基于ZigBee与地磁传感技术的智能车位控制器设计*

翟文正

(1.常州信息职业技术学院软件学院　常州　213164)(2.常州常工电子科技股份有限公司　常州　213031)



基于ZigBee与地磁传感技术的智能车位控制器设计*

翟文正1,2

(1.常州信息职业技术学院软件学院常州213164)(2.常州常工电子科技股份有限公司常州213031)

提出一种基于ZigBee无线传感网络技术和地磁传感技术的车位控制器设计方法,并对此进行软硬件设计,实现对停车位空闲(占用)状态的检测,数据到云平台的实时上传及控制中心对车位锁的开闭控制。实验结果表明,智能车位控制器能够自动检测停车位中有无车辆,并能准确控制车位锁的开闭。设计具有新颖简洁,高效实用的特点。

ZigBee; 地磁; 车位锁; 智能停车诱导

Class NumberTP277

1　引言

停车诱导系统作为智能交通(Intelligent Transport System,ITS)的核心组成部分,能实时提供城市停车信息,提高停车设施泊位利用率,解决城市停车难问题,成为近年国内外研究的热点和难点[1～2]。

车位数据采集作为停车诱导必不可少的组成环节,有着至关重要的作用。随着当前云计算、物联网技术的迅猛发展,再加上无线传感网对智能停车的诸多优势[3～5],设计开发满足需要的ITS成为现实。本文设计开发了基于ZigBee与地磁传感技术的智能车位控制器。

2　车位控制器设计

车位管理系统的硬件由基于地磁传感器的无线数据采集节点、数据中继节点、数据集中器及控制中心组成。数据采集终端实时采集停车位地磁场的信号,并通过ZigBee无线局域网发送给集中器,集中器进行信息处理之后通过GPRS无线网络将信息上发到云平台服务器,管理中心再通过Internet将信息发布,实现实时车位信息管理及更新。

如图1所示车位控制器结构框图,车位控制器的主要功能是对停车位的状态信息检测和采集,并通过无线传感网络传输到停车诱导系统云平台数据库服务器,控制中心判断处理后,下达指令给车位控制器,进而对车位锁升降动作,以便车辆的停泊及驶离。

图1　车位控制器结构框图

3　系统硬件电路设计

在功能上,车位控制器可划分为微控制器功能模块、地磁感应传感模块、无线通信功能模块、车位锁电机驱动及保护模块、声光指示模块和电源模块,其硬件结构如图2所示。

图2　车位控制器硬件结构图

微控制器功能模块和无线通信功能模块是基于CC2530实现的,内嵌高性能和低功耗的51处理器核,集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz频段RF无线电收发模块,具有接收灵敏度高,抗干扰性强,低功耗,安全性高等特性。在系统中负责车位状态监测与处理,数据收发、节点控制等核心功能,是车位控制器的功能控制中枢。声光指示模块内嵌于车位锁,用以提示车位锁升降或受到撞压时的状态。

考虑到控制器的性能和稳定,采用DC-DC芯片将电机电源的MCU电源分离,分别提供12V和3.3V输入电压。

3.1地磁传感器模块电路设计

车辆通过会对所在周围的地磁场产生扰动,磁阻传感器就是通过检测车辆对地球磁场产生的这个扰动来探测车辆存在情况,从而判断车辆的通过或泊位的情况[6]。Honeywell公司的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器,本设计选用HMC5883L低功耗地磁传感器与ZigBee终端CC2530通过IIC通信。HMC5883L包括高分辨率HMC118磁阻传感器、偏差校准,使罗盘精度控制在1～2度的12位模数转换器。

如图3所示的HMC5883L接口电路,由于CC2530无IIC接口,系统设计采用软件模拟的方法来实现,P0.5当作模拟IIC的时钟输入,P0.6当作模拟IIC的数据线,分别接有10kΩ的上拉电阻,2个电容值为0.22uF的陶瓷电容。

图3　HMC5883L接口电路

图4　电机驱动电路

3.2电机驱动电路设计

为考虑电池效率,应最大限度降低功率损耗,采用直流电机,驱动模块采用L298,并采用PWM对电机控制,避免电流冲击及车辆和人员伤害。

如图4所示的电机驱动电路,驱动电路的SENSA为启动和关闭A、B两相的控制端,连接控制器的一个通用 I/O 口,通过设置IN1和IN2,确定电机的转动方向,并对使能端输出PWM脉冲,即可实现调速。采用四个续流二极管 IN4001,保护步进电机不被感应电压烧坏。

4　车位控制器软件设计

ZigBee无线传感网络是基于IEEE802.15.4标准的ZigBee2006协议栈,可在CC2530芯片上实现ZigBee无线传感网络的构建[7～8]。如图5所示的车位控制器软件设计框图,软件设计主要由地磁车位信息采集、无线数据通信和车位锁电机控制三个模块组成。

图5　车位控制器软件设计框图

在基于ZigBee协议Z-Stack的应用开发中,操作系统抽象层(Operating System Abstraction Layer,OSAL)是以实现多任务为核心的系统资源管理机制,用户只需实现应用程序框架即可。OSAL根据任务的优先级先后次序通过系统调用OSAL_add_task添加任务到任务链表中,实现对多任务的管理。

