基于LORA技术的停车场车位显示平台设计

张雨晨 陈文钊 梁振奇 唐少虎

1. 北方工业大学城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室，北京 100144； 2. 北京城市系统工程研究中心，北京 100035

随着科学技术的迅猛发展，我国已经进入到了信息时代。物联网作为信息时代的核心代名词，已经得到了相当的重视，物联网作为物物相连的通信网络，其关键性就是单一物体间的通信与信息交互。物联网主要对无线通信技术进行了应用，随着自动化无线短距离通信技术的发展， EnOcean、Zigbee，LORA等无线通信技术已成为主流的技术应用在无线通信方面。与此同时，我国私人小汽车饱有量的日益增长，除了交通拥堵等老牌难题以外，由于停车场可以提供的停车位已经不能满足人们对停车位的需求，导致现如今往往大量的停车场都大量停车甚至超负荷停车，使得驾驶员因不必要行驶而浪费大量时间，易造成驾驶员产生焦躁情绪，从而导致许多驾驶安全问题。因此，为了使广大驾驶员拥有一个良好的停车体验以及出行满意度，对停车场的信息显示平台的构建与优化势在必行。

综合考虑到频段、无线标准、电池使用、报文长度、最大传输速率、互相干扰几率、睡眠模式电流、兼容性以及车位显示平台的实际应用环境等方面，提出了使用LORA （LongRange） ——一种快速兴起的作为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN （low-power Wide-Area Network，低功耗广域网） 模式——的通信技术。物联网以及智能交通时代的到来，越来越多的物体实现了万物互联，使用新型的LORA无线传输技术与原始单片机技术相结合应用于停车场优化管理可以达到低功耗、低成本、误差率小等目标结果。

1 LORA介绍

LORA是LPWAN （low-power Wide-Area Network，低功耗广域网） 的典型代表，LORA技术最主要的优点是在易于建设和部署低功耗广域物联网技术的同时，使用了线性调频扩频调制技术即保持了像FSK （频移键控） 调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此，在此基础上研发的集中器/网关 （Concentrator/Gateway）能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。

如表1所示，LORA技术提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统。该技术除了通讯距离远以外，该技术最具有竞争力的优势就是低功耗，大大减少充电次数，延长电池使用寿命，以及强大的抗干扰能力。LORA技术可以在负信噪比，即信号功率小于噪声功率时也可以进行无差错信号传输。

表1 关键性优势及特性

2 系统总体设计

系统总体结构如图1所示，主要包括LORA射频模块、终端车位显示平台。该系统采用LORA无线一对多的通信方式分布在停车场内，实时采集车位状态信息。车位信号发射器通过基于LORA技术的SX1278模块发送车位状态信息到终端车位显示平台，终端车位显示平台依据相关协议解析数据包，在平台上做出相应显示。该系统可实现网络简单、数据上传、抗干扰等功能，实现车位状态信息的采集并管理的功能。

图1 系统总体结构

3 系统硬件设计

该系统分为车位信息实时动态显示平台与车位信号发射器部分，选取M32F407单片机为主控MCU，在该单片机系统搭建环境与LORA技术的SX1278模块进行通信，完成数据传输。SX1278射频模块是一种高度集成低功耗半双工小功率无线数据传输模块，具有信号穿透性强、通讯距离远、抗干扰能力强、数据接收和发送稳定等特点。

3.1 车位信号发射器硬件系统设计

车位信号发射器主要部分由基于LORA技术的SX1278模块无线收发器、STM32F407微控制器、PCWL-0801激光测距模块三部分组成。以STM32F407单片机控制器为主机，无线收发模块SX1278为从机，使用模拟SPI进行通信。车位信号发射器硬件连接如图2所示，PCWL-0801激光测距模块通过RS-485接口连接STM32F407单片机，LORA技术的SX1278无线模块通过SPI通信连接STM32F407单片机，完成车位状态检测并发射状态信息。

图2 车位信号发射器硬件连接图

3.2 终端车位显示平台硬件系统设计

终端车位显示平台主要部分由基于LORA技术的SX1278模块无线收发器、STM32F407微控制器、信息显示屏三部分组成。终端车位显示平台硬件连接如图3所示，LORA技术的SX1278无线模块通过SPI通信与STM32F407单片机相连接，同时STM32F407单片机与信息显示屏相连接。SX1278无线模块接收车位信息数据包，STM32F407单片机依据相应协议进行解析，然后显示在信息显示屏。

图3 终端车位显示平台硬件连接图

4 系统软件设计

该平台选取STM32F407单片机为主控制器，STM32F4是由ST （意法半导体） 开发的一种高性能微控制器。面向需要在小至10 mm×10mm的封装内实现高集成度、高性能、嵌入式存储器和外设的医疗、工业与消费类应用。STM32F4系列微控制器还沿续了STM32产品家族的低电压和节能两大优点。低功耗模式共有4种，可将电流消耗降至两μA。从低功耗模式快速启动也同样节省电能；启动电路使用STM32内部生成的8MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒用时小于6μs。

STM32F4系列单片机也具有丰富的外围模块，该控制平台主要使用了STM32F407单片机的串口、GPIO、模拟SPI等功能，设计核心为模拟SPI通信，文章将重点介绍模拟SPI通信的实现以及车位信号发射器发送数据流程和终端车位显示平台接收并处理数据流程。

