基于 ZigBee 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的智能停車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)昱含　張偉　卜偉同　賈立松　杜禹萱

摘要：本文針對(duì)汽車(chē)與停車(chē)位之間的矛盾，提出基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)智能停車(chē)場(chǎng)。研究了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)用于智能停車(chē)場(chǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方法;基于LM3S9B96芯片設(shè)計(jì)了ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，基于LM3S811芯片設(shè)計(jì)了路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)處汽車(chē)的駛?cè)牖蝰偝鲕?chē)位情況，并能實(shí)時(shí)上報(bào)給控制中心，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控停車(chē)場(chǎng)，提高停車(chē)場(chǎng)利用率，節(jié)約停車(chē)場(chǎng)維護(hù)管理成本的目的。

[關(guān)鍵詞]ZigBee智能停車(chē)場(chǎng)無(wú)線組網(wǎng)

隨著汽車(chē)保有量的增加，城市汽車(chē)與停車(chē)位之間的矛盾日益凸顯，大型停車(chē)場(chǎng)在緩解城市停車(chē)壓力方面起著越來(lái)越重要的作用。但是，目前很多停車(chē)場(chǎng)的管理還處于人工管理階段，這對(duì)需要停車(chē)的車(chē)主和停車(chē)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)者，都造成了極大的困擾，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）停車(chē)場(chǎng)內(nèi)到底有多少給停車(chē)位，管理者不能準(zhǔn)確掌握，只能由工作去勘察核實(shí)，使得管理人員無(wú)法在第一時(shí)間得到反饋信息，導(dǎo)致無(wú)法充分利用停車(chē)場(chǎng);

（2）車(chē)主進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)后，無(wú)法快速、方便的找到空車(chē)位，只能在場(chǎng)內(nèi)無(wú)序的尋找，不但浪費(fèi)了車(chē)主的時(shí)間和精力，還導(dǎo)致有的區(qū)域多輛汽車(chē)搶占一個(gè)空車(chē)位而發(fā)生擁堵，同時(shí)有的區(qū)域空車(chē)位較多但車(chē)主不知道的現(xiàn)象發(fā)生;

（3）如果停車(chē)場(chǎng)內(nèi)比較明顯的標(biāo)識(shí)相同或相似，或者沒(méi)有一個(gè)可供參考的地標(biāo)來(lái)標(biāo)識(shí)位置，會(huì)導(dǎo)致車(chē)主不能第一時(shí)間找到自己的汽車(chē)，給車(chē)主造成困擾;

（4）需配置大量工作人員對(duì)進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛進(jìn)行引導(dǎo)，增加了停車(chē)場(chǎng)的管理維護(hù)費(fèi)用。

ZigBee是一種新興的短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，具有短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的特點(diǎn)，ZigBee處于OSI參考模型中的網(wǎng)絡(luò)層位置，實(shí)現(xiàn)規(guī)范物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC）、為應(yīng)用層提供接口的功能，它可以根據(jù)用戶需求組成多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｋ?dú)特的技術(shù)使其成為低成本、近距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的首選，尤其適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出通過(guò)ZigBee、Wi-Fi、GSM等組網(wǎng)，對(duì)停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛進(jìn)出的情況實(shí)時(shí)掌握，實(shí)現(xiàn)車(chē)主實(shí)時(shí)掌握空閑停車(chē)位的情況，減少車(chē)主尋找車(chē)位時(shí)間、減少運(yùn)營(yíng)成本，提高停車(chē)場(chǎng)應(yīng)用效率。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的停車(chē)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由PC機(jī)、協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成，其中，終端節(jié)點(diǎn)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的終端，負(fù)責(zé)采集車(chē)輛進(jìn)入/駛出車(chē)位的信號(hào)，將發(fā)生變化的信號(hào)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn);路由器節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的通信接力，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息、搜尋停車(chē)場(chǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、確定數(shù)據(jù)傳播路徑，使得更多的終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò);協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的匯聚點(diǎn)，負(fù)責(zé)建立、啟用、維護(hù)、管理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)傳輸無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、存儲(chǔ)無(wú)線節(jié)點(diǎn)信息、與PC機(jī)進(jìn)行通信等;PC機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與分配;除了PC機(jī)與協(xié)調(diào)器之間的通信采用以太網(wǎng)外，各部分之間的通信均采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2硬件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的停車(chē)場(chǎng)的硬件設(shè)計(jì)，主要有解決三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

2.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的核心，主要負(fù)責(zé)將路由器節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心，及將控制中心發(fā)布的命令傳送給對(duì)應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)上，方便管理人員對(duì)停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行管理與維護(hù)。協(xié)調(diào)器采用集成USB控制器的LM3S9B96芯片，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖中，UART1模塊主要完成LM3S9B96芯片與PC機(jī)的通信或者控制Wi-Fi模塊，所用的芯片為MAX3232;ZigBee接口模塊通過(guò)LM3S9B96芯片的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)路由器數(shù)據(jù)的接收和ZigBee的組網(wǎng)。

