采用NB-IOT通信技術(shù)的泊車位傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案

目前，國內(nèi)外主要采用感應(yīng)線圈、視頻分析、紅外感應(yīng)和無線地磁感應(yīng)等停車位檢測技術(shù)。有學(xué)者提出采用４３３Ｍ無線通信技術(shù)進(jìn)行車位數(shù)據(jù)的傳輸，并通過４Ｇ 通信將停車場各車位的信息上報網(wǎng)絡(luò)平臺，該方案的局 限在于增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度以及限制了下掛數(shù)量。也有國外學(xué)者提出利用智能手機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)停車位管理的方案，通過手機(jī)自帶的傳感器判斷車輛在停車場內(nèi)的行駛狀態(tài)，利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合停車場分布的WI-FI信號對車輛停放的具體車位進(jìn)行定位，在網(wǎng)絡(luò)平臺上進(jìn)行統(tǒng)一管理和計費(fèi)，該方案由于定位精度低，對停放車輛的間距要求大，不利于實(shí)際應(yīng)用。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，筆者設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種采用 NB-IOT 無線通信技術(shù)和三軸磁力檢測技術(shù)的泊車位傳感節(jié)點(diǎn)，該泊車位傳感節(jié)點(diǎn)具有架設(shè)方便、下掛數(shù)量大和檢測靈敏等特點(diǎn)。

１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泊車位檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖１所示，該系統(tǒng)總體分為感知層、通信傳輸層和應(yīng)用層。感知層：在各車位上部署了采用 NB-IOT 通信技術(shù)的泊車位傳感器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集車位當(dāng)前的磁場數(shù)據(jù)，通過分析磁場數(shù)據(jù)得到當(dāng)前車位的狀態(tài)，并將車位狀態(tài)信息通過 NB-IOT 模組，發(fā)送到 NB-IOT 基站；通信傳輸層：主要承擔(dān) NB-IOT 節(jié)點(diǎn)的鏈路分配以及車位管理數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)，并提供相應(yīng)服務(wù)的接口供泊車位管理系統(tǒng)調(diào)用；應(yīng)用層：基于 Ｂ／Ｓ架構(gòu)的泊車位管理系統(tǒng)服務(wù)器部署于云端，通過 NB-IOT平臺提供的接口與各車位傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，用戶可以通過手機(jī)、ＰＣ機(jī)等終端設(shè)備查看和管理車位的實(shí)時狀態(tài)。

圖１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

WSN 環(huán)境下泊車位傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計，通信方式上采用 NB-IOT 通信技術(shù)，中文名窄帶物聯(lián)網(wǎng)，NB-IOT 通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)，具有覆蓋能力強(qiáng)、超低功耗、部署成本低廉、下掛數(shù)量大、無需額外架設(shè)網(wǎng)關(guān)或集中器等特點(diǎn)，檢測方式上采用基于 ＭＥＭＳ封裝技術(shù)的三軸磁力傳感器，該傳感器功耗低，檢測靈敏，不易受到天氣、空氣濕度等環(huán)境因素的影響，具有體積小巧、部署方便的特點(diǎn)，可以有效避免自行車、電動車等非機(jī)動車輛及行人的干擾。

２車位檢測原理

地球磁場是一個平均強(qiáng)度較為恒定的弱磁場， 在沒有施加外部磁場的情況下，地球磁場的數(shù)值會在某一個數(shù)值上下緩慢地變化。當(dāng)有鐵磁性的物體進(jìn)入磁場的時候，由于磁性物體的作用，物體周圍的地磁場會發(fā)生一定的擾動。而車輛是具有大量金 屬的鐵磁物體，測試結(jié)果驗(yàn)證：汽車的發(fā)動機(jī)部位、前軸部分和后軸部分的金屬密度最大，能夠引起的 磁場擾動也最為顯著。

本設(shè)計采用基于AMR檢測技術(shù)的三軸磁力傳感器，在芯片的內(nèi)部各個軸向封裝了對磁場變化十分敏感的由鐵鎳合金組成的電橋電路，可以同時檢測 Ｘ，Ｙ，Ｚ 軸方向上的磁場變化。若車位傳感器放置于車輛的下方，并以 Ｚ 軸朝上，一旦有車輛駛?cè)胲囄?，?軸朝向上的磁場變化最為明顯，因此可主要考察Ｚ 軸磁場數(shù)據(jù)的變化，并以其他軸向磁場變化作為輔助來判斷當(dāng)前車位的狀態(tài)。

