２０１２年第３ｌ卷第ｌ期 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） １４３ 一种停车场无线车位检测器设计与实现 宇 ，龙沪强 （１．上海交通大学，上海２００２４０； ２．中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海２０００５０） 摘要：分析了现有有线超声波车位检测器存在的问题，在此基础上，提出了一种基于无线射频技术的车 位检测器，并详细描述了系统原理、硬件设计和具体实现细节。无线车位检测器构成一个无线传感器网 络，可以实时地监测车位占用情况。该检测器有安装方便，安全可靠，价格便宜等优点。 关键词：车位检测器；无线传感器网络；磁传感器；螺旋天线 中图分类号：ＴＰ３９３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－－９７８７（２０１２）０１－－０１４３－４３３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐａｒｋｉｎｇ ｌｏｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ＬＩ Ｐｅｎｇ．ｙｕ ，＿．ＬＯＮＧ Ｈｕ—ｑｉａｎｇ （１．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｐａｒｋｉｎｇ ｌｏｔｓ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＲＦ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａ ｌｏｔ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｃｏｍｂｉｎｅ ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ’Ｓ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｅａｓｉｌｙ ｇａｔｈｅｒｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｈａｓ ｍａｎｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｉｎｓｔａｌ，ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｓａｆｅ ａｎｄ ｃｈｅａｐ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｒｋｉｎｇ ｌｏｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ）；ｍａｇｎｅｔｏ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ；ｈｅｌｉｃａｌ ａｎｔｅｎｎａ ０引 言 网关服务器把车位占用情况存人嵌入式数据库，停车场管 中国进入汽车时代后，大型停车场相继出现，对于停车 理终端通过以太网访问嵌入式数据库，完成车位信息的更 场内的车位的精细诱导需求日益明显，因此，出现了很多实 新，同时网关服务器会把车位变化数据通过以太网传送给 时车位监控方案，其中，通过地磁检测、无线传感器网络协 各个ＬＥＤ显示屏。 作感知、实时车位采集系统的优势日益明显。无线传感器 网络有布设灵活、低功耗、反应灵敏等特点，相比传统的超 声波定位功耗大、布设繁琐、虚报误报有很大的优势。本文 ： 日ｒ ｉｆ￣－￣ 基于无线传感器网络技术提出了一种在线实时车位检测的 解决方案和系统实现技术，并成功应用于商业停车场。 ： ： １系统总体概述 图１所示的车位检测系统由４部分构成：１）安装在停 车场车位上的车位检测器和安装于天花板的路由节点构成 ： ： ： 的自组织 无线传感器网络；２）由无线射频模块和工控 — — 机组成的停车场网关服务器；３）由ＰＣ机组成的停车场管 停车 终 理终端，用于管理停车场的车位使用情况和监控设备运行 状态；４）安装在停车场天花板下的ＬＥＤ显示屏，用于显示 停车场剩余车位的显示情况。数据传输采用主动方式，传 图１停车场车位检测系统 感网采集车位占用与否数据无线发送给停车场网关服务器， Ｆｉｇ １ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐａｒｋｉｎｇ ｌｏｔ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 收稿日期：２０１１＿０５—１５ 基金项目：国家重大科技专项基金资助项目（２００９ＺＸ０３００６－００６） ｌ４４ 传感器与微系统 第３ｌ卷 ２车位检测器硬件设计 如图２所示，车位检测器由微处理器、射频模块、电源 模块、传感器模块构成。微处理器定时查询传感器模块状 态，如果传感器检测值超出门限，即打开射频模块发射传感 器数值到传感网中。