断电流小于1 μA。考虑到传输的可靠性和低功耗设计，采用FSK［3］调制，470 MHz，数据率为9600 bps，发射功率为13 dBm。

2.2 处理器模块

处理器采用TI公司的MSP430F5X系列的低功耗单片机，因为本产品采用电池供电，要求系统的平均电流要低才能延长产品的使用寿命，TI公司的MSP430系列单片机待机电流只有几个μA，本检测器采用10Ah的电池，设计寿命要大于5年。

2.3 传感器模块

磁传感器采用PNI 11096，PNI11096是可以用来检测X，Y，Z3个方向磁场变化的传感器，本设计只使用Z轴方向的磁敏，因为汽车停在检测器的正上方，Z轴反应最灵敏，而X，Y轴相对反应变化不大。磁传感器芯片和单片机之间用I2C串口通信，使用非常方便，pin11096_SSNOT是芯片使能脚，pin11096RESET可以初始化芯片，其他PNIMOSI，PNIMISO，PNISCLK为三线 SPI，电路图如图3。

图3 磁传感器硬件设计图Fig 3 Hardware design diagram of magneto dependent sensor

2.4 电源模块

电源模块采用TI公司的低压差线形稳压器TPS77228.LDO稳定输出在2.8 V，关断电流为1 μA，最低输出电压在25℃时130 mV电流可以达到150 mA，选用4.5 V电压电池，单片机可以工作在1.8 V。

3 天线设计

3.1 天线的选择

由于系统采用470 MHz的频段传输，电磁波的波长可以达到63.8 cm，这样半波振子天线和微带贴片天线都不适合这种应用，比较常见的选择是螺旋天线，由于直径D的大小螺旋天线分成2种，D/λ＜0.18时，螺旋天线为慢波结构，为法向螺旋天线［4］，当D/λ为 0.5～0.46 时，天线的最大辐射方向沿螺旋轴方向的圆极化天线，称为轴螺旋天线。由于检测器的体积很小，直径只有15 cm，因此，不可能选用直径很大的轴向螺旋天线，法向螺旋天线是最好的选择。

3.2 仿真设计［5］

仿真软件使用美国Ansoft公司的HFSS软件，HFSS是基于电磁场有限元方法（FEM）分析微波工程问题的三维电磁仿真软件。HFSS具有仿真精度高、可靠快捷的仿真速度，方便易用的操作界面和稳定成熟的自适应网络剖分技术等特点，非常适合微波设计。

设计的螺旋天线参数:螺旋直径D=1.54mm，螺距s=1.65 mm，螺旋导线直径d=0.31 mm，螺旋匝数N=13，金属底盘直径为80 mm，螺旋材质选择为不锈钢（steel stainless），估算中心频率为470MHz，扫频范围为200～600MHz。

3.3 仿真结果

由图4可以看出:该天线的方向图满足预先设计的要求，增益在±60°时大于0，最大增益达到2.19 dB。

图4 螺旋天线远场方向图Fig 4 Plot far-field patterns of helical antenna

4 在停车场的应用案例

目前，本系统已经完成了在上海商用停车场第一期安装和试运行，运行期间工作性能良好，传感器检测节点安装于车位上方，节点装置照片如图5所示。

5 结论

图5 节点安装实物图Fig 5 Entity image of nodes installation

本文提出了一种采用无线射频技术实现车位检测器的方法，完成了传感器电路和射频电路的设计，并对天线进行了仿真设计，使车位检测器的无线通信能力达到最优，实现了通过无线传感器网络设备替代传统有线设备，使得停车场车位检测器达到灵活布设、自组网、节约能源等目标。

［1］Sun Limin.Wireless sensor networks［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2005:108 －120.

［2］Karl H，Willig A.Protocols and architectures for wireless sensor networks［M］.Chichester，West Sussex，England:John Wiley ＆Sons Press，2005:289 －329.

［3］陈邦媛.射频通信电路［M］.北京:科学出版社，2006:93－133.

［4］Kraus J D，Marhefka R J.Antennas:For all applications［M］.3rd ed.北京:电子工业出版社，2006:196 －237.

［5］谢拥军，刘 莹.HFSS原理与工程应用［M］.北京:科学出版社，2009:190－200.