基于ZigBee和GSM的智能停车系

吴　平

(1.北京航天自动控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技术国家级重点实验室)



吴平1,2

(1.北京航天自动控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技术国家级重点实验室)

设计了一种采用ZigBee低功耗通信技术采集和汇集车位信息、GSM实现用户交互的智能停车系统。系统主要由车位信息采集模块、信息集中处理模块以及用户终端3个部分组成。车位上的停车情况由地磁传感器的差分信息提取，用户可以通过GSM终端查询停车场的车位情况。系统可靠地完成了地磁传感器到用户终端的数据链路，实现了车位信息资源的共享，提高了车位信息的透明度，能够有效地提高城市停车的效率。

智能停车；ZigBee；GSM；地磁传感器

引　言

随着国民经济的迅猛增长，我国汽车消费保持着高速增长的势头。私家车给人们带来生活的便利，同时也造成路况的拥堵。车辆动静状态的切换会在很大程度上影响道路的通行能力，增加交通事故的发生概率，同时低速驾驶会加大尾气的排放量。相关路况调查报告指出，有相当可观的交通流量是为了寻找停车位而造成的无用功车流，尤其常见于中国大城市的核心城区[1]。核心城区的土地资源稀缺，车位供给量和需求量的矛盾日益加剧，因此科学有效的停车管理技术成为当前热门的研究课题。

国内外许多智能停车系统的研究重点是在停车场确定的前提下，设计停车引导系统和收费管理系统，实现停车场车辆管理的自动化，提高车辆的入库停车效率[2]。本文所设计的智能停车系统是这些研究的前项环节，即透明化用户周边的车位群信息，筛选并锁定合适的停车场及车位。

1　总体方案设计

本文设计的智能停车管理系统主要包括3个部分：车位信息采集模块、信息集中处理模块、用户终端。系统组成结构图如图1所示。用户终端需要支持GSM功能的智能设备。

图1　系统组成结构图

1.1系统功能

车位信息采集模块安装在每个车位的前方。车辆感知传感器采用的是地磁传感器，车辆识别方法基于“地磁场高斯理论”。传感器连续采样车位上的地磁信息，通过差分对比的方式就能判断当前车位的停车情况。完成一次车位信息采样后，采集模块通过ZigBee无线通信将结果发送给信息集中处理模块。

信息集中处理模块利用集成的ZigBee功能收集停车场里所有的车位停车信息，通过GSM网络与用户的GSM终端进行数据交互。同时该模块集成GPS功能，利用已知的高精度定位信息获得差分GPS，提供给用户以提高定位精度。

用户终端可以通过GSM查询空闲的停车车位、周边的停车场反馈停车情况并制定停车方案，同时也可以对订制的个人车位监控，警报车位被占或车辆盗窃。

1.2系统选型

用户终端除了需要支持GSM功能以外，不需要进行其他硬件设计，车位信息采集模块和信息集中处理模块还需要进行硬件电路设计。

(1) 车位信息采集模块

车位信息采集模块主要包括主控芯片、ZigBee通信模块、地磁传感器模块。由于该模块分布在停车场的各个车位里，需要通过电池供电，因此需要特别注意低功耗设计。

ZigBee模块选用TI公司的RF收发器芯片CC2520[3]。地磁传感器选用Honeywell公司的三轴低强度磁场传感器芯片HMC5843[4]。主控芯片选用TI公司的MSP430系列超低功耗MCU产品MSP430F5340[5]。

车位信息采集模块的结构如图2所示。

图2　车位信息采集模块结构图

(2) 信息集中处理模块

信息集中处理模块主要包括主控芯片、ZigBee通信模块、GSM通信模块。ZigBee模块仍然采用CC2520芯片，GSM模块选用SIMCOM公司生产的SMT封装模块SIM908[6]，其集成了GPS/GSM功能。

考虑到信息处理量较大，需要选择速度得当的主控芯片。本文选用ST公司生产的基于ARM Cortex-M3架构的STM32F103VET6芯片(以下简称STM32)。信息集中处理模块的结构如图3所示。

图3　信息集中处理模块结构图

2　硬件电路设计

2.1微控制器接口

车位信息采集模块主控芯片MSP430F5340需要连接的器件是CC2520和HMC5843。CC2520需要四线SPI接口(CSN、CLK、MISO、MOSI)和一路复位信号，HMC5843需要I2C接口(SDA、SCL)。MSP430F5340引脚资源的分配如表1所列。

