目前，國內外主要采用感應線圈、視頻分析、紅外感應和無線地磁感應等停車位檢測技術。有學者提出采用４３３Ｍ無線通信技術進行車位數據的傳輸，并通過４Ｇ 通信將停車場各車位的信息上報網絡平臺，該方案的局 限在于增加了系統的復雜度以及限制了下掛數量。也有國外學者提出利用智能手機和通信網絡實現停車位管理的方案，通過手機自帶的傳感器判斷車輛在停車場內的行駛狀態，利用蜂窩網絡結合停車場分布的WI-FI信號對車輛停放的具體車位進行定位，在網絡平臺上進行統一管理和計費，該方案由于定位精度低，對停放車輛的間距要求大，不利于實際應用。

在物聯網技術迅猛發展的背景下，筆者設計并實現了一種采用 NB-IOT 無線通信技術和三軸磁力檢測技術的泊車位傳感節點，該泊車位傳感節點具有架設方便、下掛數量大和檢測靈敏等特點。

１ 系統結構

泊車位檢測系統的總體結構如圖１所示，該系統總體分為感知層、通信傳輸層和應用層。感知層：在各車位上部署了采用 NB-IOT 通信技術的泊車位傳感器節點，負責采集車位當前的磁場數據，通過分析磁場數據得到當前車位的狀態，并將車位狀態信息通過 NB-IOT 模組，發送到 NB-IOT 基站；通信傳輸層：主要承擔 NB-IOT 節點的鏈路分配以及車位管理數據的收發任務，并提供相應服務的接口供泊車位管理系統調用；應用層：基于 Ｂ／Ｓ架構的泊車位管理系統服務器部署于云端，通過 NB-IOT平臺提供的接口與各車位傳感節點進行交互，用戶可以通過手機、ＰＣ機等終端設備查看和管理車位的實時狀態。

圖１ 系統結構圖

WSN 環境下泊車位傳感器節點的設計，通信方式上采用 NB-IOT 通信技術，中文名窄帶物聯網，NB-IOT 通信技術是物聯網領域的新興技術，具有覆蓋能力強、超低功耗、部署成本低廉、下掛數量大、無需額外架設網關或集中器等特點，檢測方式上采用基于 ＭＥＭＳ封裝技術的三軸磁力傳感器，該傳感器功耗低，檢測靈敏，不易受到天氣、空氣濕度等環境因素的影響，具有體積小巧、部署方便的特點，可以有效避免自行車、電動車等非機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，地球磁場的數值會在某一個數值上下緩慢地變化。當有鐵磁性的物體進入磁場的時候，由于磁性物體的作用，物體周圍的地磁場會發生一定的擾動。而車輛是具有大量金 屬的鐵磁物體，測試結果驗證：汽車的發動機部位、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。

本設計采用基于AMR檢測技術的三軸磁力傳感器，在芯片的內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，一旦有車輛駛入車位，Ｚ 軸朝向上的磁場變化最為明顯，因此可主要考察Ｚ 軸磁場數據的變化，并以其他軸向磁場變化作為輔助來判斷當前車位的狀態。

圖２（ａ）顯示車輛駛入車位時引起傳感器上方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。由測試結果可知：車輛駛入和離開停車位的過程中，Ｚ軸的變化是一個較為規律且近似可逆的動態過程。

圖２ 車輛動作引起的磁場擾動測試結果

３ 車位傳感器節點電路設計

車位傳感器節點主要由微控制器（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點的感知部分，負責車位磁場檢測，并通過內置的 Ａ／Ｄ 轉換模塊將磁阻電路感應到的電信號轉換為數字信號，通過ＳＰＩ接口與 ＭＣＵ 進行數據交互，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 據生成或磁場變化超出設定的閾值。ＭＣＵ 電路是整個傳感器節點的中心部分，主要負責進一步處理由ＳＰＩ接口發送過來的三軸磁場數據，通過這些數據判斷所 在車位的車輛占用情況以及傳感節點的低功耗配置， 同時 ＭＣＵ 通過 ＵＳＡＲＴ 串口與 NB-IOT 通信模組通信，發送相應的 ＡＴ 指令控制泊車位數據的無線收發以及 NB-IOT 模組的喚醒。NB-IOT 模組、ＮＢ－ＳＭ 卡以及外置ＰＣＢ 天線，作為車位傳感器節點的通信傳輸部分，主要負責車位傳感器節點與泊車位管理系統之間的通信、泊車位狀態信息的發送以及管理系統下發命令的接收，ＮＢ－ＳＭ 卡為 NB-IOT 模組提供相應的 ＮＢ數據流量套餐，為了保證信號接收的強度，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點數據的穩定收發。鋰電池電源保障傳感器節點長時間續航。傳感器總體結構框架如圖３所示。

