基于多传感器融合的智能车位锁系统设计与研究

黄燕 戚志锦

摘  要：针对机械式手动车位锁使用不便，以及当前单地磁传感器检测的智能车位锁容易受到相邻车位车辆进出或停放不规范干扰，出现误检问题等弊端，为提高车位锁对车位上的车辆检测的准确率，对现有的自动车位锁做出改进，提出了一种基于BLE技术的多种测量方法相结合的智能车位锁实现方法。该智能车锁可通过蓝牙模块进行信息传输及车辆定位，将定位结果与地磁信号融合来提高车辆的检测准确度，实现智能车位锁精准控制，同时可以实现手机APP推送开锁校验码。

关键词：车位锁;多传感器融合;BLE技术;蓝牙定位;地磁车位检测模块;车辆检测

中图分类号：TN409;TP391.44      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）17-0161-06

Abstract：Aim at the inconvenience of the traditional manual operation parking lock and the current intelligent parking lock threshold based single geomagnetic detection method is easy to be interfered by the adjacent parking space vehicle when performing vehicle detection，resulting in high missing detection and false detection probability. In order to improve the accuracy of parking vehicle detection，the current intelligent parking lock is improved，implementation method of intelligent parking lock based on the fusion of geomagnetic sensor and BLE technology is proposed. The intelligent parking lock can transmit and locate information through the BLE module when the owner approaches. And the ranging result is combined with the geomagnetic signal to improve the detection accuracy. Realize precise control of intelligent parking lock. It can realize the unlock check code pushed by mobile APP.

Keywords：parking lock;multi-sensor fusion;BLE technology;Bluetooth positioning;geomagnetic parking detection module;vehicle detection

0  引  言

智能物聯是目前社会发展的主流方向，智能车位锁也是智能物联技术的一个领域。当前社会车位紧张，而车位锁的出现，解决了车位被他人占用从而可能引发的矛盾。传统车位锁开锁或关锁都需要人工手动操作，车主需要下车操作;而红外遥控车位锁不够智能，每次操作都需要找遥控车钥匙，使用极为不便[1];而目前在市场上销售的智能车位锁是通用蓝牙电子标签发送车位锁密钥及数据交换，通过单一的地磁传感器实现对车辆是否在车位的检测，实现车位锁的升降。但由于使用智能车位锁车主的车各式各样，市面上的智能车位锁只采用了单一的地磁传感器对车辆是否在车位进行判断，由于不同的车辆对磁场的改变有较大不同，地磁传感器没有标准的阈值设定方法。若地磁强度判定阈值设置过小，该车位状态判断容易受到相邻车位车辆进出或其他环境因素的干扰影响，导致误触发;若地磁信号判断阈值较大，则容易遗漏掉车位上小型车辆或其他弱磁车辆，导致车辆不在车位的错误判断[2]。所以采用单地磁传感器阈值判断的方法存在一定缺陷，若该车位相邻车辆停放不规范时容易造成漏检与误检等问题[3]，相邻车辆停放不规范的示例如图1所示。为解决以上存在的漏检与误检等问题，佛山职业技术学院科研组对智能车位锁课题进行立项研究，电子信息学院部门成立智能车位锁课题项目研究小组，针对智能车位锁的漏检与误检等问题进行研究。为了增加智能车位锁系统对车辆的检测准确度，在单地磁传感器检测的基础上加入蓝牙定位的判断条件进行辅助判断，该文结合BLE技术对车辆进行定位并与车辆进行数据通信，可有效解决由于相邻停车位车辆进出或车辆停放不规范原因造成的本停车位状态误判问题。

蓝牙定位技术在蓝牙5.0推出后，其技术特点更为突出，不管在通信距离上、反应速度上及稳定性上都具有较好性能，这些优势确保了蓝牙技术短距离的定位上有较大的竞争力，特别是室内定位。基于蓝牙信标的室内定位为当前研究热点，通过在室内布置多个蓝牙信标，使用蓝牙电子标签进行实时位置计算，实现准确的室内定位[4]。本文首先对现有智能车位锁存在的不足分析，提出了将BLE的通信及定位技术与地磁传感器结合的智能车位锁系统的实现方法，并搭建了智能车位锁系统。

