本发明涉及智能停车技术领域，具体涉及一种基于窄带物联网(nb-iot)的无线地磁车位智能感知设备及方法。
背景技术
随着我国经济不断增长，人民生活水平不断提高，城市汽车拥有量急剧上升，城市开放式的路边停车管理难度也越来越大。如果高效合理管理好路边停车，就能够有效缓解停车难问题。
目前国内路边停车管理现状：
第一代的人工管理，完全依赖人去做开放式路边停车管理。面临如下问题：(1)收费管理混乱：乱收费、计费不准，收费纠纷多，收费员舞弊操作多，假冒收费员乱收费；(2)运营管理效率低：收费员管理区域有限，收费难以监管，逃欠费无法追缴；(3)运营管理人力成本高；(4)收费员工作时间长，工资待遇低，吸引力不足，人员流动快。
第二代的咪表泊车管理，采取“咪表”计时刷卡收费的方式，依赖车主自己在咪表上完成计时及缴费。这相比第一代人工管理，减少了收费管理混乱的问题以及降低了人力成本，但是由于完全依赖于车主自主性，因此面临着车主逃费，收费难以监管；设备后期维护及运营成本较高以及寻找空闲路边停车位等问题。
第三代的传统无线智能停车管理，车位地面上安装车辆检测器，采用两跳技术将车辆占用信息上报给运营商无线网络(车辆检测器通过zigbee等短距传播技术将信息上报给汇聚网关，汇聚网关再通过2g/3g网络上报)，然后通过停车管理平台进行智能管理。车主可通过手机app，方便查询周边路边空闲车位，自助完成查询与缴费；业主方可通过停车管理平台实时进行车位系统实时管理，如果需要，还可对接政府交通管理，便于城市停车违章管理。相比之前二代，智能化程度极大提升。但是缺点是无线通信采用非授权频段，私建无线局域网，存在信号干扰问题，网络稳定性安全性较差，可能导致收费信息不准；汇聚网关覆盖范围有限，通常一个汇聚网关只能管理10～15个车位，效率低下，设备成本及部署成本较高；不同智能停车设备厂家采用私有的无线短距传播技术，无法兼容。
技术实现要素：
本发明所要解决的是目前智慧停车所存在的问题，提供一种基于窄带物联网的无线地磁车位智能感知设备及方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于窄带物联网的无线地磁车位智能感知设备，该设备安装在待感知的车位上，其主要由基于arm内核的微控制单元、三轴地磁传感器、光照传感器、窄带物联网模块、usim接口、通信接口、蓝牙接口、天线和电源模块组成；三轴地磁传感器和光照传感器嵌设在车位的地面上；三轴地磁传感器包括x轴磁阻传感器、y轴磁阻传感器、z轴磁阻传感器、数据选择器、ad转换电路、置位驱动电路、复位驱动电路和接口控制电路组成；x轴磁阻传感器、y轴磁阻传感器、z轴磁阻传感器分别与数据选择器的3个输入端连接，数据选择器的输出端经由ad转换电路连接接口控制电路的数据输入端；置位驱动电路连接接口控制电路的置位端；复位驱动电路连接接口控制电路的复位端；接口控制电路与微控制单元连接；光照传感器的输出端连接微控制单元；微控制单元与窄带物联网模块相连，天线连接在窄带物联网模块上；窄带物联网模块上设有usim接口，该usim接口上安装有物联网卡；微控制单元上设有通信接口，该通信接口与外部蓝牙设备连接；微控制单元上设有通信接口，该通信接口与地锁连接；电源模块连接微控制单元、三轴地磁传感器和窄带物联网模块的电源端。
作为改进，智能感知设备本体还进一步包括电磁兼容模块，该电磁兼容模块与窄带物联网模块连接。
作为改进，智能感知设备本体还进一步包括静电释放模块，该静电释放模块与窄带物联网模块连接。
作为改进，所述天线为ipex天线。
上述设备所实现的基于窄带物联网的无线地磁车位智能感知方法，包括步骤如下：
步骤1、无线地磁车位智能感知设备开始上电，设备初始化，设备开始寻找nb-iot网络，此时，微控制单元发送初始化指令到窄带物联网模块，窄带物联网模块发送入网指令到nb-iot平台申请加入网络，设备加入网络；设备加入网络成功后，设备进入正常运行状态，并转至步骤2；
