基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的停車場管理系統(tǒng)

引言

隨著我國城市現(xiàn)代化、國際化的發(fā)展，城市居民汽車擁有量急劇增加，車輛的管理控制也顯得越發(fā)重要.在擁擠的市區(qū)里，汽車與停車位之間的矛盾越來越突出。對于各類停車場控制管理也有著更高的要求，不僅要求可以實現(xiàn)對車輛的收費和停泊管理，而且要求車輛進出都可以快速進行,縮短停車時在出入口的平均逗留時間，提高停車效率。為了提高停車場的信息化、智能化管理水平，給車主提供一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的環(huán)境，實現(xiàn)停車場運行的高效化、節(jié)能化、環(huán)?；疚脑O(shè)計了一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的停車場管理系統(tǒng)。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

當停車者根據(jù)點陣屏上顯示的車位信息進入停車場時,按鍵，射頻卡自動彈出，內(nèi)部自動進行第一次刷卡，系統(tǒng)記住刷卡時間。車位信息由ZigBee系統(tǒng)采集與傳輸。終端節(jié)點將采集到的車位信息通過路由器發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器處理之后，通過串口發(fā)送給LED點陣控制器，最終LED控制器控制點陣顯示停車場車位信息。當司機離開停車場時再次刷卡，系統(tǒng)通過兩次刷卡的時間差與標準計費對比進行收費。

本系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分是無線傳感網(wǎng)絡(luò),它由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器以及帶有超聲波傳感器的終端節(jié)點組成；第二部分是射頻計費，由S3C2440和MFRC522射頻模塊組成；第三部分是信息顯示系統(tǒng)，由AVR單片機和點陣顯示屏組成。圖1所示是系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW。在通信狀態(tài)下，ZigBee終端耗電為幾十毫瓦；在省電模式下，耗電僅僅幾十微瓦。由于工作時間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間叫在本設(shè)計中，終端節(jié)點采用中斷喚醒睡眠模式。當超聲波傳感器的電平不發(fā)生變化時，CC2430處于休眠模式；當超聲波傳感器的電平跳變時，51單片機發(fā)信號喚醒CC2430工作。這樣，本設(shè)計在功耗方面可以降到最低，這也是本設(shè)計采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要理由。

圖1  系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)是本設(shè)計的主要部分。整個系統(tǒng)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采集與無線傳輸超聲波傳感器實時對車位是否被車輛占用發(fā)送監(jiān)測信息。最后由協(xié)調(diào)器發(fā)往監(jiān)控中心，在LED點陣顯示屏顯示車位剩余信息以及空車位所在的具體位置。理論上每個ZigBee協(xié)調(diào)器可容納65000多個節(jié)點，而且隨著停車場大型化趨勢的發(fā)展，可以通過增加路由器對大型停車場的節(jié)點進行分區(qū)管理，一個協(xié)調(diào)器放在監(jiān)控中心對幾個分區(qū)進行監(jiān)控。

本設(shè)計中的終端節(jié)點由CC2430模塊、超聲波傳感器與51單片機組成。超聲波傳感器的發(fā)送和接收端與51單片機的P1.0和P3.2相連，51單片機信息輸出端再與CC2430模塊的中斷接口相連。圖2所示是終端節(jié)點的連線圖。

將終端節(jié)點放置在停車場車位下部。超聲波傳感器在未檢測到障礙物時，輸出端發(fā)送的是連續(xù)的高電平:檢測到障礙物時，輸出端發(fā)送低電平:當檢測到障礙物穩(wěn)定時，超聲波傳感器持續(xù)輸出低電平。由于一般轎車底盤是20?50cm，可以在軟件程序里設(shè)置超聲波傳感器的檢測距離來判斷車位是否有汽車存在。超聲波傳感器實時工作，當輸出端有電平跳變時觸發(fā)51單片機，當電平跳變到一個值趨于穩(wěn)定時，說明該車位的車位信息就會變化，51單片機將信息發(fā)送給CC2430。終端節(jié)點通過以上過程采集車位信息，終端節(jié)點采集到的車位信息通過路由器傳給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器把采集到的車位信息進行分析與處理，發(fā)送給點陣顯示屏的控制器。協(xié)調(diào)器通過串口與點陣顯示屏的控制器相連。點陣屏將車位信息實時顯示，以文字與標號結(jié)合的方式為停車者提供參考。

射頻計費部分采用的是S3C2440和MFRC522模塊組成的刷卡計費器。主控芯片使用S3C2440處理器，它是一款32位的高速處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與傳輸。它主要有以下特點：體積小、低功耗、低成本、高性能；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高［6］。本設(shè)計選用非接觸型IC卡，即射頻IC卡。射頻IC卡避免了接觸型IC卡與讀卡器之間的物理接觸，減少了卡的磨損［7］，故本設(shè)計采用PHILIPS公司的Mifare1卡和本射頻卡配套的MFRC522芯片。由于MFRC522兼容SPI的通信方式,本設(shè)計在S3C2440上模擬了SPI的接口供其與MFRC522通信,在SPI通信中MFRC522模塊用作從機。SPI時鐘SCK由主機產(chǎn)生。數(shù)據(jù)通過MOSI線從主機傳輸?shù)綇臋C；數(shù)據(jù)通過MISO線從MFRC522發(fā)回到主機。