表1　MSP430F5340引脚资源分配

信息集中处理模块主控芯片STM32F103VET6连接芯片CC2520和SIM908。CC2520同样需要四线SPI接口和复位信号，SIM908需要UART接口(TXD、RXD)和一路模块功能开关信号PWRKEY。STM32F103VET6引脚资源的分配如表2所列。

表2　STM32F103VET6引脚资源分配

2.2电源电路

本系统主控芯片和外围电路的供电电压为3.3 V，选用AMS1117稳压芯片，5 V电源输入、3.3 V稳定电压输出，电流输出达到1 A，能够满足系统的供电需求。电路设计如图4所示。

图4　电源电路

车位信息采集模块的5 V输入由5 V锂电池提供；信息集中处理模块的5 V输入采用常见的220 V交流电输入、5 V直流输出的电源适配器即可。

2.3CC2520电路

CC2520通过四线SPI接口方式与MSP430F5340或STM32连接，CC2520作为从设备，MSP430F5340或STM32作为主设备。SPI接口通过MSP430F5340的GPIO P1.1～P1.4(STM32的GPIO PE8～PE11)时序模拟实现。选择GPIO模拟SPI是因为该方法具有操作直观、灵活可变等优点。CC2520的DCOUPL引脚通过外接100 nF电容提供1.8 V的去耦电压，RBIAS外接的56 kΩ电阻为参考电流提供精确的偏置电阻，CC2520外围电路设计如图5所示。

图5　CC2520外围电路

RF_P和RF_N是射频电路的接口，采用传输线平衡/不平衡变换的方式连接到天线两端，由分立的电容和电感构成，如图6所示。该方式与50 Ω的天线负载最匹配。

图6　CC2520射频天线电路

2.4HMC5843电路

HMC5843与MSP430F5340通过I2C接口连接，其中HMC5843作为从设备，MSP430F5340作为主设备。I2C接口与MSP430F5340的I2C接口(P3.0、P3.1)连接。HMC5843采用单电源(AVDD)工作模式，VREN与AVDD相连。I2C总线空闲时候需要通过上拉电阻连接高电平，这里接上拉电阻2 kΩ，支持总线技术规格标准(100 kbps)和快速模式(400 kbps)。单电源工作模式下，DVDD需要与C1连接。SETP和SETC之间按照技术手册连接220 nF的C2电容。电路设计图如图7所示。

图7　HMC5843外围电路

2.5SIM908电路

SIM908与外部的接口主要包括STM32的控制接口、射频天线接口和SIM卡接口。STM32通过UART接口(PA9、PA10)发送AT指令控制SIM908的工作。PWRKEY与STM32的GPIO PA8连接，通过控制PWRKEY引脚输入至少1 s的低电平后恢复高电平，可切换模块的开启和关闭状态。SIM908的SIM卡接口支持GSM Phase1和 GSM Phase2+，供电通过内部调节器提供，选用Amphenol的6芯SIM卡槽C70710M0065122，22 Ω电阻是为了在SIM卡接口连接异常时保护SIM908。GSM和GPS的天线接口具有50 Ω的阻抗，可参考用户手册选择天线。电路设计略——编者注。

3　嵌入式软件设计

3.1软件总体设计

嵌入式软件的设计主要包括MSP430F5340和STM32F103VET6两个主控芯片的软件设计。软件流程图如图8所示。

图8　软件流程图

信息采集模块需要特别注意低功耗的设计，在软件上需要精减不必要的流程，增加MSP430F5340在定时器周期内的休眠时间。

3.2HMC5843车辆检测模块软件设计

HMC5843是三轴磁传感器，不仅能够根据三轴磁力的变化感应车辆的存在，还能够通过不同轴向上的磁力变化区分车辆的移动方向[8]。这里主要用于判断车辆的有无，判断依据如下：

其中，Xt、Yt、Zt分别对应的是HMC5843三轴在t时刻的A/D采样值，Gave是车位空闲时候的磁力大小，Threshold是程序设定的阈值。当A/D采样值与车位空闲时的磁力差超过阈值，系统认为车位有车。

HMC5843有5种工作模式：连续测量模式、单一测量模式、闲置模式、睡眠模式、关机模式。这里设置为单一测量模式，因为在该模式下完成一次A/D采样后自动转为睡眠模式，可以降低功耗。在出厂默认设置中，HMC5843的I2C地址为0x3C(写入操作)、0x3D(读出操作)。