圖２（ａ）顯示車輛駛?cè)胲囄粫r引起傳感器上方Ｚ軸磁場變化的測試曲線，圖２（ｂ）顯示車輛駛離車位時引起傳感器上方 Ｚ 軸磁場變化的測試曲線。由測試結(jié)果可知：車輛駛?cè)牒碗x開停車位的過程中，Ｚ軸的變化是一個較為規(guī)律且近似可逆的動態(tài)過程。

圖２ 車輛動作引起的磁場擾動測試結(jié)果

３ 車位傳感器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計

車位傳感器節(jié)點(diǎn)主要由微控制器（ＭＣＵ）、三軸磁力傳感芯片、存儲芯片、NB-IOT 模組、ＮＢ－ＳＩＭ 卡、外置 ＰＣＢ天線以及鋰電池七部分組成。三軸磁力傳感器芯片作為傳感器節(jié)點(diǎn)的感知部分，負(fù)責(zé)車位磁場檢測，并通過內(nèi)置的 Ａ／Ｄ 轉(zhuǎn)換模塊將磁阻電路感應(yīng)到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過ＳＰＩ接口與 ＭＣＵ 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時三軸磁力傳感器芯片可以通過中斷輸出引腳 及ＤＲＤＹ 引腳來喚醒 ＭＣＵ，提醒 ＭＣＵ 有新的磁場數(shù) 據(jù)生成或磁場變化超出設(shè)定的閾值。ＭＣＵ 電路是整個傳感器節(jié)點(diǎn)的中心部分，主要負(fù)責(zé)進(jìn)一步處理由ＳＰＩ接口發(fā)送過來的三軸磁場數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)判斷所 在車位的車輛占用情況以及傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗配置， 同時 ＭＣＵ 通過 ＵＳＡＲＴ 串口與 NB-IOT 通信模組通信，發(fā)送相應(yīng)的 ＡＴ 指令控制泊車位數(shù)據(jù)的無線收發(fā)以及 NB-IOT 模組的喚醒。NB-IOT 模組、ＮＢ－ＳＭ 卡以及外置ＰＣＢ 天線，作為車位傳感器節(jié)點(diǎn)的通信傳輸部分，主要負(fù)責(zé)車位傳感器節(jié)點(diǎn)與泊車位管理系統(tǒng)之間的通信、泊車位狀態(tài)信息的發(fā)送以及管理系統(tǒng)下發(fā)命令的接收，ＮＢ－ＳＭ 卡為 NB-IOT 模組提供相應(yīng)的 ＮＢ數(shù)據(jù)流量套餐，為了保證信號接收的強(qiáng)度，選用外置ＰＣＢ天線，通過天線良好的信號增益和方向性來保證泊車位傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定收發(fā)。鋰電池電源保障傳感器節(jié)點(diǎn)長時間續(xù)航。傳感器總體結(jié)構(gòu)框架如圖３所示。

圖３ 車位傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖

３。１ 三軸磁力傳感器電路

三軸磁力傳感芯片選用ＳＴ 公司近年推出的采用 ＬＧＡ－２０封裝的高性能超低功耗系列新型獨(dú)立式微型傳感器 ＬＩＳ３ＭＤＬ，原理如圖４ 所示。傳感器可測量３ 個軸６ 個方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，數(shù)據(jù)輸出長度為１６ 位，根據(jù)不同的測量需求，測量范圍可在±４，±８，±１２，±１６Ｇｓ等４ 個檔位中選擇，支持 Ｉ２Ｃ 和 ＳＰＩ兩種通訊方式。經(jīng)過實(shí)際測試，測得當(dāng)配置傳感器 ＯＤＲ 為０．６２５ Ｈｚ，且在超低功耗連續(xù)檢測模式下運(yùn)行時，工作電流僅５μＡ，滿足車位傳感節(jié)點(diǎn)超長續(xù)航的工作需求。

圖４ 三軸磁力傳感器電路圖

磁力傳感器通過周期性測量停車位區(qū)域地磁場的變化來感知鐵磁物體的存在，當(dāng)車輛在地磁傳感器附近出現(xiàn)時，磁力傳感器模塊檢測停車位地磁場變化并進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并將這些數(shù)據(jù)通過 ＳＰＩ接口發(fā)送給 ＭＣＵ 進(jìn)行處理分析。

