基于NB-IoT的三轴磁感车位传感器节点设计

(1.浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023；2.杭州华尔科技有限公司，浙江 杭州 310023)

随着近些年国内汽车保有量的迅猛增长，无人化、智能化的停车场推出势在必行。目前，国内外主要采用感应线圈、视频分析、红外感应[1]和无线地磁感应[2]等停车位检测技术。有学者提出采用433M无线通信技术进行车位数据的传输[3]，并通过4G通信将停车场各车位的信息上报网络平台，该方案的局限在于增加了系统的复杂度以及限制了下挂数量。也有国外学者提出利用智能手机和通信网络实现停车位管理的方案[4]，通过手机自带的传感器判断车辆在停车场内的行驶状态，利用蜂窝网络结合停车场分布的Wi-Fi信号对车辆停放的具体车位进行定位，在网络平台上进行统一管理和计费，该方案由于定位精度低，对停放车辆的间距要求大，不利于实际应用。

在物联网技术迅猛发展的背景下[5]，笔者设计并实现了一种采用NB-IoT无线通信技术和三轴磁力检测技术的泊车位传感节点，该泊车位传感节点具有架设方便、下挂数量大和检测灵敏等特点。

1 系统结构

泊车位检测系统的总体结构如图1所示，该系统总体分为感知层、通信传输层和应用层。感知层：在各车位上部署了采用NB-IoT通信技术的泊车位传感器节点，负责采集车位当前的磁场数据，通过分析磁场数据得到当前车位的状态，并将车位状态信息通过NB-IoT模组，发送到NB-IoT基站；通信传输层：主要承担NB-IoT节点的链路分配以及车位管理数据的收发任务，并提供相应服务的接口供泊车位管理系统调用；应用层：基于B/S架构[6]的泊车位管理系统服务器部署于云端，通过NB-IoT[7]平台提供的接口与各车位传感节点进行交互，用户可以通过手机、PC机等终端设备查看和管理车位的实时状态。

图1 系统结构图Fig.1 The diagram of system structure

笔者重点阐述WSN环境[8]下泊车位传感器节点的设计，通信方式上采用NB-IoT通信技术，中文名窄带物联网，NB-IoT通信技术是物联网领域的新兴技术，具有覆盖能力强、超低功耗、部署成本低廉、下挂数量大、无需额外架设网关或集中器等特点，检测方式上采用基于MEMS封装技术的三轴磁力传感器，该传感器功耗低，检测灵敏，不易受到天气、空气湿度等环境因素的影响，具有体积小巧、部署方便的特点，可以有效避免自行车、电动车等非机动车辆及行人的干扰。

2 车位检测原理

地球磁场是一个平均强度较为恒定的弱磁场，在没有施加外部磁场的情况下，地球磁场的数值会在某一个数值上下缓慢地变化[9]。当有铁磁性的物体进入磁场的时候，由于磁性物体的作用，物体周围的地磁场会发生一定的扰动。而车辆是具有大量金属的铁磁物体，测试结果验证：汽车的发动机部位、前轴部分和后轴部分的金属密度最大，能够引起的磁场扰动也最为显著。

本设计采用基于AMR检测技术[10]的三轴磁力传感器，在芯片的内部各个轴向封装了对磁场变化十分敏感的由铁镍合金组成的电桥电路，可以同时检测X，Y，Z轴方向上的磁场变化。若车位传感器放置于车辆的下方，并以Z轴朝上，一旦有车辆驶入车位，Z轴朝向上的磁场变化最为明显，因此可主要考察Z轴磁场数据的变化，并以其他轴向磁场变化作为辅助来判断当前车位的状态。

图2(a)显示车辆驶入车位时引起传感器上方Z轴磁场变化的测试曲线，图2(b)显示车辆驶离车位时引起传感器上方Z轴磁场变化的测试曲线。由测试结果可知：车辆驶入和离开停车位的过程中，Z轴的变化是一个较为规律且近似可逆的动态过程。

图2 车辆动作引起的磁场扰动测试结果Fig.2 Test result of magnetic field disturbance due to vehicle motion