下面是完成一次A/D采样的C语言程序，其中I2C读写操作函数的第一个参数是设备地址，第二个参数是内部地址，第三个参数是读数的保存地址或者写数据。

I2C_Write(0x3C,0x00,0x10);//复位操作

I2C_Write(0x3C,0x02,0x00);//设置单一测量模式

RDY = 0x00;

while(!(RDY & 0x01))

I2C_Read(0x3D,0x09,RDY);//获取采样好标志

I2C_Read(0x3D,0x03,X_MSB);//获取X轴采样值

需要特别注意以下几点：①多次采样后需要进行复位操作，否则采样值会遭到严重的电磁干扰；②单一采样模式完成采样后会自动跳转为睡眠模式，需要重新设置工作模式；③芯片的RDY可用来作为采样完的信号，接入单片机以上升沿触发中断，也可以通过内部的状态寄存器(0x09)进行软件操作。

3.3CC2520 ZigBee模块软件设计

CC2520是一个半双工的射频收发芯片，发送缓冲区和接收缓冲区独立，各占用128位空间，

CC2520支持信道在线编程，通过配置寄存器FREQCTRL完成。信道中心频率的计算方法如下：

Fc=(2394+FREQCTRL.FREQ)=2405+5×K

其中K为0～25的整数，由上式可以根据所需的信道中心频率配置FREQCTRL寄存器。

CC2520的软件设计部分主要包括芯片的初始化、发送数据帧和接收数据帧。初始化示例程序、发送示例程序略——编者注。

3.4SIM908 GSM模块软件设计

SIM908的启动通过PWRKEY引脚下拉低电平1 s以上完成。SIM908通过UART接口与STM32连接，接口初始默认波特率为9 600 bps，通过AT指令进行控制。AT指令以“AT”开头、回车结尾,AT指令发送后，正常情况下会收到SIM908的回复。通过UART发送的AT指令需要转为ASCII码。

SIM908的软件设计主要包括将车库信息通过GSM发送到用户终端、利用GPS功能获取坐标并发送位置差分数据。AT指令发送流程及应答略——编者注。

本系统可以根据终端的应用程序需求发送不同类型的文本信息，例如发送坐标信息可以投影到地图中、车位的开关量显示等。

结　语

系统完成了车位磁传感器到用户终端的数据链路，提高了车库信息的透明度，方便用户寻找停车位。智能停车系统是支撑智慧城市项目的子内容之一，具有广阔的应用前景。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

[1] 周伟.城市动态路况信息下交通行为的研究[D].大连:大连理工大学,2012.

[2] 杨吉飞.基于物联网的智能停车缴费系统设计和实现[D].上海:复旦大学,2010.

[3] TI.2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZIGBEE RF TRANSCEIVER [EB/OL].[2015-10].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2520.pdf.

[4] HONEYWELL.HMC5843 Data Sheet [EB/OL].[2015-10].http://www.honeywell- sensor.com.cn.

[5] TI.MSP430F5340 Data Sheet [EB/OL].[2015- 10].http://www.ti.com/lit/ds/slas706e/slas706e.pdf.

[6] SIMCOM.SIM908 Data Sheet[EB/OL].[2015- 10].http://www.simcomm2m.com.

[7] ST Microelectronics.STM32F10xxx参考手册 [EB/OL].[2015- 10].http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/CD00171190.pdf.

[8] 刘传瑞.基于ZigBee和地磁传感器的新型无线交通监控系统的研究与实现[D].成都:电子科技大学,2011:21- 27.

吴平(助理工程师)，主要研究视觉导航、组合导航、嵌入式系统应用。

Wu Ping1,2

(1.Beijing Aerospace Automatic Control Institute,Beijing 100854,China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligent Control)

An intelligent parking system is designed which uses ZigBee technology collecting the parking information and GSM executing the user interaction.The system consists of three parts:the parking information collection module,the centralized information processing module and the user terminal.The parking space information is collected by the differential information from the geomagnetic sensor.The user can query the parking space information from the GSM terminal.The system reliably completes the data link between the geomagnetic sensor and the user terminal.It greatly benefits in sharing parking information,user-friendly parking options and further improving efficiency of the city parking.

intelligent parking;ZigBee;GSM;geomagnetic sensor

TP274.2

A

(责任编辑：薛士然2015-10-30)