电源模块负责提供一个稳定的电压给 微处理器和射频模块，在适当的时候关闭一些模块，使整个 系统进入低功耗状态。 低压差线形稳压器 图２车位检测器硬件结构 Ｆｉｇ ２ Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐａｒｋｉｎｇ ｌｏｔ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ２．１射频模块 射频模块负责检测器节点的数据收发，本设计采用的 是ＡＤＩ公司的无线射频收发器ＡＤＦ７０２０—１。现在比较流行 的是ＩＳＭ ２．４５ ＧＨｚ频段的无线收发器，但本检测器贴地面 安装，而且，汽车停在检测器上面会对无线信号产生遮挡， 另外，停车场内多混凝土墙壁和柱子，使信号的反射和折射 噪声干扰很大，必须选用绕射能力强和穿透距离远的方案， ２．４５ ＧＨｚ在穿透能力和传输距离方面都不如ｌ ＧＨｚ频率以 下的收发器，ＡＤＩ公司的ＡＤＦ７０２０—１相比同类型芯片，发射 功率更大，灵敏度更高，非常适合这种应用。ＡＤＦ７０２０—１适 用于３１５，４３３，４７０，６１５ ＭＨｚ ＩＳＭ频段。对于频率选择， ３１５ ＭＨｚ多用于智能家居、无线遥控钥匙等应用；４３３ ＭＨｚ多 用于汽车的无钥系统，这２个频段都不适合作为车位检测 器的频段，因此，最后选择４７０ ＭＨｚ频段。芯片电压范围为 ２．３—３．６Ｖ，可编程输出功率为－２０－６３ｄＢｍ，ｌｋｂｐｓ ＦＳＫ调 制接收灵敏度 为－－１１９ ｄＢｍ，接收模式电流为１７．６ ｍＡ，发 射模式１０ ｄＢｍ输出功率电流为２ｌ ｍＡ，器件关断电流小于 ｌ Ａ。考虑到传输的可靠性和低功耗设计，采用ＦＳＫｌ３ 调 制，４７０ＭＨｚ，数据率为９６００ ｂｐｓ，发射功率为１３ ｄＢｍ。 ２．２处理器模块 处理器采用ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０ＦＳＸ系列的低功耗单片 机，因为本产品采用电池供电，要求系统的平均电流要低才 能延长产品的使用寿命，ＴＩ公司的ＭＳＰ４３０系列单片机待 机电流只有几个 Ａ，本检测器采用ｌＯ Ａｈ的电池，设计寿命 要大于５年。 ２．３传感器模块 磁传感器采用ＰＮＩ １１０９６，ＰＮＩｌ１０９６是可以用来检测 ｘ，ｙ，Ｚ ３个方向磁场变化的传感器，本设计只使用ｚ轴方 向的磁敏，因为汽车停在检测器的正上方，ｚ轴反应最灵 敏，而Ｘ，＇，轴相对反应变化不大。磁传感器芯片和单片机 之间用１２Ｃ串口通信，使用非常方便，ｐｉｎ１１０９６＿ＳＳＮＯＴ是芯 片使能脚，ｐｉｎ１１０９６ＲＥＳＥＴ可以初始化芯片，其他ＰＮＩＭＯ— ＳＩ，ＰＮＩＭＩＳＯ，ＰＮＩＳＣＬＫ为三线ＳＰＩ，电路图如图３。 图３磁传感器硬件设计图 Ｆｉｇ ３ Ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ２．４电源模块 电源模块采用ＴＩ公司的低压差线形稳压器ＴＰＳ７７２２８． ＬＤＯ稳定输出在２．８Ｖ，关断电流为ｌ Ａ，最低输出电压在 ２５ ｑｃ时１３０ ｍＶ电流可以达到１５０ ｍＡ，选用４．５ Ｖ电压电 池，单片机可以工作在１．８ Ｖ。 ３天线设计 ３．１天线的选择 由于系统采用４７０ＭＨｚ的频段传输，电磁波的波长可 以达到６３．８ ｃｍ，这样半波振子天线和微带贴片天线都不适 合这种应用，比较常见的选择是螺旋天线，由于直径Ｄ的大 小螺旋天线分成２种，Ｄ／Ａ＜０．１８时，螺旋天线为慢波结 构，为法向螺旋天线 ，当Ｄ／Ａ为０．５～０．４６时，天线的最 大辐射方向沿螺旋轴方向的圆极化天线，称为轴螺旋天线。 由于检测器的体积很小，直径只有１５ ｃｍ，因此，不可能选用 直径很大的轴向螺旋天线，法向螺旋天线是最好的选择。 ３．２仿真设计 仿真软件使用美国Ａｎｓｏｆｌ公司的ＨＦＳＳ软件，ＨＦＳＳ是 基于电磁场有限元方法（ＦＥＭ）分析微波工程问题的三维电 磁仿真软件。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稳定成熟的自适应网络剖分技 术等特点，非常适合微波设计。 设计的螺旋天线参数：螺旋直径Ｄ＝１．５４ｍｍ，螺距ｓ： １．６５ｍｍ，螺旋导线直径ｄ＝０．３１ｍｍ，螺旋匝数Ｎ＝１３，金属 底盘直径为８０ Ｆｉｌｍ，螺旋材质选择为不锈钢（ｓｔｅｅｌ ｓｔａｉｎ— ｌｅｓｓ），估算中心频率为４７０ＭＨｚ，扫频范围为２００￣６００ＭＨｚ。 ３．３仿真结果 由图４可以看出：该天线的方向图满足预先设计的要 求，增益在＋６０。时大于０，最大增益达到２．１９ ｄＢ。 第ｌ期 宇，等：一种停车场无线车位检测器设计与实现 １４５ （ａ）螺旋天线３Ｄ远场方向图 ◆ 图５节点安装实物图 Ｆｉｇ ５ Ｅｎｔｉｔｙ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｎｏｄｅｓ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ （ａ）３Ｄ ｐｌｏｔ ｆａｒ－ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆｈｅｌｉｃａｌ ａｎｔｅｎｎａ 方法，完成了传感器电路和射频电路的设计，并对天线进行 ＇＾ ● ｃ．