停車指引系統(tǒng)嵌入式無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

李月恒，楊 帆，孫德輝

（北方工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)場總線及自動化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100144）

近些年來，隨著汽車成本的不斷下降以及人均GDP的持續(xù)增長，我國的汽車擁有量急劇增加，在很多城市里出現(xiàn)了停車難的現(xiàn)象，為了滿足停車的需求，出現(xiàn)了各種類型的停車場，但是大部門還是基于PC的傳統(tǒng)停車場管理系統(tǒng)，傳統(tǒng)的停車場管理系統(tǒng)把重點(diǎn)放在了計(jì)費(fèi)收費(fèi)管理上，然而在車位查找、實(shí)時性、效率管理方面不盡如人意，很難滿足人們的需求。在本設(shè)計(jì)中，不僅把基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到了智能停車場中，而且結(jié)合了移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

本設(shè)計(jì)采用三星公司ARM11內(nèi)核的S3C6410為MCU，設(shè)計(jì)了無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的路由器接收各個車位監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上安裝的Zigbee模塊發(fā)送來的車位信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)的重組和打包將所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到中控計(jì)算機(jī)上與安卓客戶端上。此外所有車位監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上安裝的Zigbee模塊內(nèi)置Mesh網(wǎng)協(xié)議棧，該網(wǎng)絡(luò)可以自動監(jiān)測和增加新的節(jié)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)主要有四部分構(gòu)成，基于Zigbee技術(shù)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，用于監(jiān)控空余車位情況；基于ARM技術(shù)的無線網(wǎng)關(guān)，用來處理并上傳節(jié)點(diǎn)信息；PC上位機(jī)，用于管理人員查看、管理車位信息，計(jì)費(fèi)；智能終端上位機(jī)，用于客戶查看空位信息、提前預(yù)約車位、引導(dǎo)客戶到空余車位等。針對上述特定，節(jié)點(diǎn)部分采用內(nèi)置協(xié)議棧的XBee-PRO模塊，網(wǎng)關(guān)部分采用S3C6410為MCU，采用Linux2.6系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the system

Zigbee路由節(jié)點(diǎn)由兩部分組成，Zigbee路由器模塊以及超聲波檢測模塊，它們通過RS232接口連接，超聲波檢測模塊用來檢測車位信息，Zigbee路由器模塊用來上傳數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)關(guān)包括ARM處理器模塊、Wi-Fi模塊、Zigbee協(xié)調(diào)器模塊。Zigbee協(xié)調(diào)器模塊上電后會組建ZigbeeMesh網(wǎng)，Zigbee路由器模塊可以自動檢測到協(xié)調(diào)器并建立連接關(guān)系，Mesh網(wǎng)絡(luò)具有自動組織和不需要人工干預(yù)的特點(diǎn)。無線網(wǎng)關(guān)通過協(xié)調(diào)器向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令，超聲波檢測模塊測得車位的狀態(tài)后，會通過路由器模塊自動選擇最佳的傳播路徑，將數(shù)據(jù)通過一跳或多跳傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，即使路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器距離比較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)也可以通過中間路由器模塊的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)協(xié)調(diào)器，因此系統(tǒng)對建網(wǎng)的布局要求不高。無線網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于數(shù)據(jù)路由器，將節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)解析后分別發(fā)送至計(jì)算機(jī)以及智能終端，并保存至SQLite數(shù)據(jù)庫。車主以及停車場管理人員可以使用智能終端檢查停車場車位信息，根據(jù)導(dǎo)航進(jìn)行停車。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式無線網(wǎng)關(guān)部分

嵌入式無線網(wǎng)關(guān)部分硬件電路如圖2所示。S3C6410核心板采用高密度6層板設(shè)計(jì)，它集成了256M DDR RAM，2GB的NOR Flash，256M Nand Flash存儲器，采用5V供電，在板實(shí)現(xiàn)CPU必需的各種核心電壓轉(zhuǎn)換[1-2]。在CPU上運(yùn)行的是Linux2.6操作系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)提供2路RS232，上位機(jī)可通過其中一路燒寫程序，配置工作參數(shù)，另一路用于和Zigbee協(xié)調(diào)器通信。USB接口可以連接3G無線上網(wǎng)卡使系統(tǒng)可以升級為向公網(wǎng)服務(wù)器提交數(shù)據(jù)。擴(kuò)展的SD_Card接口有兩個作用，一是給主CPU燒寫Linux系統(tǒng)。二是為了存儲較長時間的數(shù)據(jù)記錄文件[4]。以太網(wǎng)接口可以用來與中控計(jì)算機(jī)通信，將各個路由節(jié)點(diǎn)的信息上傳到PC上供進(jìn)一步的分析與顯示。掛接的Wi-Fi協(xié)調(diào)器用來與無線路由器相連，在布線復(fù)雜的情況下可以代替以太網(wǎng)線。此外還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、電源和3個LED用來實(shí)時監(jiān)視硬件的工作狀態(tài)，一個復(fù)位按鍵用來復(fù)位系統(tǒng)。硬件框圖如圖2所示。

圖2 嵌入式無線網(wǎng)關(guān)硬件框圖Fig.2 Hardware block of embedded wireless gateway

2.2 Zigbee通信部分

本系統(tǒng)選用美國Digi公司的內(nèi)置協(xié)議棧的XBee-PRO模塊，XBee-PRO模塊的有效通信范圍在室外可以達(dá)到1 500 m的傳輸距離。XBee-PRO協(xié)調(diào)器模塊硬件由無線收發(fā)單芯片模塊、LM1117-3.3電壓轉(zhuǎn)換芯片、WRB2405隔離型DC/DC模塊、232串口、電源以及指示燈等組成，硬件電路如圖3所示。協(xié)調(diào)器和路由器在硬件上沒有差別，只不過運(yùn)行的程序不同。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式無線網(wǎng)關(guān)部分