4.1 模拟SPI通信

该设备使用STM32F407单片机模拟SPI通讯发送指令包给SX1278的LORA模块，采用四线SPI通讯，分别为MOSI （主出从入） 、MISO （主入从出） 、CE （片选） 、SCK （时钟），该设备并不选用拥有SPI功能的IO口进行硬件SPI通信，而是选取普通的IO口 （输入输出通用寄存器） 进行模拟SPI传输。实现SPI通讯核心程序如下：

模拟SPI发送：

void RF_SPI_MasterIO （unsigned char outtt）

{ unsigned char i；

for （i=0；i＜8；i++） {

if （outtt & 0x80） /*检查最高位是否为高 */

RF_SDI_H； /*拉高引脚 */

else

RF_CKL_H； /*时钟拉高 */

DELAYY （1）；

outtt = （outtt ＜＜ 1）；

RF_CKL_L； /* 时钟拉低 */

DELAYY （1）；}}

模拟SPI接收：

unsigned char RF_SPI_READ_BYTE （）

{ unsigned char j；

橘子。橘子含丰富的蛋白质、钙、磷、维生素C、维生素B1、维生素B2等，有降低胆固醇吸收、降血脂、抗动脉粥样硬化的作用。

unsigned char i；

j=0；

for （i = 0；i ＜ 8；i++）

{RF_CKL_H；

DELAYY （1）；

j = （j ＜＜ 1）；

if （P10IN &BIT2 ） /* 检查P10.2引脚是否为高电平 */

j = j | 0x01； /*该位置高 */

RF_CKL_L；

DELAYY （1）；}

return j；}

4.2 车位信号发射器发送数据设计

车位信号发射器部分既要通过PCWL-0801激光测距模块获取车位状态信息，又要通过基于LORA技术的SX1278模块上传数据到车位信息显示平台。获取并上传车位信息流程图如图4所示，STM32F407单片机、SX1278无线模块、PCWL-0801激光测距模块在系统上电后进行初始化设置，PCWL-0801激光测距模块不断检测车位信息，通过RS-485通信接口传输数据到STM32F407单片机。单片机解析数据包并通过模拟SPI通信传输数据到SX1278无线模块。基于LORA技术的SX1278无线模块通过固定协议将数据发送给车位信息显示平台。最后各模块重新设定为原始模式，继续完成对车位状态信息的采集。

图4 获取并上传车位信息流程图

4.3 终端车位显示平台接收程序设计

终端车位显示平台部分既要由基于LORA技术的SX1278模块接收车位状态信息，又要由STM32F407单片机检解析数据并由信息显示屏显示。信息显示平台接收并处理数据流程图如图5所示，STM32F407单片机和SX1278无线模块上电后进行初始化配置。系统不断检测LORA模块是否接收数据完成，且对接收数据CRC校验正确，传输数据到STM32F407单片机。STM32F407单片机根据规定协议解析数据包，并完成信息显示平台的显示。

图5 信息显示平台接收并处理数据流程图

5 平台测试及分析

本文根据实际情况搭建系统测试环境，验证该车位信息显示平台的实际运行效果。选取一车辆较多、管理混乱、停车体验不佳的停车场进行试验，以验证辅助停车效果及不同时间段显示准确率。

单一车辆驶入测试，由一驾驶人驶入停车场，观看实时动态显示平台确定3号停车位为空，沿地图路线驶入该停车位，当小汽车驶入3号停车位时，试试动态显示平台停车位指示灯由绿变红；多车辆驶入测试，标号为A、B、C、D、E的5辆汽车依次驶入停车场，并选取1、2、3、4、5号停车位进行停车，驶入停车位顺序为1号、3号、5号、2号、4号，观察实时动态显示平台A灯、C灯、E灯、B灯、D灯依次由绿变红。

不同时段车位信息显示平台准确率如表2所示，试验结果表明，即使在接近满负荷的停车状态下，该停车显示平台仍然可以做到成功率接近99%，单一车辆驶入以及多车辆驶入均能达到预期结果，大大减少了不必要绕行时间，增加了驾驶人的停车满意程度。并且基于LORA技术的信号接收发送的效率远远高于其他技术，通过使用频谱仪观察波形，即使在噪声较大的时段 （包含负信噪比），车位信号发射器的数据信号也可以正确并实时的传送给信息显示平台接收器，由此看来，LORA技术应用于车位信息显示平台较其他无线通信技术具有很大的优越性。

表2 不同停车比例显示成功率 （%）

6 结语

基于LORA的实时动态显示平台是LORA技术应用于智能交通领域的良好试验，本文将LORA技术与STM32F407单片机系统相结合，完成了基于LORA的车位信息显示平台的设计，实现了对停车场的辅助管理。本文主要解决了STM32F407单片机与LORA模块的模拟SPI通信，为LORA技术应用于交通领域提供了一种思路。该系统平台达到预期效果，有效减少了驾驶员不必要绕行时间，一定程度上避免了停车场中因找寻停车位而引发的种种为题。该平台具有显示准确率高、实时性和抗干扰能力强、系统运行稳定、低功耗、低成本、施工简便的优点。同时为新兴的LORA技术提供了一个良好的范本，类似的要求低功耗、低成本、短距离的通信均可效仿该方式进行改革创新，卓有成效的推动了物联网信息时代的发展。

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