1  系统结构

基于BLE技术的智能车位锁系统结构图如图2所示。系统分三个硬件系统组成：车载BLE电子标签终端与智能车位锁控制系统，车载BLE电子标签终端装在车辆上，智能车位锁控制系统则是安装在车位上，放置在停车位周围的蓝牙信标通过车载BLE电子标签终端与智能车位锁的BLE模块进行数据通信，并通过收集先前布置在智能车位锁周围的多个蓝牙信标信息进行当前坐标的估算，实时车辆的定位;车位锁中的MCU控制器模块是负责系统的调度，对电机驱动的控制、对地磁信号的分析、对电源系统的管理、对BLE模块信号的分析、对碰撞的报警等。电机驱动模块负责控制电机对智能车位锁进行开锁或关锁的工作;地磁检测模块负责检测车位当前车位车辆状况，判断车位是是否有车停放;电源供电模块负责系统供电策略管理。若车位上有车辆则MCU控制器模块进入休眠，同时关闭BLE模块来降低系统功耗，当地磁检测模块检测到地磁信号变化超过阈值时，便唤醒MCU控制器模块及BLE模块，BLE模块与车载BLE电子标签终端进行通信并定位，判断车辆是否在车位内，提高车位锁对车辆检测精度，有效解决误检等问题。报警模块负责检测电量及外界对车位锁的碰撞情况报警等。各模块协同工作，保证系统准确、稳定工作的同时，还要保障系统的续航能力。

车载BLE电子标签终端（主机），负责与智能车位锁系统（从机）控制端建立无线通信，与智能车位锁连接后向智能车位锁控制端发送密钥，并与车位周围的蓝牙信标通信，计算当前车辆实时位置，当识别车辆位置距智能车位锁距离达到一定值后，通知智能车位锁控制端进行相应的开锁或关锁操作。蓝牙信标，主要为车载BLE电子标签终端提供当前坐标的估算，确保车辆的定位精确度。

2  硬件系统设计

智能车位锁的控制器分别由MCU控制器模块、BLE模块、地磁检测模块、报警模块、电源供电模块及电机驱动模块组成，其中MCU控制器模块负责系统任务调度，本设计的MCU选用ST公司的超低功耗系列芯片中的STM32 L010K8芯片。

2.1  MCU控制器模块

STM32L0xx系列为ST公司的STM32L010系列的入门级产品，是一颗基于ARM Cortex-M0+架构的MCU，可实现0.23 μA待机的超低功耗模式，唤醒时间短，12位ADC在采样速率为10 ksps的条件下电流消耗约为41 μA，接口功能丰富，能为低功耗物联网的应用提供强大功能支持。本设计选用内置8 KB RAM和64 KB Flash的STM32L010K8，工作电压范围为1.8 V～3.6 V，工作温度范围-40 ℃～ 85 ℃。因该MCU的设计简便、产品性价比高及低功耗的特性，其非常适合应用于本设计中。如图3所示为STM32 L010K8最小系统电路图，其中BLM18PG121为120 Ω磁珠，用于抑制电源线上的高频噪声和尖峰干扰。

2.2  BLE模块

系统中的BLE模块有几个主要功能，一个蓝牙电子标签之间需要在建立通信连接并发送相应的密钥信息，二是运用iBeacon技术进行近距离定位，对当前车辆位置坐标估算及定位，三是兼作为蓝牙信标3，为车辆定位提供准确坐标[5]。蓝牙定位系统主要由信标节点和信号接收处理系统构成，而信标拥有协议栈配置独有的编号标识，负责距离计算以及位置标识。车载BLE电子标签终端系统包含信号接收、数据处理器以及将信号回传给智能车位锁。车载BLE电子标签终端内置的蓝牙模块作为接收器，负责搜索蓝牙信标及识别蓝牙信标的通用唯一识别码（UUID）标识，与智能车位锁端通信;车载电子标签端还负责用接收到的RSSI值来计算距离信息和坐标，处理后及时回传到智能车位锁端;在车位周边放置3个蓝牙信标（其中智能车位锁为一个蓝牙信标），智能车位锁端与车载BLE电子标签终端进行信息交换，并及时处理车位锁开锁或关锁等。系统结构如图4所示。

系统使用距离式定位，基于三点定位技术实现定位。蓝牙的RSSI值包括距离相关信息，随着两者距离的增加，RSSI信号强度也会呈现出有规律的减弱，所以通过RSSI衰减模型实现距离测量[6]。对于蓝牙定位算法介绍的文章较多，具体三点定位算法可参考文献[7]。

蓝牙5.1实现了更快的传输速度、更远的传输距离、更低的功耗、更高的定位精度。BLE 5.1拥有更高精度的定位测向功能，室内定位精度可达到厘米级，这些性能非常适合于智能车位锁的应用。