2.2路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，并將該信息通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送到控制中心。路由器采用LM3S811芯片作為主控制器。

2.3終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集車(chē)的移動(dòng)信號(hào)，并將采集到的信息上傳至路由器，感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)采用紅外傳感器進(jìn)行信號(hào)采集與傳送。紅外傳感器可以快速探測(cè)到溫度的微小變化，當(dāng)溫度超出設(shè)定閾值時(shí)上傳信號(hào)，能夠安全可靠的發(fā)送信息。終端節(jié)點(diǎn)也采用LM3S811芯片作為主控制器。

路由器節(jié)點(diǎn)和感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3軟件設(shè)計(jì)

智能停車(chē)場(chǎng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：對(duì)ZigBee組網(wǎng)設(shè)計(jì)和PC控制中心的界面設(shè)計(jì)。

3.1ZigBee組網(wǎng)設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)工具采用RealViewMDK軟件，可以直接使用ZigBee協(xié)議棧提供的程序和函數(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)智能停車(chē)場(chǎng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的程序。依據(jù)ZigBee協(xié)議棧功能與作用，調(diào)用對(duì)應(yīng)函數(shù)，分別對(duì)協(xié)議棧中各層進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具體完成功能如表1所示。

3.2PC控制中心的界面設(shè)計(jì)

PC控制中心主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，完成PC與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的配置。PC機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS-232C串口連接。利用TeeChartPrcV5Active控件繪制實(shí)時(shí)監(jiān)控圖。首先掃描整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以確定網(wǎng)絡(luò)中有包含哪些節(jié)點(diǎn)，并確定相關(guān)節(jié)點(diǎn)的基本信息，然后將終端節(jié)點(diǎn)與紅外感應(yīng)器進(jìn)行參數(shù)綁定配置，操作人員通過(guò)串口將配置信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以廣播信息的方式將配置信息發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)上。

4智能停車(chē)場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)

智能停車(chē)場(chǎng)有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干路由器和負(fù)責(zé)探測(cè)汽車(chē)的終端節(jié)點(diǎn)組成，根據(jù)停車(chē)場(chǎng)實(shí)際情況與環(huán)境，基于ZigBee在每個(gè)停車(chē)位中心位置安裝微型紅外探測(cè)器，每當(dāng)有汽車(chē)駛?cè)牖蝰偝鰰r(shí)，紅外探測(cè)器探測(cè)到車(chē)輛移動(dòng)信息，觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)該探測(cè)器廣播發(fā)送觸發(fā)信號(hào)及節(jié)點(diǎn)信息，并通過(guò)路由器匯總到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將匯總的信息反饋給控制中心。設(shè)置當(dāng)有汽車(chē)駛?cè)胪＼?chē)位時(shí)，觸發(fā)信號(hào)為低電平，此時(shí)控制中心顯示信息為紅色;當(dāng)有汽車(chē)駛出停車(chē)位時(shí)，觸發(fā)信號(hào)為高電平，控制中心顯示信息為綠色。在PC機(jī)上的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面可顯示當(dāng)前停車(chē)位情況，當(dāng)有汽車(chē)進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)反饋的信息，將空車(chē)位指定分配給新進(jìn)入車(chē)輛，車(chē)主可以根據(jù)指示標(biāo)識(shí)的引導(dǎo)，迅速找到指定的車(chē)位;當(dāng)車(chē)主要離開(kāi)停車(chē)場(chǎng)時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)分配的空車(chē)位號(hào)碼迅速找到汽車(chē)所停的位置。

5結(jié)論

本文利用LM3S9B96芯片設(shè)計(jì)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能停車(chē)場(chǎng)系統(tǒng)，在對(duì)智能停車(chē)場(chǎng)的功能與特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和紅外探測(cè)器終端節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行了研究，并完成了組網(wǎng)配置，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)汽車(chē)駛?cè)牖蝰偝鐾＼?chē)位判斷車(chē)位是否為空，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，管理人員可以實(shí)時(shí)了解整個(gè)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)空車(chē)位的情況，便于統(tǒng)籌管理，提高停車(chē)場(chǎng)的利用率，減少了停車(chē)場(chǎng)內(nèi)擁堵情況的發(fā)生;同時(shí)，只需要技術(shù)人員定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢修即可，節(jié)省了停車(chē)場(chǎng)維護(hù)管理的成本。

參考文獻(xiàn)

[1]楊超，魏東，莊俊華。基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的地下車(chē)庫(kù)照明節(jié)能控制系統(tǒng)研發(fā)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（01）：490-495.

[2]郭昌飛。基于ZigBee的無(wú)線傳感器組網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用[D].北京：北京信息科技大學(xué)，2012.

[3]陳章進(jìn)，姚真平，張建峰。基于ZigBee技術(shù)的城市智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2014，37（04）：38-42.

[4]劉文軍，樊建席，李春勝，楊帆。基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（12）：1747-1751.

[5]黃衍璽，鐘山，吳奇等。基于ZigBee的車(chē)聯(lián)網(wǎng)輔助駕駛平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2013，36（11）：119-122.

[6]李文仲.ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.