步骤2、设备在正常运行状态下，微控制单元定时查询本车位是否有车出入：如果查询有车出入即三轴地磁传感器和/或光照传感器输入的数据发生变化，设备进入车位环境参数采集状态，并转至步骤3；如果查询无车出入即三轴地磁传感器和/或光照传感器输入的数据没有发生变化，则设备保持正常运行状态；
步骤3、在车位环境参数采集状态下，设备通过三轴地磁传感器进行三轴地磁参数采集，同时通过光照传感器进行周围环境光照参数采集；
步骤4、微控制单元根据三轴地磁传感器采集到的三轴地磁环境参数，判断地磁环境参数是否发生变化：如果发生变化，则转至步骤6；如果没有发生变化，则三轴地磁传感器继续进行地磁参数采集；
步骤5、微控制单元根据光照传感器采集到的周围环境光照参数，判断光照是否发生变化：如果有变化，则转至步骤6；如果没有发生变化，则光照传感器继续进行光照参数采集；
步骤6、微控制单元获取地磁参数和光照参数后，先采用多阶数字fir滤波器，对地磁参数进行平滑处理和补偿，再将平滑处理过的地磁参数进行多方位检测采样值与对应方位地磁基线参数比对，同时将获取的光照参数与平时无车时光照基线参数比对；
步骤7、当地磁参数超过地磁基线参数且光照参数超过光照基线参数时，微控制单元认定为本车位有车出入，否则微控制单元认定为相邻车位有车出入；
步骤8、当微控制单元认定为本车位有车出入时，微控制单元将车位状态数据及其车位地理位置信息组帧为车位数据后，传输至窄带物联网模块；当微控制单元认定为相邻车位有车出入时，不发送任何数据；
步骤9、窄带物联网模块将微控制单元需要发送的车位数据经天线发送至智慧泊车诱导系统的nb-iot平台上；
步骤10、设备回到正常运行状态，等待下一次触发的来临，并转至步骤2。
上述方法中，当设备正常运行状态时，设备持续与智慧泊车诱导系统保持通信联络，或者通过心跳包与智慧泊车诱导系统保持通信联络。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、采用多阶数字滤波平滑处理技术，通过滤波和补偿能够有效消除外界磁场的干扰，同时利用地磁检测配合多方位检测采样值与基线参数比对计算，能动态跟踪环境参数变化，具备更敏捷、精准、更高准确率的环境自适应能力。
2、不仅能动态跟踪环境参数变化，而且能利用多传感器数据融合处理的方法，克服邻车位干扰，检测性能不会随时间下降，不需要人工定期标校，在典型的室外环境下，能显著克服传统单一传感器的邻车位干扰问题。
3、相对于传统人工定期校正，或普通自适应校正的传感器，复合型传感器根据有关理论，能够有效克服了传统纯地磁型传感器在邻车位干扰、环境参数漂移这两大关键问题上的短板，使得检测更准确、性能更稳定。
附图说明
图1为基于窄带物联网的无线地磁车位智能感知设备的结构框图。
图2为地磁传感器+光照传感器结构图。
图3为基于窄带物联网的无线地磁车位智能感知方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，基于窄带物联网的无线地磁车位智能感知设备，该设备安装在待感知的车位上，主要由arm内核低功耗mcu、三轴地磁传感器、光照传感器、窄带物联网(nb-iot)模块、usim接口、通信接口、ble蓝牙接口、ipex天线、emc(电磁兼容)模块、esd(静电释放)模块、以及dc-dc电源模块组成。三轴地磁传感器和光照传感器嵌设在车位的地面上。三轴地磁传感器与微控制单元连接。光照传感器的输出端连接微控制单元。微控制单元与窄带物联网模块相连，天线连接在窄带物联网模块上。电磁兼容模块和静电释放模块与窄带物联网模块连接。窄带物联网模块上设有usim接口，该usim接口上安装有物联网卡。微控制单元上设有通信接口，该通信接口与外部蓝牙设备连接。微控制单元上设有通信接口，该通信接口与地锁连接。电源模块连接微控制单元、三轴地磁传感器和窄带物联网模块的电源端。