3 车位传感器节点电路设计

车位传感器节点主要由微控制器(MCU)、三轴磁力传感芯片、存储芯片、NB-IoT模组、NB-SIM卡、外置PCB天线以及锂电池七部分组成。三轴磁力传感器芯片作为传感器节点的感知部分，负责车位磁场检测，并通过内置的A/D转换模块将磁阻电路感应到的电信号转换为数字信号，通过SPI接口与MCU进行数据交互，同时三轴磁力传感器芯片可以通过中断输出引脚及DRDY引脚来唤醒MCU，提醒MCU有新的磁场数据生成或磁场变化超出设定的阈值。MCU电路是整个传感器节点的中心部分，主要负责进一步处理由SPI接口发送过来的三轴磁场数据，通过这些数据判断所在车位的车辆占用情况以及传感节点的低功耗配置，同时MCU通过USART串口与NB-IoT通信模组通信，发送相应的AT指令控制泊车位数据的无线收发以及NB-IoT模组的唤醒。NB-IoT模组、NB-SM卡以及外置PCB天线，作为车位传感器节点的通信传输部分，主要负责车位传感器节点与泊车位管理系统之间的通信、泊车位状态信息的发送以及管理系统下发命令的接收，NB-SM卡为NB-IoT模组提供相应的NB数据流量套餐，为了保证信号接收的强度，选用外置PCB天线，通过天线良好的信号增益和方向性来保证泊车位传感器节点数据的稳定收发。锂电池电源保障传感器节点长时间续航。传感器总体结构框架如图3所示。

图3 车位传感器硬件结构图Fig.3 The diagram of parking sensor node hardware structure

3.1 三轴磁力传感器电路

三轴磁力传感芯片选用ST公司近年推出的采用LGA-20封装的高性能超低功耗系列新型独立式微型传感器LIS3MDL[11]，原理如图4所示。传感器可测量3 个轴6 个方向上的磁感应强度，数据输出长度为16 位，根据不同的测量需求，测量范围可在±4，±8，±12，±16 Gs等4 个档位中选择，支持I2C和SPI两种通讯方式。经过实际测试，测得当配置传感器ODR为0.625 Hz，且在超低功耗连续检测模式下运行时，工作电流仅5 μA，满足车位传感节点超长续航的工作需求。

图4 三轴磁力传感器电路图Fig.4 The diagram of 3-axis magnetic sensor circuit

磁力传感器通过周期性测量停车位区域地磁场的变化来感知铁磁物体的存在，当车辆在地磁传感器附近出现时，磁力传感器模块检测停车位地磁场变化并进行数据采样，并将这些数据通过SPI接口发送给MCU进行处理分析。

3.2 NB-IoT模组电路

NB-IoT模组选用NB05-01模组，内嵌全球领先的窄带物联网无线通信模块，其原理如图5所示。采用半双工FDD通讯方式，工作频段为850 MHz，模块符合3GPP标准中的频段要求，具有体积小、功耗低、传输距离远和抗干扰能力强等特点，在PSM模式下运行电流仅5 μA。

图5 NB-IoT模组电路图Fig.5 The diagram of NB-IoT module circuit

3.3 NB-SIM卡座电路

NB卡使用的是中国电信提供的10649 NB专用卡，目前主要有插卡和贴片卡两种形式，本设计采用的是Micro卡座插卡的形式，其原理如图6所示。为保证NB卡与NB-IoT模组的稳定运行，在卡的各个引脚添加ESD防静电保护，ESD采用CM1213系列的TVS管集成芯片，以增强所设计的传感节点通信部分的抗干扰能力。

图6 NB-SIM卡电路图Fig.6 The diagram of NB-SIM card slot circuit

3.4 MCU电路

MCU部分选用ST公司推出的的超低功耗系列单片机STM32L151C8T6，该MCU基于32 位Cortex-M3内核，低功耗工作模式下电流仅11 μA，在低功耗睡眠模式下功耗可低至4.6 μA，可胜任车位传感器所需的低功耗设计。MCU部分电路图如图7所示，该部分主要负责地磁传感器数据的预处理及分析，并结合获取的地磁场数据进行车位状态判断、控制NB-IoT模组进行无线数据传输、节点自身状态监测及预警等。

图7 MCU电路图Fig.7 The diagram of MCU circuit

3.5 射频天线(RF)电路

天线部分是决定传感节点数据通信效果的关键一环，所设计的RF[12]走线应满足50 Ω阻抗匹配，印刷线路板(PCB)走线阻抗因素主要与铜厚、布线宽度、布线间距以及PCB使用的板材有关[13]，即

(1)

