蓝牙4.1基站组网的停车场定位系统设计*

谢中啸,韩圣伟

(中国计量学院，杭州 310018)



蓝牙4.1基站组网的停车场定位系统设计*

谢中啸,韩圣伟

(中国计量学院，杭州 310018)

摘要:为了提高现代停车场效率，使车主停车取车更加便捷，本设计提出一种基于蓝牙4.1技术的停车场智能定位系统。本系统主要以CC2540射频单片机作为信号基站，ARM Cortex-A8处理器为中央控制平台，通过多个蓝牙4.1基站组网实现对汽车的停车场定位，并将定位信息通过中央控制平台的WiFi模块传输到上位机、手机等终端设备。实地测试结果表明，该设计准确度较高、功率低，可用于各中小型停车场中。

关键词:蓝牙4.1；停车场定位；ARM Cortex-A8；低功耗

引言

现今的室内定位技术备受无线通信及电子行业的高度关注，且广泛应用于许多场景。越来越多的人成为有车一族，而传统停车场效率低、车位利用率低，导致了许多停车场“乱象”。停车场室内定位系统作为帮助车主停车的辅助系统，其可以有效提高车主的停车、取车效率，从而大大提高停车场的效率和车位利用率。

蓝牙无线技术是使用范围广泛的全球短距离无线控制标准之一，蓝牙技术联盟(SIG)于2010年7月发布了蓝牙4.1版本的核心规范，以低功耗(BLE)作为新版本的主要技术特点，蓝牙无线技术迈入4.1时代。蓝牙4.1技术的特点是拥有超低的功耗，一粒纽扣电池可以连续工作数年。

蓝牙4.1技术是一种支持点到点、点到多点数据业务的短距离无线通信技术，它设计的初衷就是利用一种小型化、成本低和低功率的无线通信技术，形成一种个人身边的网络，使其可以更好地组网，从而实现室内定位。

因此，本文基于蓝牙4.1技术，设计了一种智能化的停车场定位系统，相比于现今的停车场系统，其具有更低的成本与功耗，并且可以实现对车辆的实时定位，使车主停车取车效率极大提高，具有很高的实际价值和参考价值。

1系统总体架构设计

本系统主要由两个子系统组成，分别为：蓝牙4.1组网定位系统和中央控制平台及WiFi模块。其中，蓝牙4.1组网定位系统由多个蓝牙4.1信号基站构成，可以对网络中的手机或车载蓝牙进行实时定位。之后，中央控制平台得到各个车辆的定位信息，进行运算处理并将信息通过其WiFi模块发送至上位机或车主手机等终端上，从而让车主根据车位信息找到空车位。系统组成框图如图1所示。

图1　系统总体框图

2系统硬件设计

本系统的硬件部分主要由CC2540射频单片机、OLED液晶显示屏、ARM Cortex-A8嵌入式平台及其WiFi模块组成，其硬件系统框图如图2所示。

图2　硬件系统框图

2.1核心处理单元

本系统的蓝牙4.1组网定位子系统中的主要单元是以CC2540射频单片机为核心的。CC2540是TI公司推出的一款完全兼容8051内核的、集成了2.4 GHz射频收发器的无线射频单片机，它与蓝牙低功耗协议栈共同构成高性价比、低功耗的片上系统(SoC)解决方案，非常适合蓝牙低功耗应用。它有3个不同的存储器访问总线：特殊功能寄存器、数据(DATA)、代码/外部数据(CORE/XDATA)。CC2540也包含了其他硬件资源，包括8通道12位ADC、3个通用定时器、2个串口、21个通用I/O口等。

2.2中央控制平台及WiFi模块

本系统的中央控制平台是由ARM Cortex-A8嵌入式处理器及其外围电路组成的，其结合嵌入式 Linux系统，构成一个强大的信息处理系统，与WiFi模块结合，同时具有消息收发能力。全新的Cortex-A8 处理器大大提升了对信息处理的能力。

WiFi模块选用的是HLK-RM04，其为低成本嵌入式UART-ETH-WIFI(串口-以太网-无线网)模块。

通过HLK-RM04模块，传统的串口设备在不需要更改配置的情况下即可传输自己的数据，为用户提供完整的解决方案。

3系统软件设计

3.1蓝牙4.1协议栈系统

蓝牙4.1收发数据需要通过其协议栈来实现，本项目的蓝牙4.1基站基于的蓝牙4.1协议栈是它的软件架构基础。

蓝牙4.1协议栈是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据收发；协议栈是协议的具体表现形式，通俗的理解为用代码实现的函数库，以便于开发人员调用。蓝牙4.1协议栈是将各个层定义的协议都集合在一起，提供一些API供用户使用。