arm内核低功耗mcu负责地磁传感器、光照传感器的数据采集、预处理、算法分析等，并结合车体磁扰理论算法、自适应地磁检测算法进行车位状态精确识别，控制nb-iot模块进行无线数据传输处理、设备自身状态监测及预警(电池使用寿命)等。
三轴地磁传感器是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，包括高分辨率磁阻传感器，并附带集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、12位模数转换器、简易的i2c系列总线接口。地磁传感器周期性检测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，地磁传感器检测停车位地磁场变化并进行数据采集。参见图2，三轴地磁传感器包括x轴磁阻传感器、y轴磁阻传感器、z轴磁阻传感器、数据选择器、ad转换电路、置位驱动电路、复位驱动电路和接口控制电路组成。x轴磁阻传感器、y轴磁阻传感器、z轴磁阻传感器分别与数据选择器的3个输入端连接，数据选择器的输出端经由ad转换电路连接接口控制电路的数据输入端。置位驱动电路连接接口控制电路的置位端。三轴磁阻传感器是地磁传感器的核心部分，主要用于采集外部x、y、z三轴地磁场参数的变化，采用各向异性磁阻(amr)技术，该技术领先于其他磁传感器技术。这些各向异性传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点，传感器具有的对正交轴的低灵敏度的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到8高斯。数据选择器将三轴磁阻传感器采集的数据进行混合处理后，送入ad转换。ad转换电路将三轴磁阻传感器采集的数据进行ad转换处理，采用12bitadc与低干扰amr传感器，能在8高斯的磁场中实现5毫高斯分辨率，提高采样精度。接口控制电路采用i2c数字接口，与外围设备通讯，适用于通用双线串行数据接口。置位/复位驱动电路带置位/复位和偏置驱动电路用于消磁、自测和偏移补偿。
光照传感器为热电效应原理，感应元件采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面上，而冷结点则位于机体内，冷热接点产生温差电势。在线性范围内，输出信号和照度成正比。为减小温度的影响则配有温度补偿线路，为了防止环境对其性能的影响，则用两层石英玻璃罩，罩是经过精密的光学冷加工磨制而成的。光照传感器周期性检测停车位区域光照度的变化来感知物体的存在，当车辆在光照传感器附近出现时，光照传感器检测停车位光照度变化并进行数据采集。
nb-iot模块负责感知设备状态数据的发送和云端系统通信数据的接收。nb-iot是iot领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(lpwan)。nb-iot聚焦于低功耗广覆盖(lpwa)物联网(iot)市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点。nb-iot构建于蜂窝网络，只消耗大约180khz的带宽，可直接部署于gsm网络、umts网络或lte网络，以降低部署成本、实现平滑升级。nb-iot支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。nb-iot使用license频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。在本发明优选实施例中，nb-iot模块采用bc95模块，bc95模块是一款高性能、低功耗的nb-iot无线通信模块。其尺寸仅为19.9×23.6×2.2mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，同时有效地帮助客户减小产品尺寸并优化产品成本。bc95模块采用了微功耗省电技术，电流功耗在省电模式(psm)下，低至5ua。
