智能停車場車位檢測系統設計與實現

李坤，陳慶勝，仲文祥 （無錫機電高等職業技術學校自動化工程系，江蘇 無錫214028）

目前，傳統停車廠管理中存在功能單一、實時性差、效率低下等問題。為解決上述問題，筆者利用Zigbee無線網絡免牌照頻段、動態組網、自組多跳的特點，設計了智能停車場車位檢測系統，以期為停車場高效管理提供新的途徑。

1 系統方案設計

車位檢測系統通過檢測對應車位的車輛狀態，經過系統Zigbee網絡認證后，與周邊檢測節點構成Zigbee自組多跳網絡，最終將車位數據轉發到與中央控制系統連接的Zigbee中心節點。車位檢測功能是通過設置在車位中央的一個紅外障礙檢測模塊來實現的。MCU（調制解調器）調制出38kz脈沖并送入紅外發射器遇到障礙物（車輛底盤），漫反射返回到紅外接收器，產生一個下降沿脈沖，該脈沖可以被MCU檢測，從而了解檢測車位的占用信息。

該系統采用簇樹網絡和層次化路由協議［1］。具體做法是將網絡中所有的節點分成若干個簇，每個簇相當于一個較為固定的自組織網絡，由一個路由器負責協調網絡、數據中繼和轉發。Zigbee傳輸范圍一般介于10～100m，為保證網絡安全性，每個終端節點與路由器距離控制在50m以內，并且通過多路由交叉覆蓋的方法保證每個中斷節點都有2個路由器來提供數據轉發功能，每個終端節點將自身的采集到的狀態信息通過自組多跳的網絡上報給協調器，然后由協調器上報給監控PC機，最終實現系統的數據采集和匯總（見圖1）。

圖1 系統組網方案圖

2 系統硬件設計

車位檢測系統通過包括紅外障礙檢測模塊、Zigbee無線傳輸模塊和電源管理模塊。

2.1 紅外障礙檢測模塊

綜合考慮成本、功耗、可靠性、布置便利性等多方面因素，選擇調制紅外方案作為車位檢測手段。調制紅外的車輛檢測功能是通過設置在車位中央的一個紅外障礙檢測模塊來實現的，即通過MCU調制出38kz脈沖并送入紅外發射器，當遇到障礙物（車輛底盤）后漫反射返回到紅外接收器，產生一個下降沿脈沖，該脈沖可以被MCU檢測，從而了解所檢測車位的占用信息。

2.2 Zigbee無線傳輸模塊

Zigbee無線傳輸模塊中CC2430集成度很高，只需加上外部晶振和復位電路即可工作，射頻部分需要設計成50Ω的阻抗天線板載電路即可（見圖2）。

圖2 Zigbee無線傳輸模塊設計電路設計圖

復位電路采用上電復位設計，加入0.1μF的電容進行消除按鍵抖動。為了便于程序的調試開發，將設備中JTAG（Joint Test Action Group，聯合測試工作組）管腳通過標準雙排排針引出。

圖3 電源管理模塊電路設計圖

2.3 電源管理模塊

考慮到系統由3個不同功能的網絡功能組件（Zigbee網絡協調器、Zigbee路由器、Zigbee終端車位檢測節點）構成，其中Zigbee網絡協調器位于網絡的核心，負責整個網絡的地址分配的信息，而Zigbee終端車位檢測節點需要考慮到布網和維護便捷性，因而采用鋰電池＋太陽能供電的方式。選擇MIC5245芯片產生3.3V電源為系統供電，供電模塊輸入電壓為1.5～15V，采用升壓降壓式開關電源來增加設備的電壓適用范圍和提高電源利用效率（開關電源電源利用率達95%）［2］。電源管理模塊電路設計圖如圖3所示。此外，為了精確測量電源電量變化，將電源電壓經過串聯分壓送入MCU的AD測量管腳，結合MCU內部的基準1.2V基準電壓，由此達到精確測量電源電量的目的。

3 系統軟件設計

Zigbee車位檢測嵌入式軟件是運行在Zigbee射頻芯片CC2430上的下位機軟件，可以分為Zigbee網絡協調器程序、Zigbee路由器程序和Zigbee終端檢測節點程序3部分。

3.1 Zigbee網絡協調器程序

Zigbee網絡協調器負責整個網絡的組織協調工作，自身使用固定的網絡地址0x0000，非常適合作為系統的數據匯集點，其通過使用RS232串口與中央控制系統連接，將匯集過來的數據上報給中央控制系統，并最終由中央控制系統將數據存儲進內置或通用的數據庫服務器［3］。網絡協調器程序運行流程圖如圖4所示。

圖4 Zigbee網絡協調器程序運行流程圖

圖5 Zigbee路由器程序運行 流程圖

3.2 Zigbee路由器程序

在Zigbee網絡中，路由器節點可以將收到的數據報文進行二次轉發，使得終端采集節點不受數據匯集節點位置限制，可自由安排在所需位置，若距離較遠時，只需在中間添加Zigbee路由節點進行數據中繼和轉發即可。Zigbee路由器程序運行流程圖如圖5所示。

3.3 Zigbee終端車位檢測節點程序

由于終端車位檢測節點能源非常有限，因而在程序運行中采取以下措施來節約能源：①在搜索到網絡后將網絡參數及時的保存到非易失性存儲器。在下次連接網絡時，程序優先讀取上次保存的網絡參數，大大減少網絡搜索時間；②每次檢測完成或者數據發送完成后關閉無線收發功能，將所有的IO管腳設置成三態浮空，紅外發射和接收單元的MOS管在上拉電阻的作用下自動關閉，接入節電模式；③MCU在完成節電參數設置自身的休眠時鐘進入低功耗休眠模式，等待下次時鐘溢出喚醒事件［4］。Zigbee終端車位檢測節點程序運行流程圖如圖6所示。

圖6 Zigbee終端車位檢測節點程序運行流程圖

4 系統測試

通過使用不同的遮擋材料和不同的測試高度（不同車輛的底盤高度不同，常規家用小型車輛的車輛底盤高度為20～40cm，而工程類車輛底盤高度為30～70cm）進行測試，結果如表1所示。由表1可知，汽車底盤遮蔽物與監測點的距離在50cm以內的檢測準確率接近于100%，檢測距離超過50cm的檢測精度稍微有所下降，由于停車場一般為常規家用小型車輛所用，因而通過測試表明車位檢測系統的檢測精度是安全可靠的。

5 結語

根據停車場的特點和實際需求，將Zigbee技術融入智能停車場車位檢測系統，將監測點網絡化，通過實時監測來隨時反映各車位的占用情況，從而為停車場高效管理提供了良好途徑。但是，該系統還存在抗干擾（靜電干擾、射頻干擾、噪聲干擾）不足的問題，這需要今后進一步加以改進，使其結構和功能更加完善。

表1 Zigbee車位檢測系統可靠性測試數據表

［1］ 高守瑋，吳燦陽.Zigbee技術實踐教程——基于CC2430／31的無線傳感網絡解決方案 ［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［2］ 瞿雷，劉盛德，胡咸斌.Zigbee技術及應用 ［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［3］ 李文仲，段朝玉.Zigbee2006無線網絡與無線定位實戰 ［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［4］ 程曉旭，耿魯靜，張海，等.C語言算法速查手冊 ［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［5］ 成潔，盧紫毅.Linux窗口程序設計：Qt4精彩實例分析 ［M］.北京：清華大學出版社，2008.