３。２ NB-IOT 模組電路

NB-IOT 模組選用 ＮＢ０５－０１ 模組，內(nèi)嵌全球領(lǐng)先的窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線通信模塊，其原理如圖５所示。采用半雙工ＦＤＤ 通訊方式，工作頻段為８５０ ＭＨｚ，模塊符合３ＧＰＰ 標(biāo)準(zhǔn)中的頻段要求，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在 ＰＳＭ 模式下運(yùn)行電流僅５μＡ。

圖５ NB-IOT 模組電路圖

３。３ ＮＢ－ＳＩＭ 卡座電路

ＮＢ 卡使用的是中國電信提供的１０６４９ ＮＢ 專用卡，目前主要有插卡和貼片卡兩種形式，本設(shè)計采用的是 Ｍｉｃｒｏ卡座插卡的形式，其原理如圖６所示。

圖６ ＮＢ－ＳＩＭ 卡電路圖

為保證 ＮＢ 卡與 NB-IOT 模組的穩(wěn)定運(yùn)行，在卡的各個引腳添加 ＥＳＤ 防靜電保護(hù)，ＥＳＤ 采用 ＣＭ１２１３系列的 ＴＶＳ管集成芯片，以增強(qiáng)所設(shè)計的傳感節(jié)點(diǎn)通信部分的抗干擾能力。

３。４ ＭＣＵ 電路

ＭＣＵ 部分選用 ＳＴ 公司推出的的超低功耗系列單片機(jī) ＳＴＭ３２Ｌ１５１Ｃ８Ｔ６，該 ＭＣＵ 基于 ３２ 位 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３內(nèi)核，低功耗工作模式下電流僅１１μＡ，在低功耗睡眠模式下功耗可低至４．６μＡ，可勝任車位傳感器所需的低功耗設(shè)計。ＭＣＵ 部分電路圖如圖７所示，該部分主要負(fù)責(zé)地磁傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理及分析，并結(jié)合獲取的地磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行車位狀態(tài)判斷、控制 NB-IOT 模組進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)監(jiān)測及預(yù)警等。

圖７ ＭＣＵ 電路圖

３。５ 射頻天線（ＲＦ）電路

天線部分是決定傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信效果的關(guān)鍵一環(huán)，所設(shè)計的 ＲＦ走線應(yīng)滿足５０ Ω 阻抗匹配，印刷線路板（ＰＣＢ）走線阻抗因素主要與銅厚、布線寬度、布線間距以及ＰＣＢ 使用的板材有關(guān)，即

式中：εｒ 為ＰＣＢ板材的介電常數(shù)；ｔ為ＰＣＢ走線銅的厚度；ｈ為微帶線的介質(zhì)厚度；Ｗ 為ＰＣＢ走線的寬度。由 式（１）可見：ＰＣＢ走線的阻抗Ｚ 與板材介質(zhì)厚度成正比，與εｒ，Ｗ 和ｔ成反比。因此，在模組進(jìn)行ＰＣＢ設(shè)計時也需根據(jù)ＰＣＢ加工廠商的工藝進(jìn)行設(shè)計調(diào)整，使天線各部分走線滿足５０Ω 阻抗匹配。結(jié)合ＰＣＢ廠家的工藝標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計出的 ＲＦ 走線經(jīng)仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示設(shè)計能較好滿足阻抗匹配的要求，如圖８所示。

圖８ 阻抗匹配仿真計算圖

３。６ 電源電路

ＤＣ－ＤＣ 穩(wěn)壓芯片采用 ＳＰＸ３８１９－３．３ 低功耗電源芯片，其原理如圖９ 所示，為 NB-IOT 模組提供穩(wěn)定的３．３Ｖ 電壓，最大輸出電流可達(dá)５００ ｍＡ，滿足 NB-IOT 模組天線開啟時所需的瞬時功耗，靜態(tài)電流１μＡ，符合車位傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計需求，在輸出端并聯(lián)１００μＦ 大電容，以防止天線開啟時工作電流瞬時增大引起的電壓跌落，供電引腳端口采用１０μＦ，０．１μＦ，１ｎＦ，１００ｐＦ 的組合形式以濾過高頻信號干擾。