式中：εr为PCB板材的介电常数；t为PCB走线铜的厚度；h为微带线的介质厚度；W为PCB走线的宽度。由式(1)可见：PCB走线的阻抗Z与板材介质厚度成正比，与εr，W和t成反比。因此，在模组进行PCB设计时也需根据PCB加工厂商的工艺进行设计调整，使天线各部分走线满足50 Ω阻抗匹配。结合PCB厂家的工艺标准，设计出的RF走线经仿真验证，结果显示设计能较好满足阻抗匹配的要求，如图8所示。

图8 阻抗匹配仿真计算图Fig.8 The diagram of impedance matching simulation

3.6 电源电路

DC-DC稳压芯片采用SPX3819-3.3低功耗电源芯片，其原理如图9所示，为NB-IoT模组提供稳定的3.3 V电压，最大输出电流可达500 mA，满足NB-IoT模组天线开启时所需的瞬时功耗，静态电流1 μA，符合车位传感节点的低功耗设计需求，在输出端并联100 μF大电容，以防止天线开启时工作电流瞬时增大引起的电压跌落，供电引脚端口采用10 μF，0.1 μF，1 nF，100 pF的组合形式以滤过高频信号干扰。

图9 电源电路图Fig.9 The diagram of power supply circuit

3.7 锂电池充电电路

笔者设计的车位传感节点采用锂电池供电，电路中预留了锂电池充电电路，以满足锂电池充电需求，如图10所示。锂电池充电管理芯片选用TP5100，内置功率MOS管，工作电流可通过编程控制在0.1～2 A，自带过流过压保护，耐用性强且使用方便。锂电池采用的是电压3.7 V，总容量10 200 mAh的并联式锂电池组，当泊车位没有车辆进出的情况下，传感器长期处于低功耗运行模式，MCU进入启用RTC唤醒的Stop模式，功耗约为1.6 μA。三轴磁传感器在ODR为5 Hz的低功耗检测模式下工作，功耗约为15 μA。NB-IoT模组进入PSM模式，功耗约为5 μA。节点中其他模块如存储芯片在掉电模式下的功耗极低仅1 μA，传感器节点在低功耗模式下总功耗约25 μA，锂电池组的最大放电量约为标量的70%，因此，在没有车辆进出的理想条件下，可以估算出锂电池理论上最长可以为传感器节点提供285 600 h即33 年的续航时间。

图10 锂电池充电电路图Fig.10 The diagram of Li battery charging circuit

4 软件设计

软件主程序流程如图11所示，上电时首先进行系统的初始化，完成对NB-IoT模组、三轴磁力传感器、MCU及各项网络参数的配置，NB-IoT模组的注网过程包括通过相应的AT指令对NB-SIM卡的有效性、模组频段、网络激活状态、网络注册状态、信号质量和连接状态等环节进行查询验证，以确保NB-IoT数据能够正常接收和发送，待NB-IoT模组成功注网后，进入泊车位检测流程，MCU对磁力传感器采集的数据进行分析判断，若车位状态发生了改变，将车位状态信息发送到平台，并进入低功耗模式，若车位状态未发生改变，则直接进入低功耗模式，当发生定时中断或传感器发出外部中断时，MCU唤醒并重新进入泊车位检测流程，如此往复循环。

图11 主程序流程图Fig.11 The diagram of main program flow

泊车位检测总体流程如图12所示，主要包含以下几个环节：数据采集，主要负责对磁场进行实时数据采集；数据滤波，对采集来的实时数据进行过滤，滤除干扰信号以及毛刺；分析判断，获取到滤处理后的数据，并根据这些数据分析判断车位的状态并输出；基准线更新[14]，基准线是传感器节点进行车位检测判断的重要依据，磁场受到温度等环境因素的影响会产生微弱的变化，因此在车位空闲的情况下，对三轴基准数据进行定期的更新，有利于保证车位检测的准确性。

图12 泊车位检测总流程图Fig.12 The diagram of parking detection process

本设计所用滤波算法[15]采用中值率波与均值滤波结合的方式进行处理。中值滤波算法的公式为

Y(i)=Med[x(i-n),…,x(i),
…,x(i+n)]n∈N

(2)

将采样到的一组数据由大到小进行排列，将中间的值作为采样的数值。均值滤波算法为

(3)

将获得的一组数据取平均值作为采样的结果，这两种方法结合可以有效滤除所获取数据的毛刺等干扰。

传感节点发生中断唤醒后开始分析判断车位状态，首先MCU处于低功耗待机模式，传感器在低功耗连续检测状态下工作，每秒检测5 次磁场，当传感器检测到Z轴数值大于设定好的阈值时，传感器产生中断唤醒MCU，具体的中断处理流程如图13所示。