本设计选用挪威Nordic的BLE 5.1具备寻向功能的SoC芯片nRF52811。1.7 V～3.6 V供电电压范围，使用先进的片上自适应电源管理系统可实现极低的能耗。nRF52811是一个多协议的2.4 GHz射频模块，内置频率为64 MHz的32位ARM Cortex-M4处理器，拥有192 KB Flash+24 KB RAM，拥有着丰富的数字外围和接口。nRF52811电路图设计如图5所示。

2.3  地磁检测模块

地球上充满地磁场，在一定的区域内的地磁场信号强度是基本稳定的[8]。而金属物体会对地磁场信号产生扰动作用，改变周围的地磁分布，改变该区域的地磁场强度。根据以上原理，采用地磁检测模块对车位处的地磁信号强度变化进行监测，感知车位上方的车辆停放情况[9]。

本設计只需要静态地检测车位的车辆是否存在，不需要对识别判断车辆的运动状态，故只需要选用单轴地磁传感器，传感器选择性价比较高的美国霍尼韦尔公司HMC1001地磁传感器[10]。HMC1001的测量磁场范围为±480 A/m，完全满足判断车位上方车辆是否存在的要求，该地磁传感器拥有体积小，性价比高，灵感度高，可靠性高等优点，很好地满足智能车位锁系统设计要求。

地磁传感器HMC1001模块电路图如图6所示，由地磁传感器IC、地磁信号放大增强电路、地磁信号比较电路及对地磁芯片复位电路等电路组成。

HMC1001属于小磁场传感器，其在受到较大的外力磁场的情况时会使得传感器输出信号的质量变差，此时由三极管S8050及场效应管IRF7105组成的复位电路会产生一个电信号来对磁场传感器进行复位，以恢复其特性。HMC1001地磁传感器采用惠斯通电桥原理，将磁场信号变换成差分信号，再经信号放大器（AMP04）电路，将差分信号放大，再通过由运算放大器LM324组成的跟随器，最后将信号传给MCU控制器模块，MCU控制器模块将采集到的电压信号与有车辆在车位上方时的阈值电压进行比较，并进行判断处理，从而判断车位上是否有车辆停放[11]。根据以上地磁信号强度变化条件，判断停车位上方是否有车辆进出。

2.4  电源供电模块及报警模块

由于系统各模块的所需的供电条件各异，需要电源供电模块进行电压适配，如系统中采用电池电压为6 V，需要通过低静态电流LDO器件LP2951-3.3将6 V供电电压转变成为3.3 V，为MCU STM32L010K8供电。在其他所需电流较大的模块，均选用DC-DC模块供电，DC-DC选型方面要选取静态电流小，转换效率高DC-DC元器件，设计中选用TI的DC-DC芯片LMR14030给电机驱动模块、地磁检测模块及BLE模块等供电，均由MCU控制器模块控制其电源开关，决定它们的供电时间，保证电池的续航能力。图7为DC-DC电源供电模块原理图。

当停车位无停放车辆时，车位锁会打开，当车位锁检测到外界力量强制碰撞干扰时，MCU控制器模块会输出脉冲波，控制报警模块发出碰撞警报声[12]。当车位锁检测到电池电压过低时，报警模块会在车辆进入车位后便发出电压过低警报声，提醒用户更换电池。图8为警报声模块电路。

2.5  电机驱动模块

本设计要对车位锁摇臂进行升降，需要电机驱动电路对电机正反转进行控制，选用的电机驱动器为AT8837。AT8837是由中科微生产的集成电机驱动控制芯片。AT8837是单通道H桥的输出驱动器芯片，其中H桥驱动电路由NMOS功率管构成，最大输出电流可达1.5 A，拥有正转、反转和刹车等驱动功能。AT8837内部有过流、短路及过温保护，欠压锁定保护等，通过PWM信号控制电机转向及调速，当拉低nSLEEP管脚时，会使AT8837芯片进入低功耗睡眠模式等功能。AT8837拥有宽电压输入、低静态电流及低待机电流等优点。综上特点，AT8837比较适用于智能车位锁的电机驱动模块设计要求。

AT8837电路如图9所示，其VM脚为电机电源供电脚，一个100 μF电解电容与100 nF的瓷片电容并接到地，用于电源滤波，PCB布局时尽量将其旋转于VM管脚旁。为了更好抑制电机在工作或断开瞬间产生火花，降低EMC干扰及保证机电运行安全，在电机输出端OUT1与OUT2之间并联一个100 nF的瓷片电容，其中BLM18PG330为33 Ω磁珠，用于抑制电源线上的高频噪声和尖峰干扰。