采集电路接收来自地磁传感器的车位信息量进行采集,并通过单片机GPIO端口将数据以数字信号的模式传递给CC2530,CC2530芯片内部所嵌入的AD转换器转换为模拟信号,通过芯片RF_N和RF_P端口连接天线,进行数据的无线传输。

车位探测终端的主要软件设计流程如图5所示。系统复位时车位锁节点先进行硬件初始化,扫描所有可用信道以查找协调器,并建立与协调器的连接。当有车辆进出车位时,系统控制终端通过协调器向车位锁节点发送命令,控制车位锁的启动或关闭使机械装置升降,以便实现车辆的停车及驶出。主程序大部分是调用相应的子程序来实现车位状态数据的采集和通信功能,是整个停车位控制器的设计主线。

图6　车位控制器程序流程图

当停车位附近有车辆等铁磁性物体经过时将对磁场强度造成干扰,从而引起停车位信息釆集模块的误判。因此需要一种车辆停车判断算法使该模块正常工作。文献[9]提出一种单中间状态的状态机检测算法,通过设定最大Vmax、最小阈值Vmin作为状态机的判定基准,然后将一组时间序列上不同的地磁强度作为状态机的输入,以避免车辆停入的误判。

5　系统实验与结果分析

接收信号强度(Receive Signal Strength Indicator,RSSI)用于判定链路质量,丢包率反映ZigBee组网通信的性能。系统测试进行了RSSI和丢包率的数据采集与分析,实验目的是评述系统工作性能与实践应用性能。

5.1接收信号强度

根据信号传播理论模型,建立信号衰减和传播距离间的关系[10]。

(1)

其中n为路径损耗指数,d为发射节点与接受节点间的距离,Xσ为均值为σ的高斯分布,一般σ=0。d0为参考距离,P0则为在参考距离d0下接收的信号强度值。

在实际提供RSSI测量的芯片中,采用简化模型表示发射功率和接收功率的关系：

PR=A-10×nlgd

(2)式中PR为无线信号的接收功率,单位dBm;A为信号传输1m远时接收信号的功率,常数A和n的数值决定了接收信号强度和信号传输距离的关系。CC2530基于IEEE 802.15.4协议,其简化的信道模型：

(3)

实验采用Smart RF Studio软件进行测试,利用车位控制器和区域网关两个结点互相发送30Byte数据包,0X08通道作为通信信道,并保持传输功率为1dBm,监测到如表1所示的RSSI值。

表1　节点接收敏感度

可以看出：RSSI均介于-90dBm和-100dBm,满足正常通信标准;同时观察到信号强弱与可测定信号点与接收点间距离的关系,当两个网络结点间距离小于60m时,所有发送数据包均被成功接收,当距离超过90m时,丢包率增加并影响正常的数据传输。

实验结果表明,ZigBee协调器与终端的传输有效范围为10～100m,通过路由与节点之间通信的接力,传输距离与组网范围可以拓展。

5.2网络延时

以四个车位采集结点,两个路由结点和一个网关节点组网测试数据延迟率,设定采集节点和网关节点相互周期性发送长度为93字节的数据包,节点间距不超过5m,任意两个采集结点分别以10ms、 20ms、60ms为周期同时发送数据包到网关,观测到如表2所示的网络数据传输效率。

表2　网络数据传输效率

因为节点数据处理过程的延迟(发送节点协议栈延迟约550us,接收节点协议栈延迟约600us)及接收缓存尺寸限制,ZigBee结点发送数据周期应高于60ms,以降低丢包率,并确保数据传输的效率和可靠性。

基于车位控制器节点搭建的ZigBee自组织网络可以实现城市停车诱导系统中区域性ZigBee网络,满足中小规模车位信息采集。

6　结语

系统以ZigBee无线射频处理器CC2530为核心构建车位锁控制器节点硬件平台,完成ZigBee无线射频单元、车位锁控制单元和地磁传感器单元软硬件设计,实现了对停车位空闲或占用状态的检测。实验结果表明,智能车位控制器能够自动检测停车位中有无车辆,并能准确控制车位锁的开闭,为路面停车诱导系统的的设计和实现奠定了基础。

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Design of Intelligent Parking Space Controller Based on ZigBee and Geomagnetic Sensor Technology

ZHAI Wenzheng

(1. Software School,Changzhou College of Information Technology, Changzhou213164) (2. Changzhou Changgong Electronic Technology Co. Ltd, Changzhou213031)

A parking space controller is proposed. By geomagnetic sensor and wireless sensor network technology,the controller can detect the parking space free or occupied and real-time upload the data to intelligent parking guidance cloud platform system, at the same time to accept the command of parking lock open and closed from control center. The experimental results show that the intelligent parking controller can automatically detect whether there is vehicle in the parking space,and can accurately control the opening and closing of the parking space lock.

ZigBee, geomagnetic, parking space lock, intelligent parking guidance

2016年4月10日,

2016年5月27日

江苏高校品牌专业建设工程项目(编号：PPZY2015A090)资助。

翟文正,男,博士后,讲师,研究方向:无线传感器网络、计算机控制。

TP277

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.045