本設(shè)計采用AVR單片機控制LED點陣顯示屏。因為AVR單片機處理指令的速度比其他單片機較快，抗干擾能力相對較強，作為點陣顯示屏的控制器，可以顯示比較好的效果,所以，本設(shè)計使用AVRATmega16單片機為LED點陣控制器。點陣顯示屏可以直觀地將停車場的車位信息顯示，為停車者提供參考，供停車者快速便捷地停車，節(jié)省大量時間。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZigBee通信協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，節(jié)點通過在不同層上的特定服務(wù)來完成所要執(zhí)行的各種任務(wù)。本設(shè)計采用TI公司提供的ZigBee2006Z-Stack協(xié)議棧,其在IEEE802.15.4標準物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)規(guī)范,是一種較好的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組建方案。ZigBee設(shè)備類型按網(wǎng)絡(luò)功能分為三種：協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和終端節(jié)點。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器建立的，任何一個節(jié)點想建立一個網(wǎng)絡(luò)必須滿足兩個條件：第一，節(jié)點是具有協(xié)調(diào)器功能的全功能設(shè)備(FFD)節(jié)點；第二，節(jié)點沒有和其他網(wǎng)絡(luò)連接,一個網(wǎng)絡(luò)只允許有唯一一個協(xié)調(diào)器，如果此節(jié)點與其他網(wǎng)絡(luò)連接，那么此節(jié)點只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點，而不能建立自己的網(wǎng)絡(luò)了。

協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備。它主要負責網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點成員的加入、網(wǎng)絡(luò)地址分配、網(wǎng)絡(luò)鏈接表的更新、信息的收集與轉(zhuǎn)發(fā)等。此外，在本設(shè)計中協(xié)調(diào)器通過串口與AVR單片機模塊進行通信，因此需要在協(xié)議棧中編寫ZigBee串口應(yīng)用程序。圖3為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)搭建流程圖。

ZigBee路由節(jié)點在本設(shè)計中主要實現(xiàn)路由傳輸終端節(jié)點數(shù)據(jù)信息功能，所以程序設(shè)計相比協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點較簡單。

終端節(jié)點主要負責車位信息采集與發(fā)送。終端節(jié)點實時采集各個傳感器的輸出車位信息，并將車位信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；同時也實時準備接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令,收到控制命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。所以終端節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括無線網(wǎng)絡(luò)的加入、傳感器數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

本設(shè)計中分配給每個終端節(jié)點不同的物理地址，將物理地址作為判斷該終端節(jié)點所在的車位是否有汽車的依據(jù)。當車位被占時，將該車位終端節(jié)點的物理地址的后兩位“XX”(XX代表每個終端節(jié)點的物理地址的后兩位)發(fā)送到協(xié)調(diào)器；當車位空時，車位終端節(jié)點發(fā)送“00”到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將收到的車位信息通過串口發(fā)送到單片機，存儲到單片機的串口存儲緩沖器中，點陣顯示判斷程序通過判斷存儲緩沖器的數(shù)據(jù),進行相應(yīng)的車位信息顯示。

3實驗結(jié)果

(b)空位終端節(jié)點是由CC2430、51單片機和超聲波傳感器為一體的采集節(jié)點組成的。由于一般的轎車底盤是20?50cm,通過在程序里設(shè)置超聲波傳感器的檢測距離來檢測車位是否有車。當車位被占時，超聲波傳感器采集到低電平發(fā)送給CC2430；當車位空著時，超聲波傳感器采集到高電平發(fā)送給CC2430。系統(tǒng)通過電平差來判斷車位是否有車的存在。本設(shè)計中車位1的終端節(jié)點的后兩位的物理地址為20,車位2的終端節(jié)點的后兩位的物理地址為40。由于采用兩個終端節(jié)點,每次兩個節(jié)點的車位信息一起發(fā)送，即四位一起。圖4所示是兩個節(jié)點發(fā)送車位占滿與全空的示意圖。當終端節(jié)點采集到車位1和車位2都被占時發(fā)送“2040”；當終端節(jié)點采集到兩車位都空著的信息時，協(xié)調(diào)器發(fā)送“0000”。

圖5所示是車位有一個被占時的界面示意圖。當終端節(jié)點采集到車位2空著，車位1被占時發(fā)送“2000”；當終端節(jié)點采集到車位1空著，車位2被占時發(fā)送“0040”。

4結(jié)語

本設(shè)計綜合了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，設(shè)計了一套基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的停車場管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準確地判斷車位信息，并用LED點陣屏顯示位信息，以引導(dǎo)停車者快速、便捷地停車。本設(shè)計能夠有效地克服大型停車場布線難的問題,同時節(jié)省成本，同時，ZigBee通過功放可在低功耗的條件下實現(xiàn)1000m以上的通信距離，在停車場中基本可實現(xiàn)全覆蓋。但是，本設(shè)計還有一些不足，比如超聲波傳感器的能耗問題,還有加入更多的終端節(jié)點該怎么判斷等問題。因此，以后還需要進一步研究，以讓本設(shè)計更充分體現(xiàn)它的價值作用。

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