圖３ 車位傳感器硬件結構圖

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 個方向上的磁感應強度，數據輸出長度為１６ 位，根據不同的測量需求，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。經過實際測試，測得當配置傳感器 ＯＤＲ 為０．６２５ Ｈｚ，且在超低功耗連續檢測模式下運行時，工作電流僅５μＡ，滿足車位傳感節點超長續航的工作需求。

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域地磁場的變化來感知鐵磁物體的存在，當車輛在地磁傳感器附近出現時，磁力傳感器模塊檢測停車位地磁場變化并進行數據采樣，并將這些數據通過 ＳＰＩ接口發送給 ＭＣＵ 進行處理分析。

３。２ NB-IOT 模組電路

NB-IOT 模組選用 ＮＢ０５－０１ 模組，內嵌全球領先的窄帶物聯網無線通信模塊，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 標準中的頻段要求，具有體積小、功耗低、傳輸距離遠和抗干擾能力強等特點，在 ＰＳＭ 模式下運行電流僅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 模組的穩定運行，在卡的各個引腳添加 ＥＳＤ 防靜電保護，ＥＳＤ 采用 ＣＭ１２１３系列的 ＴＶＳ管集成芯片，以增強所設計的傳感節點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 ＳＴＭ３２Ｌ１５１Ｃ８Ｔ６，該 ＭＣＵ 基于 ３２ 位 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３內核，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計。ＭＣＵ 部分電路圖如圖７所示，該部分主要負責地磁傳感器數據的預處理及分析，并結合獲取的地磁場數據進行車位狀態判斷、控制 NB-IOT 模組進行無線數據傳輸、節點自身狀態監測及預警等。

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點數據通信效果的關鍵一環，所設計的 ＲＦ走線應滿足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，即

式中：εｒ 為ＰＣＢ板材的介電常數；ｔ為ＰＣＢ走線銅的厚度；ｈ為微帶線的介質厚度；Ｗ 為ＰＣＢ走線的寬度。由 式（１）可見：ＰＣＢ走線的阻抗Ｚ 與板材介質厚度成正比，與εｒ，Ｗ 和ｔ成反比。因此，在模組進行ＰＣＢ設計時也需根據ＰＣＢ加工廠商的工藝進行設計調整，使天線各部分走線滿足５０Ω 阻抗匹配。結合ＰＣＢ廠家的工藝標準，設計出的 ＲＦ 走線經仿真驗證，結果顯示設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 模組提供穩定的３．３Ｖ 電壓，最大輸出電流可達５００ ｍＡ，滿足 NB-IOT 模組天線開啟時所需的瞬時功耗，靜態電流１μＡ，符合車位傳感節點的低功耗設計需求，在輸出端并聯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

筆者設計的車位傳感節點采用鋰電池供電，電路 中預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，耐用性強且使用方便。鋰電池采用的是電壓３．７Ｖ，總容量１０２００ｍＡｈ的并聯式鋰電池組，當泊車位沒有車輛進出的情況下，傳感器長期處于低功耗運行模式，ＭＣＵ 進入啟用 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 模組進入 ＰＳＭ 模式，功耗約為５μＡ。節點中其他模塊如存儲芯片在掉電模式下的功耗極低僅１μＡ，傳感器節點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量的７０％，因此，在沒有車輛進出的理想條件下，可以估算出鋰電池理論上最長可以為傳感器節點提供２８５６００ｈ即３３ 年的續航時間。