图13 车位状态判断流程图Fig.13 The diagram of parking status judgment

MCU唤醒后通过滤波获取并处理数据，根据当前车位是否空闲分两种方向进行车位的判断，主要的判断依据是将车位在空闲状态下获得的磁场基准线与采集的数据进行比较：若车位当前空闲，就判断车位是否是车辆驶入车位，若采集到的数据并没有满足车辆驶入车位的判断条件，则认为引起中断的为干扰事件，传感器节点重新回到低功耗待机状态，等待车辆驶入；若车位已经有车停，则判断车辆是否离开车位，当引起中断的数据没有满足车辆离开的判断条件时，则认为该中断源为干扰，传感器节点重新回到低功耗检测状态，等待下一次中断产生。

本研究实现的车位传感器节点将选用的NB-IoT模组配置在支持AT指令的CoAP通信模式下，在该工作模式下NB-IoT模组可以与支持CoAP通信协议的NB-IoT平台进行数据交互，并且MCU可以通过USART串口灵活地发送丰富的AT指令对NB-IoT模组进行操作。

NB-IoT模组实时发送泊车位状态的前提是NB-IoT模组已经成功注网，以3号泊车位上传车位有车辆驶入的状态信息为例，要上传的格式为长度7 字节的16 进制数据，内容为0301020001FC01，其中第1字节为泊车位地址，第2字节为功能码，代表上传的是泊车位状态，第3字节表示数据的字节长度，第4，5字节为泊车位状态信息，最后两个字节为CRC16校验码。NB-IoT模组发送泊车位状态的AT指令流程如图14所示。

图14 泊车位状态信息发送流程图Fig.14 The diagram of parking status information transmission

首先，向模组发送NCDP指令查询模组设置的CoAP服务器IP地址号及网络端口号是否正确，若返回的值与所要发送的NB-IoT平台不一致，或者返回“ERROR”，则需要给模组配置正确的IP地址及端口号，重启模组后生效；之后，向模组发送NSMI指令，开启模组的“消息发送通知”功能，开启成功后，使用NMGS指令发送泊车位状态信息，若模组返回“ERROR”，则需要再次发送泊车位状态信息，若发送成功，模组将返回“+NSMI:SENT”告知MCU信息已经成功发送，至此泊车位状态发送完成。

5 测试结果及分析

车位传感器节点的实物图如图15所示，将设计的车位传感器节点放置于泊车位，节点摆放的X轴朝向与泊车位朝向一致，通过观察车辆驶入和离开车位时，车位传感节点所上传的泊车位状态，来检测所设计车位传感器节点的工作，配置传感器ODR为5 Hz，量程为4 Gs，传感器节点每隔10 s定时上传一次磁场数据及泊车位状态。测试结果如图16所示，车辆分别在70，420，690 s 3 次驶入泊车位，并分别在260，540，830 s时起步驶离泊车位，图16(a～c)分别显示泊车位磁场在X，Y，Z轴方向上的变化，对比三轴数据可以看出：Z轴方向的磁场上受车辆影响最大，波动最为明显；而Y轴方向上磁场的变化与Z轴的变化较为一致，但变化幅度远没有Z轴大；X轴方向上的磁场在车辆驶入和驶离的一瞬间波动比较明显，但其磁场在车辆驶入后以及车辆驶离后所稳定的磁场数值差距很小。图16(d)显示的是传感节点上报的泊车位状态，数值1表示车位有车，数值0表示车位当前处于空闲状态。测试结果表明：笔者所设计的泊车位传感节以Z轴方向的磁场变化作为主要判断依据可以获得更理想的车位检测效果，并且该传感器节点能够准确、及时检测出车位上车辆的占用情况。

图15 车位传感器节点实物图Fig.15 The photo of parking sensor node

图16 泊车位检测结果Fig.16 The result of parking detection test

6 结 论

设计并实现一种基于NB-IoT新型通信技术和三轴磁力检测技术的泊车位传感器节点，该泊车位传感器节点具有体积小、架设方便、下挂数量大、网络覆盖强、功耗低和检测准确率高等特点。测试结果表明：笔者设计的泊车位传感器节点能够及时有效地检测车位的使用状态并将数据通过NB-IoT网络上报到泊车位管理平台，符合当前物联网技术创新发展的新趋势，具有广阔的市场前景和推广价值。