李鵬宇，龍滬強(qiáng)

（1.上海交通大學(xué)，上海 200240;2.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050）

0 引言

中國進(jìn)入汽車時(shí)代后，大型停車場相繼出現(xiàn)，對于停車場內(nèi)的車位的精細(xì)誘導(dǎo)需求日益明顯，因此，出現(xiàn)了很多實(shí)時(shí)車位監(jiān)控方案，其中，通過地磁檢測、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)作感知、實(shí)時(shí)車位采集系統(tǒng)的優(yōu)勢日益明顯。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有布設(shè)靈活、低功耗、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的超聲波定位功耗大、布設(shè)繁瑣、虛報(bào)誤報(bào)有很大的優(yōu)勢。本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了一種在線實(shí)時(shí)車位檢測的解決方案和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并成功應(yīng)用于商業(yè)停車場。

1 系統(tǒng)總體概述

圖1所示的車位檢測系統(tǒng)由4部分構(gòu)成:1）安裝在停車場車位上的車位檢測器和安裝于天花板的路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織［1，2］無線傳感器網(wǎng)絡(luò);2）由無線射頻模塊和工控機(jī)組成的停車場網(wǎng)關(guān)服務(wù)器;3）由PC機(jī)組成的停車場管理終端，用于管理停車場的車位使用情況和監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);4）安裝在停車場天花板下的LED顯示屏，用于顯示停車場剩余車位的顯示情況。數(shù)據(jù)傳輸采用主動方式，傳感網(wǎng)采集車位占用與否數(shù)據(jù)無線發(fā)送給停車場網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器把車位占用情況存入嵌入式數(shù)據(jù)庫，停車場管理終端通過以太網(wǎng)訪問嵌入式數(shù)據(jù)庫，完成車位信息的更新，同時(shí)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器會把車位變化數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給各個(gè)LED顯示屏。

圖1 停車場車位檢測系統(tǒng)Fig 1 Diagram of parking lot detecting system

2 車位檢測器硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，車位檢測器由微處理器、射頻模塊、電源模塊、傳感器模塊構(gòu)成。微處理器定時(shí)查詢傳感器模塊狀態(tài)，如果傳感器檢測值超出門限，即打開射頻模塊發(fā)射傳感器數(shù)值到傳感網(wǎng)中。電源模塊負(fù)責(zé)提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓給微處理器和射頻模塊，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候關(guān)閉一些模塊，使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

圖2 車位檢測器硬件結(jié)構(gòu)Fig 2 Hardware architecture diagram of parking lot detector

2.1 射頻模塊

射頻模塊負(fù)責(zé)檢測器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)，本設(shè)計(jì)采用的是ADI公司的無線射頻收發(fā)器ADF7020—1。現(xiàn)在比較流行的是ISM 2.45 GHz頻段的無線收發(fā)器，但本檢測器貼地面安裝，而且，汽車停在檢測器上面會對無線信號產(chǎn)生遮擋，另外，停車場內(nèi)多混凝土墻壁和柱子，使信號的反射和折射噪聲干擾很大，必須選用繞射能力強(qiáng)和穿透距離遠(yuǎn)的方案，2.45 GHz在穿透能力和傳輸距離方面都不如1 GHz頻率以下的收發(fā)器，ADI公司的ADF7020—1相比同類型芯片，發(fā)射功率更大，靈敏度更高，非常適合這種應(yīng)用。ADF7020—1適用于 315，433，470，615 MHz ISM 頻段。對于頻率選擇，315 MHz多用于智能家居、無線遙控鑰匙等應(yīng)用;433 MHz多用于汽車的無鑰系統(tǒng)，這2個(gè)頻段都不適合作為車位檢測器的頻段，因此，最后選擇470 MHz頻段。芯片電壓范圍為2.3～3.6 V，可編程輸出功率為 －20～63dBm，1kbps FSK 調(diào)制接收靈敏度［3］為 －119 dBm，接收模式電流為17.6 mA，發(fā)射模式10 dBm輸出功率電流為21 mA，器件關(guān)斷電流小于1 μA?？紤]到傳輸?shù)目煽啃院偷凸脑O(shè)計(jì)，采用FSK［3］調(diào)制，470 MHz，數(shù)據(jù)率為9600 bps，發(fā)射功率為13 dBm。

2.2 處理器模塊

處理器采用TI公司的MSP430F5X系列的低功耗單片機(jī)，因?yàn)楸井a(chǎn)品采用電池供電，要求系統(tǒng)的平均電流要低才能延長產(chǎn)品的使用壽命，TI公司的MSP430系列單片機(jī)待機(jī)電流只有幾個(gè)μA，本檢測器采用10Ah的電池，設(shè)計(jì)壽命要大于5年。

