基于物联网技术的路边停车系统的设计

中船重工第七一〇研究所 熊礼平

0 引言

随着国民收入的增加，越来越多的家庭拥有汽车，伴随而来的停车难问题日益突出。路边人工停车管理费用较高，导致路边智能停车管理的需求增加。研究人员在该方面作了大量工作，并取得不少应用成果。

石新云[1]设计了一种基于物联网ZigBee技术的智能停车管理系统，通过自组网方式构建ZigBee数据传输网络，但ZigBee传输距离较近。赵豪[2]提出将车牌识别技术应用到停车管理系统中，能免除人工登记车牌，该方案不适用路边停车管理。李超龙[3]提出基于RFID的车位感知方案，该方案感知准确率高，但目前RFID并不普及，不能大范围应用。

本文总结现有停车管理系统方案的优缺点，结合多年停车管理系统研制经验，设计了一种基于物联网技术[4]的路边停车系统。

1 LoRa

物联网无线技术包括：ZigBee、蓝牙、WiFi、2G/3G/4G。Zig-Bee是一种基于IEEE 802.15.4技术的无线网络协议，可容纳65000多个网络节点。在物联网方面广泛应用。但通信距离限制其在路边停车方面的应用。为了兼顾低功耗和长距离，出现了LoRa通信。

LoRa通信是美国Semtech公司研制的一种基于扩频技术的超远距离无线通信方式，属于数字通信的一种。与非扩频数字通信系统相比，LoRa通信进行信息传输时，发送端由扩频码发生器产生独立的扩频码序列，并对待传输的数字信号进行调制，达到展宽信号带宽目的。再将调制信号加载到射频载波中发送，实现无线传输。由于信息传输过程所占用的带宽大于所传信息必须的最小带宽，决定了LoRa通信抗干扰能力强，通信传输安全可靠。Semtech公司已推出基于LoRa的通信芯片。

2 系统的体系结构

本系统由“端点-网络-平台”三层架构组成。“端点”包括车辆检测器、手持终端和剩余车位显示屏。车辆检测器采集路边车位状态，手持终端包括用户手机和管理员终端，并安装本系统停车APP，实时获取某路段车位状态变化，车主可通过停车APP获取路段空余车位数量及位置；管理员通过停车APP实现停车服务。剩余车位显示屏实时显示该路段空车位情况，方便车主找到停车位置。

“网”包括车位状态传输的物联网以及平台与端点之间的广域网。车位状态传输的物联网采用低功耗、星型拓扑结构的LoRa传输网络；平台与端点之间的广域网采用移动网络、有线网络等。

“平台”指布设在服务器上的停车管理平台。利用相关技术存储和处理车位数据、费用支付信息，分别为停车公司和停车用户提供停车管理与停车服务。

3 系统的硬件设计

3.1 车辆检测器的硬件设计

车辆检测器电路由CPU、LoRa模块、磁采集单元、激活单元、JTAG和电源组成。

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三个磁采集器的数据。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、电压采集等功能。

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：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。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。

3.2 集中器的硬件设计

集中器接收车辆检测器以无线传输方式上传的车位状态数据，并以移动网络的方式上传至停车管理平台。集中器接收停车管理平台下发的命令数据，并最终下发指对应的车辆检测器。微处理器采用ST公司研制的STM 32F407[5],该芯片采用CorTex-M 4内核，处理时钟可达168MHz，配置6个速度到达11.25Mb/s的串口外设、17个定时器。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SX127x[6]系列LoRa收发器的方案。

SX127x接收灵敏度-148dBm，增益放大器+20dBm，最大链路预算扩充为168dB，保证长距离通信。接收电流9.9mA，200nA寄存器保持电流。内部设计信道活动检测器，适合低功耗应用。

LoRa模块与微处理器采用3线制SPI通信方式，IO口指示LoRa模块工作状态的改变。当微处理器监测到IO口电平变化后，通过SPI接口读取LoRa模块的状态寄存器，获取模块所处工作状态，在根据程序状态机判断LoRa模块完成的操作。LoRa模块与天线接口之间采用匹配电容，保证天线接口50欧姆阻抗匹配。

4 系统的软件设计

4.1 车辆检测器的软件设计

车辆检测器安装在路边划定的车位区域的中心位置，每个车位安装一个车辆检测器，负责采集车辆驶入和驶出车位的状态，并以LoRa无线方式上传至集中器；另外，车辆检测器接收集中器下发指令。

车辆检测器上电后首先完成CPU外设配置，再完成LoRa模块参数配置。配置完成后，车辆检测器发送入网请求至集中器。集中器收到入网请求后获取子节点信息，两者之间完成网络连接。为了方便用户开发LoRa产品，SemTech公司针对SX1276系列提供全套控制库函数。LoRa模块配置由SX1276Init()实现，该函数调用SX1276LoRaInit()函数完成参数更改和配置。为了实现车辆检测器低功耗的工作要求，采用定时器精准定时，每个周期内车辆检测器只有很短时间在工作，其余时间处于睡眠状态。当微处理器被唤醒后，首先检测IO口状态，根据IO口状态查询无线模块所处状态，完成后续处理。

4.2 集中器的软件设计

集中器完成本区域内所有车位状态的接收。集中器完成3个中断的响应：IO口中断、定时器中断、串口中断。IO口中断反应LoRa模块的状态变化，微处理器通过响应IO口中断并读取LoRa模块工作状态寄存器，确认LoRa模块所处状态，并根据工作状态控制LoRa模块完成指定的操作。定时器精确定时，保证系统时序。串口接收平台下发的命令数据。

4.3 平台的软件设计

软件平台负责所有车辆的管理和服务，包括对车主的车辆停车计时、费用计算，接收车主对车位的预订；对各路段显示屏的剩余车位发布；巡检员使用手持终端进行车牌录入的管理；停车系统故障报告；车辆检测器数据读取。软件平台除了负责车辆的管理和服务，还具有路段数据录入功能。包括路段的管理和车位的管理，当新增路段时，可以方便录入该路段新增车位信息。软件平台采用Visual C#开发。

5 结束语

本文实现了一种基于物联网技术的路边停车系统。端点与中间层采用LoRa方式通信，中间层与平台之间采用2G/3G/4G移动网络传输。与ZigBee物联网通信技术相比，LoRa方式通信距离更远、通信可靠性更高，在150米范围内通信，无需额外安装路由设备。具备安装便捷、成本低廉等优势。磁性车辆检测器具有检测准确性高等优点，对提高停车效率和停车场管理水平具有重大意义。

[1]石新军,李云玲.基于物联网技术的智能停车管理系统研究[J].顺德职业技术学院学报,2015 (2):9-12.

[2]赵豪,蔡延光,谢湘平.基于车牌识别技术的在智能停车管理系统研究[J].电子世界,2016 (1):150-151.

[3]李超龙.基于RFID的车位感知模型研究及智能停车管理系统的设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2015.

[4]李宇,王卫星,陈润泽.基于ZigBee的物联网智能家居系统[J].电子测试,2016(5):71-75.

[5]ST Microelectronics.STM 32F405/415,STM 32F407/417,STM 3 2F427/437 and STM 32F429/439 advanced ARM-based 32-bit MCUs Reference manual[EB/OL].http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/3d/6d/5a/66/b4/99/40/d4/DM00031020.pdf/files/DM00031020.pdf/jcr:content/translations/en.DM00031020.pdf.

[6]Semtech Corporation.SX 1278 137-525MHz Ultra Low Power Long Range Transceiver[EB/OL].(2013-9-1).https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/SX1278.