嵌入式網(wǎng)關(guān)部分主要包括數(shù)據(jù)查詢程序，WIFI與IP配置程序，BOA服務(wù)程序，數(shù)據(jù)包接收與解析程序，數(shù)據(jù)上傳程序，數(shù)據(jù)存儲程序。因?yàn)樵贏RM處理器運(yùn)行著linux操作系統(tǒng)，所以每一個把每個任務(wù)都建立一個單獨(dú)的線程，這樣可以更加有效的處理各個任務(wù)。尤其是在節(jié)點(diǎn)比較多的時候，多線程還可以保證查詢的實(shí)時性。系統(tǒng)主要程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主要程序結(jié)構(gòu)Fig.3 Main structure of the system program

數(shù)據(jù)查詢程序會通過Zigbee協(xié)調(diào)器周期性輪流查詢各個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)收到查詢指令后會把節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過Mesh網(wǎng)傳給嵌入式網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)會記錄逆節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLITE中。除了周期性查詢，當(dāng)用戶發(fā)起查詢指令后，網(wǎng)關(guān)會實(shí)時查詢數(shù)據(jù)。嵌入式網(wǎng)關(guān)與Zigbee通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，還可以通過串口發(fā)送配置命令。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲到外置SD卡上，用來保證有足夠的空間。嵌入式網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)會通過Socket實(shí)時的上傳到客戶端。

3.2 Zigbee協(xié)議數(shù)據(jù)幀

網(wǎng)關(guān)掛載的XBee-PRO協(xié)調(diào)器模塊在上電后會自動組網(wǎng)[5]。XBee-PRO模塊具有空、睡眠、命令、發(fā)送和接收5種操作模式。每一種模式都有透明（AT）和應(yīng)用程序接口（API）兩種操作模式。工作在AT模式時，XBee-PRO模塊具有替代串口線的作用，并以字節(jié)為單位操作各種數(shù)據(jù)。而當(dāng)系統(tǒng)工作在API模式時，XBee-PRO模塊收發(fā)的所有數(shù)據(jù)均被包含在特定格式數(shù)據(jù)幀中。API方式包含的功能更全面并兼容AT指令，可以對XBee-PRO進(jìn)行更加深層次的操作。所以對XBee的操作采用API方式。

工作在API方式時，XBee-PRO模塊收發(fā)的數(shù)據(jù)將被包含在特定格式的數(shù)據(jù)幀中。

本系統(tǒng)定義的路由器模塊發(fā)送車位狀態(tài)的API數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

幀頭為0x7E固定值，數(shù)據(jù)幀中包含目標(biāo)的MAC地址及網(wǎng)絡(luò)地址，其中MAC地址固定而且每個模塊都不相同，車位編號為3個字節(jié)。

3.3 BOA服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

圖4 車位狀態(tài)API數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.4 API data frame of parking status

為了方便的配置網(wǎng)關(guān)的IP，在嵌入式網(wǎng)關(guān)移植了一個Boa服務(wù)器[6]，Boa相關(guān)的程序包括前端和后端兩個部分，前端主要包括html和JavaScript編寫的用戶界面和對應(yīng)事件函數(shù)，后端用來處理html網(wǎng)頁傳送過來的數(shù)據(jù)，在處理完成后返回給網(wǎng)頁調(diào)用的函數(shù)需要的數(shù)據(jù)，前端再利用收到的數(shù)據(jù)更新頁面。通過圖5所示界面來配置IP和連接WIFI，設(shè)置完之后相關(guān)數(shù)據(jù)均會更新到啟動文件，以保證系統(tǒng)重啟后數(shù)據(jù)不丟失。

圖5 網(wǎng)絡(luò)配置頁面Fig.5 Configuration page of network

3.4 智能手機(jī)客戶端軟件設(shè)計(jì)

在Eclipse環(huán)境下，使用Java語言設(shè)計(jì)了安卓客戶端[7]，通過WIFI網(wǎng)絡(luò)或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可完成與嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的通信，網(wǎng)關(guān)把輪詢到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理后實(shí)時傳送的客戶端。客戶端還可以發(fā)起指令，通過網(wǎng)關(guān)查詢各車位狀態(tài)信息。用戶不需要到達(dá)停車場即可通過客戶端軟件直觀的查看區(qū)域車位占用情況，被占用的呈紅色，未占用的呈灰色。除此之外，還可以對空車位進(jìn)行預(yù)約，以保證車輛到達(dá)時車位還在，網(wǎng)關(guān)會通過每個手機(jī)的IMEI號來區(qū)分不同的用戶。客戶端還自動進(jìn)行停車計(jì)費(fèi)，方便車主查看。客戶端軟件界面如圖6所示。

4 結(jié)束語

嵌入式[8-9]無線網(wǎng)關(guān)采用ARM11微處理器和Zigbee通信模塊，使得數(shù)據(jù)傳輸更精準(zhǔn)，距離更遠(yuǎn)，解決了當(dāng)前系統(tǒng)布線復(fù)雜的問題。實(shí)際測試表明，嵌入式無線網(wǎng)關(guān)可與掛接XBee-PRO路由器模塊的檢測節(jié)點(diǎn)順利組成Mesh網(wǎng)絡(luò)，客戶端軟件可以簡潔直觀的顯示停車場的車位占用狀態(tài)，具有一定的應(yīng)用價值。

圖6 客戶端軟件界面Fig.6 Interface of client software

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