3.2蓝牙4.1组网定位结构

图3　微微网示意图

蓝牙4.1系统采用网络结构的拓扑结构为微微网(Piconet)。微微网是通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是两台相连的设备，也可以是多台连在一起的设备。微微网由主设备(Master)单元(发起连接的设备)和从设备(Slave)单元构成，可有一个主设备单元和多个从设备单元，如图3所示。

每一个蓝牙4.1基站都可作为主机或者从机互相进行主从通信，或者与用户终端(手机或车载蓝牙)进行通信。主机通过轮询从机实现两者之间的通信。从机只有收到主机的信息包才可发送数据。如图4所示，从节点2在t时刻收到来自主节点的数据包，此时频率为f(k)，之后它可以在下一个时隙通过f(k+1)频率向主节点发送数据包。

图4　微微网内通信轮询机制

同时，本系统利用蓝牙4.1的RSSI值来获取基站与用户端的距离信息(RSSI值大小随基站间距而改变)。信号RSSI值与距离的关系如图5所示。

图5　信号RSSI值与距离关系图

3.3蓝牙4.1组网定位算法

用户终端与各个基站之间通过蓝牙4.1微微网拓扑网络进行距离信息传输，最终将各个距离值传输到中央控制平台，其再用本系统的定位算法进行运算，从而实现对车主用户端的实时定位。

图6　定位算法示意图

该定位算法以一个微元(1个主机，3个从机)为基础构建定位网络，如图6所示。整个程序算法通过C语言实现。室内定位软件算法基于蜜蜂网络的信息源传输特点进行“3点确定1点”的定位。

图6中，左上蓝牙锚节点(从机1)到手机客户端的距离为s1，左下蓝牙锚节点(从机2)到手机客户端的距离为s2，右上蓝牙锚节点(从机3)到手机客户端的距离为s3 ,先确定3个输入量是否正常，再判断是否形成四面体，然后根据动态的“3点确定1点”算法算出手机客户端在空间平面的各个坐标点值，最后对每个信号值清零。程序流程图如图7所示。

图7　程序流程图

3.4上位机设计

蓝牙4.1组网定位系统得到的距离数据信息发送至中央控制平台，中央控制平台经过定位算法运算后，将最终得到的定位信息发送至上位机监控端，这样车位的信息及用户自己的车位信息便可一目了然。

本系统设计的上位机采用LabView设计而成，如图8所示。该设计可将中央控制平台运算处理的结果坐标图形化显示在界面上，使人们可以更直观地得到车位信息，简洁高效。

结语

图8　上位机界面示意图

基于蓝牙4.1技术，提出了一种组网定位系统，将车辆进行实时定位，并通过中央控制平台进行运算处理，最后通过其WiFi模块将定位信息发送至上位机或手机终端设备上进行显示。本设计具有一定的实用性，对提升现代停车场效率有很大的帮助。但由于种种原因，此系统还存在一些不足，比如定位的范围还需要加大。希望本系统未来可以运用在停车场中。

参考文献

[1] 欧阳骏,陈子龙,黄宁淋.蓝牙4.0BLE开发完全手册-物联网开发技术实战[M].北京：化学工业出版社,2013.

[2] 李宁.ARM Cortex-A8处理器原理与应用[M].北京航空航天大学出版社,2012.

[3] 李娟娟,张金艺,张秉煜,等.蓝牙4．0标准规范下的模糊指纹定位算法[J].上海大学学报,2013(8): 2-19.

[4] 杨乐平,李海涛,杨磊.LabVIEW程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社,2005.

Positioning System in Parking Lot Based on Bluetooth 4.1 Base Station Network

Xie Zhongxiao,Han Shengwei

(China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Abstract：In order to improve the efficiency of the modern parking lot and assist for parking and picking up the cars,a smart positioning system in parking lot based on Bluetooth 4.1 is proposed in this paper.The system takes RFID MCU CC2540 as the signal station,and the ARM Cortex-A8 MPU as the central control platform.The system achieves the car positioning in parking lot using the multiple Bluetooth 4.1 signal stations network.And then it sends the positioning information to PC,the mobile phones and other devices through the WiFi module in control processor.The experimental results show that the system has high accuracy and low power consumption,which can be widely applied in many parking lots.

Key words:Bluetooth 4.1;positioning system in parking lot;ARM Cortex-A8;low power consumption

收稿日期：(责任编辑：杨迪娜2015-09-12)

中图分类号:TN92

文献标识码:A

* 基金项目：省部级-2015年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划(2015R409029)。