圖１０ 鋰電池充電電路圖

４ 軟件設計

軟件主程序流程如圖１１所示，上電時首先進行系統的初始化，完成對 NB-IOT 模組、三軸磁力傳感器、ＭＣＵ 及各項網絡參數的配置，NB-IOT 模組的注網過程包括通過相應的 ＡＴ 指令對 ＮＢ－ＳＩＭ 卡的有效性、模組頻段、網絡激活狀態、網絡注冊狀態、信號質量和連接狀態等環節進行查詢驗證，以 確保NB-IOT 數據能夠正常接收和發送，待 NB-IOT 模組成功注網后，進入泊車位檢測流程，ＭＣＵ 對磁力傳感器采集的數據進行分析判斷，若車位狀態發生了改變，將車位狀態信息發送到平臺，并進入低功耗模式，若車位狀態未發生改變，則直接進入低功耗模 式，當發 生定時中斷或傳感器發出外部中斷時， ＭＣＵ 喚醒并重新進入泊車位檢測流程，如此往復循環。

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節：數據采集，主要負責對磁場進行實時數 據采集；數據濾波，對采集來的實時數據進行過濾， 濾除干擾信號以及毛刺；分析判斷，獲取到濾處理后 的數據，并根據這些數據分析判斷車位的狀態并輸出；基準線更新，基準線是傳感器節點進行車位檢測判斷的重要依據，磁場受到溫度等環境因素的影響會產生微弱的變化，因此在車位空閑的情況下， 對三軸基準數據進行定期的更新，有利于保證車位檢測的準確性。

圖１２ 泊車位檢測總流程圖

本設計所用濾波算法采用中值率波與均值濾波結合的方式進行處理。中值濾波算法的公式為

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

將采樣到的一組數據由大到小進行排列，將中間的值作為采樣的數值。均值濾波算法為

將獲得的一組數據取平均值作為采樣的結果， 這兩種方法結合可以有效濾除所獲取數據的毛刺等干擾。

傳感節點發生中斷喚醒后開始分析判斷車位狀態，首先 ＭＣＵ 處于低功耗待機模式，傳感器在低功耗連續檢測狀態下工作，每秒檢測５ 次磁場，當傳感器檢測到Ｚ軸數值大于設定好的閾值時，傳感器產生中斷喚醒 ＭＣＵ，具體的中斷處理流程如圖１３所示。

圖１３ 車位狀態判斷流程圖

ＭＣＵ 喚醒后通過濾波獲取并處理數據，根據當前車位是否空閑分兩種方向進行車位的判斷，主要的判斷依據是將車位在空閑狀態下獲得的磁場基準線與采集的數據進行比較：若車位當前空閑，就判斷車位是否是車輛駛入車位，若采集到的數據并沒有滿足車輛駛入車位的判斷條件，則認為引起中斷的為干擾事件，傳感器節點重新回到低功耗待機狀態，等待車輛駛入；若車位已經有車停，則判斷車輛是否離開車位，當引起中斷的數據沒有滿足車輛離開的判斷條件時，則認為該中斷源為干擾，傳感器節 點重新回到低功耗檢測狀態，等待下一次中斷產生。

本研究實現的車位傳感器節點將選用的 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通信協議的 NB-IOT 平臺進行數據交互，并且 ＭＣＵ可以通過 ＵＳＡＲＴ 串口靈活地發送豐富的 ＡＴ 指令對 NB-IOT 模組進行操作。

NB-IOT 模組實時發送泊車位狀態的前提是 NB-IOT 模組已經成功注網，以３號泊車位上傳車位有車輛駛入的狀態信息為例，要上傳的格式為長度７ 字節的１６ 進制數據，內容為０３０１０２０００１ＦＣ０１，其中第１字節為泊車位地址，第２字節為功能碼，代表上傳的是泊車位狀態，第３ 字節表示數據的字節長度，第４，５字節為泊車位狀態信息，最后兩個字節為 ＣＲＣ１６校驗 碼。NB-IOT 模組發送泊車位狀態的 ＡＴ 指令流程如圖１４所示。

圖１４ 泊車位狀態信息發送流程圖

首先，向模組發送 ＮＣＤＰ 指令查詢模組設置的ＣｏＡＰ 服務器ＩＰ 地址號及網絡端口號是否正確，若返回的值與所要發送的 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，向模組發送 ＮＳ－ ＭＩ指令，開啟模組的“消息發送通知”功能，開啟成功后，使用 ＮＭＧＳ指令發送泊車位狀態信息，若模組返回“ＥＲＲＯＲ”，則需要再次發送泊車位狀態信息，若發送成功，模組將返回“＋ＮＳＭＩ：ＳＥＮＴ”告知 ＭＣＵ信息已經成功發送，至此泊車位狀態發送完成。