圖９ 電源電路圖

３。７ 鋰電池充電電路

筆者設(shè)計的車位傳感節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，電路 中預(yù)留了鋰電池充電電路，以滿足鋰電池充電需求， 如圖１０所示。鋰電池充電管理芯片選用 ＴＰ５１００，內(nèi)置功率 ＭＯＳ管，工作電流可通過編程控制在０．１～２ Ａ，自帶過流過壓保護(hù)，耐用性強(qiáng)且使用方便。鋰電池采用的是電壓３．７Ｖ，總?cè)萘浚保埃玻埃埃恚粒璧牟⒙?lián)式鋰電池組，當(dāng)泊車位沒有車輛進(jìn)出的情況下，傳感器長期處于低功耗運(yùn)行模式，ＭＣＵ 進(jìn)入啟用 ＲＴＣ喚醒的 Ｓｔｏｐ 模式，功耗約為１．６μＡ。三軸磁傳感器在 ＯＤＲ 為５ Ｈｚ的低功耗檢測模式下工作，功耗約為１５μＡ。NB-IOT 模組進(jìn)入 ＰＳＭ 模式，功耗約為５μＡ。節(jié)點(diǎn)中其他模塊如存儲芯片在掉電模式下的功耗極低僅１μＡ，傳感器節(jié)點(diǎn)在低功耗模式下總功耗約２５μＡ，鋰電池組的最大放電量約為標(biāo)量的７０％，因此，在沒有車輛進(jìn)出的理想條件下，可以估算出鋰電池理論上最長可以為傳感器節(jié)點(diǎn)提供２８５６００ｈ即３３ 年的續(xù)航時間。

圖１０ 鋰電池充電電路圖

４ 軟件設(shè)計

軟件主程序流程如圖１１所示，上電時首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，完成對 NB-IOT 模組、三軸磁力傳感器、ＭＣＵ 及各項網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置，NB-IOT 模組的注網(wǎng)過程包括通過相應(yīng)的 ＡＴ 指令對 ＮＢ－ＳＩＭ 卡的有效性、模組頻段、網(wǎng)絡(luò)激活狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)、信號質(zhì)量和連接狀態(tài)等環(huán)節(jié)進(jìn)行查詢驗(yàn)證，以 確保NB-IOT 數(shù)據(jù)能夠正常接收和發(fā)送，待 NB-IOT 模組成功注網(wǎng)后，進(jìn)入泊車位檢測流程，ＭＣＵ 對磁力傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，若車位狀態(tài)發(fā)生了改變，將車位狀態(tài)信息發(fā)送到平臺，并進(jìn)入低功耗模式，若車位狀態(tài)未發(fā)生改變，則直接進(jìn)入低功耗模 式，當(dāng)發(fā) 生定時中斷或傳感器發(fā)出外部中斷時， ＭＣＵ 喚醒并重新進(jìn)入泊車位檢測流程，如此往復(fù)循環(huán)。

圖１１ 主程序流程圖

泊車位檢測總體流程如圖１２所示，主要包含以下幾個環(huán)節(jié)：數(shù)據(jù)采集，主要負(fù)責(zé)對磁場進(jìn)行實(shí)時數(shù) 據(jù)采集；數(shù)據(jù)濾波，對采集來的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾， 濾除干擾信號以及毛刺；分析判斷，獲取到濾處理后 的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析判斷車位的狀態(tài)并輸出；基準(zhǔn)線更新，基準(zhǔn)線是傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行車位檢測判斷的重要依據(jù)，磁場受到溫度等環(huán)境因素的影響會產(chǎn)生微弱的變化，因此在車位空閑的情況下， 對三軸基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期的更新，有利于保證車位檢測的準(zhǔn)確性。