usim接口用于安装物联网卡。usim卡接口电路符合etsi和imt-2000sim接口要求，可支持1.8v和3.3v供电的usim卡，支持usim卡热插拔，各信号增加esd保护器件用于esd防护，并通过增加并联电容用于滤除射频信号干扰。
通信接口包括串口、usb接口、i2c接口、i/o接口等，用于与外部进行数据交互、调试等。通信接口通过i/o接口与地锁连接，在车位地面安装地锁，在车位无预定情况下，地锁打开，保证车位无预定情况下，不允许车辆停放；在车位预定后，车主车辆到达车位时，通过车位预定码控制地锁落下，预定车辆进入预定车位。
ble蓝牙采用低功耗蓝牙技术，用于与外部蓝牙设备进行连接，实现车位查找和找车相关功能。
ipex天线连接在nb-iot模块上。ipex天线是一种pcb天线，用于nb-iot模块信号发射和接收。天线接口阻抗要求达到50欧姆。天线是一个敏感器件，容易受到外部环境的影响，为此在设计时在通路上增加了双l型匹配以提高射频性能，靠近天线接口处的并联使用电感，用于防静电。
emc(电磁兼容)电路和esd(静电释放)电路在整个产品的设计过程中，充分考虑了电磁兼容问题造成的信号完整性和电源完整性问题。为了让电路避免受到电磁干扰，进行了emc处理，外围电路布局和布线中的电源和信号走线，保持2倍线宽，以有效地减少信号之间的耦合和保持一个干净的信号回流路径。关键的输入/输出信号接口，考虑esd设计保护，增加esd电路，达到良好的esd保护。
dc-dc电源模块负责为感知设备提供稳定电源。dc-dc电源模块供电范围为3.4-4.2v，选用锂电池供电，为满足瞬时大电流的需求，在供电通路上增加了220uf以上的低esr的储能电容，在供电通路上增加了不同容值的滤波电容，降低干扰，并增加了emi相关处理电路。
本发明设备以车位为单位进行设计安装，每个车位下面安装一个无线地磁车位智能感知设备，在地磁车位智能感知设备里面有一个无线nb-iot收发模块，通过这个模块，车位状态数据在云端服务器和无线地磁车位智能感知设备之间进行传送，用户可通过手机app、浏览器和路边大屏通过云端服务器即可查看相关车位信息，并可进行在线车位预定、在线支付及车位导航等，实现智慧泊车诱导。
本发明利用窄带物联网无线通信技术，通过地磁传感器+光照传感器精准采集停车位状态信息，实现停车位的智能感知，这样通过客户端实现车位查询、预定、在线支付等，从而实现智慧泊车诱导。
基于nb-iot技术的无线地磁车位智能感知设备是基于互联网+窄带物联网(nb-iot)的智慧泊车诱导系统的核心部件，其采用多传感器融合技术、nb-iot技术、嵌入式技术，实现车位有效区域的智能感知和实现车位范围内信号的有效覆盖，克服传统单一磁感型传感器面临的邻车位车辆干扰和信号不稳定问题，提高车位信息的准确率。采用nb-iot技术的无线地磁车位智能感知设备直接将信息上报给nb-iot无线网络，不再需要汇聚网关。nb-iot是一种革新性的基于蜂窝网络的窄带物联网技术，聚焦于低功耗广覆盖(lpwa)物联网(iot)市场，可在全球范围内广泛应用的3gpp通信标准技术，也是4.5g关键技术之一。相比目前广泛商用的2g/3g/4g及其他无线技术，其具有覆盖广(20db增益)、连接多(10万链接)、成本低(模组5美金以下)、功耗少(电池10年)等特点。这些优势让它非常适用于智能停车、智能抄表、智能监控、物流跟踪、智慧农业等物联网应用领域。