3  软件系统设计

智能车位锁端的控制程序是整个车位锁系统的核心程序，负责对车位上车辆的存在识别，车辆进出行为判断，车位锁上锁或开锁控制等[13]。车位上车辆的存在与否是通过地磁传感器强度信号的变化进行识别的;车辆进出行为判断通过地磁传感器信号的变化及BLE模块定位测距双重判断，防止相邻车位车辆的干扰出现误判;智能车位锁系统感知车位车辆的情况对电机进行控制，执行关锁或开锁控制，其工作流程图如图10所示。

车位锁上电后，系统对各设备模块进行初始化，随后系统进入循环主程序。接下来对当前车位状况进行检测，若车位无车辆停放时，系统对车位进行关锁操作。关锁完成后打开BLE模块扫描车载BLE电子标签终端，若车位锁BLE模块识别到车载BLE电子标签终端时，双方配对，进行密钥验证，通过后，对车辆进行距离定位，若车辆距车位锁满足特定距离后（系统默认为15米），唤醒地磁检测模块，同时打开车位锁并降下车位锁，使车辆驶入车位。通过地磁传感器及BLE模块定位测距共同检测车辆是否入位，确认入位后，系统进行低功耗模式，关闭BLE模块、MCU控制器模块进入休眠状态，只打开地磁检测模块对车辆进行检测。当地磁检测模块监测磁强变动值大于设定阈值时，系统会唤醒BLE模块对车辆进行距离定位，确定车辆是否离开。确定车辆离开后，执行关锁程序，关闭地磁，BLE模块进入低功耗运行模式，进入车辆检测程序。空车位在等待过程中，要监测车位锁是否遭到外力破坏，若有遭到外力破坏，系统会发出碰撞报警的警报声。

4  结  论

课题项目的研究小组提出的地磁传感器与BLE模块定位测距多传感器融合的智能车位锁的设计方案，在系统硬件的设计中选用了低功耗芯片，对软件及流程进行优化，让智能车位锁的续航能力更强，通过BLE模块通信密钥算法识别车主身份，通过iBeacon技术进行近距离定位，对当前车辆位置坐标估算及定位，将定准测距结果与地磁检测模块相融合，提高车辆的检测准确度，实现智能车位锁精准控制。可有效解决由于相邻停车位车辆进出或车辆停放不规范原因造成的误判问题。

参考文献：

[1] 熊英鹏，毛佳昌.基于蓝牙的智能车位锁设计 [J].科技视界，2019（25）：33-35.

[2] 张足生，邓见光，赵铁柱，等.一种波形相似度的车辆检测融合算法 [J].传感技术学报，2018，31（3）：400-407.

[3] 张增超，李强，孙红雨，等.基于地磁传感器和UWB技术的停车位车辆检测方法與实现 [J].传感技术学报，2019，32（12）：1917-1922.

[4] 马旭攀，惠飞，景首才，等.一种基于蓝牙信标的室内定位系统 [J].测控技术，2016，35（4）：55-58+66.

[5] 徐乐.基于室内蓝牙定位系统的研究与实现 [D].广州：广东工业大学，2019.

[6] 山德，达曼，门兴.无线通信系统中的定位技术与应用 [M].朗为民，王大鹏，王逢东，等译.北京：机械工业出版社，2016：21-37+174-178.

[7] 郭鹏宏.基于低功耗蓝牙定位技术的道路车辆定位方法研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

[8] 顾夫挺，郭海锋，何德峰.基于地磁和超声波传感器的可靠无线车辆检测算法 [J].高技术通讯，2018，28（Z2）：937-944.

[9] 祁海禄.基于地磁和雷达检测的无线车位检测器设计 [J].测控技术，2018，37（7）：78-81.

[10] 李渊博，张红雨，牛嘉祥.基于蓝牙的智能车位锁设计 [J].电子设计工程，2017，25（13）：126-129+134.

[11] BOTTA A，PESCAP? A. IP Packet Interleaving for UDP Bursty Losses [J].The Journal of Systems & Software，2015，109：177-191.

[12] 赵迎，严李强，冯郅皓.一种自感应共享车位锁的设计与实现 [J].物联网技术，2020，10（6）：102-105.

[13] 李渊博.基于蓝牙的低功耗智能车位锁系统设计 [D].成都：电子科技大学，2017.

作者简介：黄燕（1985—），女，汉族，湖北荆门人，讲师，硕士，主要研究方向：物联网技术;通讯作者：戚志锦（1984—），男，汉族，广东湛江人，工程师，硕士，主要研究方向：汽车电子技术。