圖１２ 泊車位檢測總流程圖

本設(shè)計所用濾波算法采用中值率波與均值濾波結(jié)合的方式進(jìn)行處理。中值濾波算法的公式為

Ｙ（ｉ）＝Ｍｅｄ［ｘ（ｉ－ｎ），…，ｘ（ｉ），…，ｘ（ｉ＋ｎ）］ｎ∈Ｎ （２）

將采樣到的一組數(shù)據(jù)由大到小進(jìn)行排列，將中間的值作為采樣的數(shù)值。均值濾波算法為

將獲得的一組數(shù)據(jù)取平均值作為采樣的結(jié)果， 這兩種方法結(jié)合可以有效濾除所獲取數(shù)據(jù)的毛刺等干擾。

傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)生中斷喚醒后開始分析判斷車位狀態(tài)，首先 ＭＣＵ 處于低功耗待機(jī)模式，傳感器在低功耗連續(xù)檢測狀態(tài)下工作，每秒檢測５ 次磁場，當(dāng)傳感器檢測到Ｚ軸數(shù)值大于設(shè)定好的閾值時，傳感器產(chǎn)生中斷喚醒 ＭＣＵ，具體的中斷處理流程如圖１３所示。

圖１３ 車位狀態(tài)判斷流程圖

ＭＣＵ 喚醒后通過濾波獲取并處理數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前車位是否空閑分兩種方向進(jìn)行車位的判斷，主要的判斷依據(jù)是將車位在空閑狀態(tài)下獲得的磁場基準(zhǔn)線與采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較：若車位當(dāng)前空閑，就判斷車位是否是車輛駛?cè)胲囄?，若采集到的?shù)據(jù)并沒有滿足車輛駛?cè)胲囄坏呐袛鄺l件，則認(rèn)為引起中斷的為干擾事件，傳感器節(jié)點(diǎn)重新回到低功耗待機(jī)狀態(tài)，等待車輛駛?cè)?；若車位已?jīng)有車停，則判斷車輛是否離開車位，當(dāng)引起中斷的數(shù)據(jù)沒有滿足車輛離開的判斷條件時，則認(rèn)為該中斷源為干擾，傳感器節(jié) 點(diǎn)重新回到低功耗檢測狀態(tài)，等待下一次中斷產(chǎn)生。

本研究實(shí)現(xiàn)的車位傳感器節(jié)點(diǎn)將選用的 ＮＢ－ ＩｏＴ 模組配置在支持 ＡＴ 指令的 ＣｏＡＰ 通信模式下，在該工作模式下 NB-IOT 模組可以與支持ＣｏＡＰ通信協(xié)議的 NB-IOT 平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并且 ＭＣＵ可以通過 ＵＳＡＲＴ 串口靈活地發(fā)送豐富的 ＡＴ 指令對 NB-IOT 模組進(jìn)行操作。

NB-IOT 模組實(shí)時發(fā)送泊車位狀態(tài)的前提是 NB-IOT 模組已經(jīng)成功注網(wǎng)，以３號泊車位上傳車位有車輛駛?cè)氲臓顟B(tài)信息為例，要上傳的格式為長度７ 字節(jié)的１６ 進(jìn)制數(shù)據(jù)，內(nèi)容為０３０１０２０００１ＦＣ０１，其中第１字節(jié)為泊車位地址，第２字節(jié)為功能碼，代表上傳的是泊車位狀態(tài)，第３ 字節(jié)表示數(shù)據(jù)的字節(jié)長度，第４，５字節(jié)為泊車位狀態(tài)信息，最后兩個字節(jié)為 ＣＲＣ１６校驗(yàn) 碼。NB-IOT 模組發(fā)送泊車位狀態(tài)的 ＡＴ 指令流程如圖１４所示。

圖１４ 泊車位狀態(tài)信息發(fā)送流程圖

首先，向模組發(fā)送 ＮＣＤＰ 指令查詢模組設(shè)置的ＣｏＡＰ 服務(wù)器ＩＰ 地址號及網(wǎng)絡(luò)端口號是否正確，若返回的值與所要發(fā)送的 NB-IOT 平臺不一致，或者返回“ＥＲＲＯＲ”，則需要給模組配置正確的ＩＰ 地址及端口號，重啟模組后生效；之后，向模組發(fā)送 ＮＳ－ ＭＩ指令，開啟模組的“消息發(fā)送通知”功能，開啟成功后，使用 ＮＭＧＳ指令發(fā)送泊車位狀態(tài)信息，若模組返回“ＥＲＲＯＲ”，則需要再次發(fā)送泊車位狀態(tài)信息，若發(fā)送成功，模組將返回“＋ＮＳＭＩ：ＳＥＮＴ”告知 ＭＣＵ信息已經(jīng)成功發(fā)送，至此泊車位狀態(tài)發(fā)送完成。