ｒｐ■“碲¨ ｌ，． ｏ＿ ｍ一 了仿真设计，使车位检测器的无线通信能力达到最优，实现 了通过无线传感器网络设备替代传统有线设备，使得停车 场车位检测器达到灵活布设、自组网、节约能源等目标。 参考文献： —一 ［１］Ｓｕｎ Ｌｉｍｉｎ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｍ］．Ｂｅｒｉｎｇ：Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉ． ｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００５：１０８－－１２０． ［２］Ｋａｒｌ Ｈ，Ｗｉｌｌｉｇ Ａ．Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ａｎｄ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｍ］．Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ，Ｗｅｓｔ Ｓｕｓｓｅｘ，Ｅｎｇｌａｎｄ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆ （ｂ）螺旋天线２Ｄ远场方向图 Ｓｏｎｓ Ｐｒｅｓｓ。２００５：２８９－－３２９． （ｂ）２Ｄ ｐｌｏｔ ｆａｒ－ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆｈｅｌｉｃａｌ ａｎｔｅｎｎａ ［３］ 陈邦媛．射频通信电路［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６：９３— 图４螺旋天线远场方向图 １３３． Ｆｉｇ ４ Ｐｌｏｔ ｆａｒ－ｉｆｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｈｅｌｉｃａｌ ａｎｔｅｎｎａ ［４］Ｋｒａｕｓ Ｊ Ｄ，ＭａｒｈｅｆｋａＲ Ｊ．Ａｎｔｅｎｎａｓ：Ｆｏｒ ａｌｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．３ｒｄ ４在停车场的应用案例 ｅｄ．北京：电子工业出版社，２００６：１９６－－２３７． 目前，本系统已经完成了在上海商用停车场第一期安 ［５］谢拥军，刘莹．ＨＦＳＳ原理与工程应用［Ｍ］．北京：科学出版 装和试运行，运行期间工作性能良好，传感器检测节点安装 社，２００９：１９０－－２００． 于车位上方，节点装置照片如图５所示。 作者简介： ５结论 宇（１９７７一），男，辽宁开原人，硕士研究生，主要研究方向 本文提出了一种采用无线射频技术实现车位检测器的 为无线通信，物联网工程应用。 ； （上接第１４２页） ［６］ 胡三庆．基于ＭＥＭＳ加速度传感器的空间运动轨迹追踪系统 表１ ＡＤＸＬ３４５实验数据 设计与实现［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００９． Ｆｉｇ １ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｏｆ ＡＤＸＬ３４５ ［７］鲁资，林水生，周 亮．基于无线传感器网络的温度场绘 制［Ｊ］．传感器与微系统，２０１１，３０（６）：１７－－１９． ［８］ 王东东，郭文成．基于Ｚｉｇ Ｂｅｅ技术的路灯无线网络控制系 统设计［Ｊ］．天津工业大学学报，２００９，２８（１）：８４－８８． ［９］孟振飞，赵亚灵，侯贻帅．基于Ｚｉｇ Ｂｅｅ技术的无线数传模块 设计［Ｊ］．电子元器件应用，２０１０，１２（４）：３７－３９，４３． ［１０］杜向党，李淼，张继红．基于Ｚｉｇ Ｂｅｅ和ＧＰＲＳ的无线远程监 控实验系统设计［Ｊ］．实验技术与管理，２０１０，２７（５）：７６－６９． ［１１］马琚，马福昌．移动式无线数字水位监测站的设计与应 用［Ｊ］．传感器与微系统，２００８，２７（５）：８７－８８，９２． ［１２］赵建东，李晓武，张建海，等．太阳能综合供电系统充电控制 器的设计［Ｊ］．太阳能学报，２００３，２４（６）：８３２－８３５． ［１３］卢琳，殳国华，张仕文．基于ＭＰＰＴ的智能太阳能充电系统 ［４］ 昌学年，姚毅，闫玲．位移传感器的发展及研究［Ｊ］．计量 研究［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（２）：９６－－９８． 与测试技术，２００９，３６（９）：４２—４４． 作者简介： ［５］ 李兴法，尹冠飞．数字式加速度传感器ＡＤＸＬ３４５的原理及应 靳振宇（１９８６一），男，河南濮阳人，硕士研究生，主要研究方向 用［Ｊ］．黑龙江科技信息，２０１０（３６）：２，１４． 为智能仪器仪表。