三轴地磁传感器、光照传感器和mcu中运行的感知算法是本发明的核心部分，是本发明的关键技术。mcu感知算法采用第三代复合型检测技术，采用微功率地磁感应检测技术，采用多传感器技术，采用光照传感器+地磁传感，基于多数据采集算法，设计了一种全新的检测算法。
参见图3，基于窄带物联网的无线地磁车位智能感知方法，其具体步骤如下：
步骤1)无线地磁车位智能感知设备开始上电，设备初始化，设备开始寻找nb-iot网络，此时，微控制单元发送初始化指令到窄带物联网模块，窄带物联网模块发送入网指令到nb-iot平台申请加入网络。设备加入网络成功后，通过imei地址和ip地址与nb-iot平台通信。
初始化完成后，在未有触发信号的情况下，设备处于休眠工作状态，与系统通过心跳包保持通信，系统通过心跳包检测设备是否处于在线状态。
步骤2)设备运行正常后，开始查询是否有车出入。如果查询有车出入即三轴地磁传感器和/或光照传感器输入的数据发生变化，进行车位环境参数采集，如果无车出入即三轴地磁传感器和/或光照传感器输入的数据没有发生变化，则回到设备正常运行状态，设备处于微功耗状态。
步骤3)设备在车位环境参数采集状态下，通过地磁传感器进行三轴地磁参数采集，同时通过光照传感器进行环境光照参数采集。
步骤4)进行地磁参数采集，采集三轴地磁环境参数，判断地磁环境参数变化曲线，如果有变化，将数据传输至mcu进行数据融合处理，如果无变化继续进行地磁参数采集，进行多次比对采集，避免环境干扰造成的采集不准确。
步骤5)进行光照参数采集，采集周围环境光照强度的变化，如果有变化，将数据传输至mcu进行数据融合处理，如果无变化继续进行光照参数采集，进行多次比对采集，避免环境干扰造成的采集不准确。
步骤6)mcu获取地磁参数和光照参数后，进行数据融合处理。
由于三轴地磁传感器根据车体位置采集不同方位的三轴磁场参数，将数据传输至mcu处理单元，如果是本车位有车，三轴磁场参数将会显著变化，而是相邻车位有车出入时，三轴磁场参数变化不会显著。光照传感器根据车体位置采集不同方位的光照参数，将数据传输至mcu处理单元处理，如果是本车位有车，光照参数将会显著变化，而是相邻车位有车出入时，光照参数变化不会显著。因此mcu处理单元接收三轴磁场参数和光照传感器参数后，首先采用多阶数字fir滤波器，进行数据平滑处理，将获取的地磁参数进行数字滤波平滑和补偿，以有效消除外界磁场的干扰；然后mcu处理单元采用自适应地磁检测算法，将平滑处理过的地磁参数与平时无车时地磁基线参数比对计算，采用基线算法，多方位检测采样值与基线参数比对计算，动态校正，动态跟踪环境参数变化；同时结合获取的光照参数复合检测，多参数采集，通过三轴磁场参数和光照参数与基线参数比对计算，融合处理，动态跟踪环境参数变化，具，精准判断是否是本车位有车，还是相邻车位有车，这样更强的抗邻车位干扰能力。
步骤7)mcu进行数据融合处理后，若检测出本车位有车停放时，并将车位状态数据及其车位地理位置信息组帧传输至nb-iot模块，nb-iot模块接收mcu的数据，经ipex天线发送出去，若检测出相邻车位有车停放时，不发送数据。
步骤8)无线地磁车位智能感知设备数据发送完成后，进入休眠状态，关闭相关定时器节约能量，等待下一次触发的来临。
之后，智慧泊车诱导系统的云端服务器接收nb-iot平台的转发数据，获取无线地磁车位智能感知设备采集的车位信息后，进行车位状态发布。用户通过客户端连接云端服务器，获取相关车位状态信息，进行车位查询、车位预定、在线支付等。用户在使用停车位时，可以通过近场蓝牙通信，连接无线地磁车位感知设备，近距离获取车位位置，可以进行近距离车位查找及找车。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。