2.3 傳感器模塊

磁傳感器采用PNI 11096，PNI11096是可以用來檢測X，Y，Z3個(gè)方向磁場變化的傳感器，本設(shè)計(jì)只使用Z軸方向的磁敏，因?yàn)槠囃Ｔ跈z測器的正上方，Z軸反應(yīng)最靈敏，而X，Y軸相對反應(yīng)變化不大。磁傳感器芯片和單片機(jī)之間用I2C串口通信，使用非常方便，pin11096_SSNOT是芯片使能腳，pin11096RESET可以初始化芯片，其他PNIMOSI，PNIMISO，PNISCLK為三線 SPI，電路圖如圖3。

圖3 磁傳感器硬件設(shè)計(jì)圖Fig 3 Hardware design diagram of magneto dependent sensor

2.4 電源模塊

電源模塊采用TI公司的低壓差線形穩(wěn)壓器TPS77228.LDO穩(wěn)定輸出在2.8 V，關(guān)斷電流為1 μA，最低輸出電壓在25℃時(shí)130 mV電流可以達(dá)到150 mA，選用4.5 V電壓電池，單片機(jī)可以工作在1.8 V。

3 天線設(shè)計(jì)

3.1 天線的選擇

由于系統(tǒng)采用470 MHz的頻段傳輸，電磁波的波長可以達(dá)到63.8 cm，這樣半波振子天線和微帶貼片天線都不適合這種應(yīng)用，比較常見的選擇是螺旋天線，由于直徑D的大小螺旋天線分成2種，D/λ＜0.18時(shí)，螺旋天線為慢波結(jié)構(gòu)，為法向螺旋天線［4］，當(dāng)D/λ為 0.5～0.46 時(shí)，天線的最大輻射方向沿螺旋軸方向的圓極化天線，稱為軸螺旋天線。由于檢測器的體積很小，直徑只有15 cm，因此，不可能選用直徑很大的軸向螺旋天線，法向螺旋天線是最好的選擇。

3.2 仿真設(shè)計(jì)［5］

仿真軟件使用美國Ansoft公司的HFSS軟件，HFSS是基于電磁場有限元方法（FEM）分析微波工程問題的三維電磁仿真軟件。HFSS具有仿真精度高、可靠快捷的仿真速度，方便易用的操作界面和穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分技術(shù)等特點(diǎn)，非常適合微波設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的螺旋天線參數(shù):螺旋直徑D=1.54mm，螺距s=1.65 mm，螺旋導(dǎo)線直徑d=0.31 mm，螺旋匝數(shù)N=13，金屬底盤直徑為80 mm，螺旋材質(zhì)選擇為不銹鋼（steel stainless），估算中心頻率為470MHz，掃頻范圍為200～600MHz。

3.3 仿真結(jié)果

由圖4可以看出:該天線的方向圖滿足預(yù)先設(shè)計(jì)的要求，增益在±60°時(shí)大于0，最大增益達(dá)到2.19 dB。

圖4 螺旋天線遠(yuǎn)場方向圖Fig 4 Plot far-field patterns of helical antenna

4 在停車場的應(yīng)用案例

目前，本系統(tǒng)已經(jīng)完成了在上海商用停車場第一期安裝和試運(yùn)行，運(yùn)行期間工作性能良好，傳感器檢測節(jié)點(diǎn)安裝于車位上方，節(jié)點(diǎn)裝置照片如圖5所示。

5 結(jié)論

圖5 節(jié)點(diǎn)安裝實(shí)物圖Fig 5 Entity image of nodes installation

本文提出了一種采用無線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)車位檢測器的方法，完成了傳感器電路和射頻電路的設(shè)計(jì)，并對天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，使車位檢測器的無線通信能力達(dá)到最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)了通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備替代傳統(tǒng)有線設(shè)備，使得停車場車位檢測器達(dá)到靈活布設(shè)、自組網(wǎng)、節(jié)約能源等目標(biāo)。

［1］Sun Limin.Wireless sensor networks［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2005:108 －120.

［2］Karl H，Willig A.Protocols and architectures for wireless sensor networks［M］.Chichester，West Sussex，England:John Wiley ＆Sons Press，2005:289 －329.

［3］陳邦媛.射頻通信電路［M］.北京:科學(xué)出版社，2006:93－133.

［4］Kraus J D，Marhefka R J.Antennas:For all applications［M］.3rd ed.北京:電子工業(yè)出版社，2006:196 －237.

［5］謝擁軍，劉 瑩.HFSS原理與工程應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2009:190－200.