基于ZigBee組網的停車場管理系統設計

摘 要：隨著現代社會經濟的高速發展，汽車普及率越來越高，汽車保有量越來越多，大中城市普遍出現了“停車難，停車慢”的問題，為此提出一種基于ZigBee組網的停車場管理系統。本系統以CC2530單片機作為核心器件，前端采用超聲波測距技術識別車位是否空閑，并通過串口顯示屏與空車位狀態指示燈引導用戶快速找到停車位；當用戶停好車后，通過人體紅外檢測技術和照明裝置引導用戶找到最近的出口，從而實現快速離場。后端采用云平臺技術，在網絡覆蓋范圍內可實時查看該停車場信息。本系統較傳統的停車場管理模式，能有效降低停車時耗與能耗，使停車場內車輛管理更智能、準確、便捷和高效，用戶停車體驗感也更好，對解決我國城市停車難問題具有積極的應用價值和實踐意義。

關鍵詞：智能停車場；超聲波測距；指示燈；ZigBee技術；云端平臺；節能減排

中圖分類號：TP277；TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-0-04

0 引 言

隨著現代社會經濟的高速發展，汽車普及率越來越高，汽車保有量越來越多。傳統停車場管理模式已不能滿足現在的停車需求。傳統停車場管理系統普遍存在以下問題：

（1）停車慢，停車場內指示牌少，用戶尋位速度慢；（2）運營成本高，需要大量的安保人員進行停車引導和指揮，日常維護成本高[1]。另外，在一些城市也逐步推出了智能停車場，比如一體式自動存取車停車場、傾斜車位式停車場和數碼管與車位指示燈指示停車的停車場等。其中一體式自動存取車停車場停車方便快捷，但建設費用高、維護成本高；傾斜車位式停車場只需將車輛開入停車場指定地點，就能自動傾斜放入停車位，但傾斜車位式停車場需要對各類不同體積的車輛進行區分，分區多，維護成本高，機械零件易損壞；而數碼管與車位指示燈指示停車的停車場則顯示效果不夠直觀。顯然，要在國內推進智慧型停車場的應用，需要對傳統停車場管理進行改革與創新，解決傳統停車場所存在的問題，優化現有的智能型停車場管理系統?；谝陨蠁栴}，提出一種基于ZigBee無線傳感技術的新型室內停車場管理系統，實現車位實時狀態信息傳輸至云平臺及上位機，再通過LED燈和串口顯示屏指引用戶快速停車和離場。該系統不僅為用戶節省尋找車位和離場的時間，又能夠提高停車場的使用效率，節省人力及能耗。

1 系統總體設計方案

本系統按照物聯網層次結構中的傳感層、網絡層和應用層[2]三層分布方式設計。系統框圖如圖1所示。傳感層由超聲波傳感器和人體紅外傳感器組成；網絡層由ZigBee、云平臺與服務器組成；應用層由顯示屏、空車位狀態指示燈和離場人行指引燈構成。

停車場管理系統運行流程大致如下：當車輛進入停車場入口處，車輛入場檢測裝置監測到有車輛入場時，場內照明裝置開啟；用戶通過查看顯示屏，獲取空車位的信息，確定前往目標區域；當用戶駛入目標區域后，通過該區域的空車位狀態指示燈，確定要到達的空車位。用戶車輛停放完畢后，位于當前車位的超聲波測距模塊監測到有車輛停放，向ZigBee節點發送信號，再通過無線傳輸的方式將數據傳輸到ZigBee協調器，協調器將數據通過WiFi或者4G/5G網絡方式傳輸到服務器進行存儲，并傳輸至云平臺進行數據的記錄[3]；協調器也將數據同步傳輸至各個顯示屏，與空車位狀態指示燈共同進行車位實時顯示，繼而車位狀態指示燈熄滅；用戶下車后，人體紅外傳感器識別到行人，系統通過人體紅外傳感器的ID號，點亮通往最佳出口方向路線上的照明裝置，引導用戶至出口后，燈熄滅。

2 系統硬件設計

根據系統總體設計完成系統硬件電路設計，如圖2所示。

2.1 車輛入場識別及停車引導模塊

車輛入場識別模塊采用超聲波測距傳感器，當檢測到車輛進入停車場內時，STC89C52單片機I/O口接收到有車進入停車場的信號后，開啟場內照明裝置；串口顯示屏實時顯示停車場內車位空滿狀況，用戶對停車場內的車位空滿情況一目了然。本模塊的電路圖設計如圖2所示。從根本上解決了傳統停車場停車位難找以及盲目尋找車位的問題。

2.2 駐車檢測模塊

駐車檢測模塊完成對各個車位的狀態管理，同樣采用超聲波測距傳感器，當該車位的傳感器檢測到的距離小于設定的距離時，便判定該車位已停放車輛。狀態信息通過單片機處理后傳輸至該區域的ZigBee節點，ZigBee節點通過無線方式將數據傳輸至ZigBee協調器模塊，完成車位狀態改變后的數據傳輸[4]。

2.3 照明引導模塊

有的室內停車場為了方便用戶，24 h都開啟照明裝置，這樣造成了不必要的能源浪費；有的為了省電，白天不開照明燈，使得用戶安全難以得到保障。本系統提出照明引導模塊，采用人體紅外傳感器，對泊車后的人群進行快速疏導。當檢測到有行人時，信號通過單片機處理，開啟距離行人最近出口或電梯口的通道照明裝置，待行人離開后則關閉[5]。該模塊解決了傳統停車場內光線昏暗、找出口難的問題；同時節省了行人離場的時間，提高了停車場的安全性，實現了節能減排。

2.4 ZigBee互聯架設模塊

該模塊采用網絡樹形拓撲結構，它可以由一個協調器以及一系列的路由器和終端節點組成。單個節點最遠無線傳輸距離可以達到200 m，路由器作為數據中轉站最大傳輸距離可達400 m，最多可支持65 536個網絡節點[6]。解決了傳統停車場監控范圍小、線路排布成本高、布線困難的問題。

ZigBee網絡為用戶提供了3種網絡設備類型，分別是協調器、路由器和終端節點。其中協調器在整個網絡中權限最高、功能最強大，可用于建立一個ZigBee網絡和維護整個ZigBee網絡，它的功能是作為后端設備接收和處理整個ZigBee網絡傳輸過來的數據。路由器的主要功能是允許其他設備加入網絡，擴大整個網絡的規模和無線信號傳輸距離。終端節點的作用是采集前端數據，數據經過處理后通過無線傳輸到ZigBee網絡中[7]。

3 系統軟件設計

3.1 單片機控制部分

根據系統總體設計方案，各功能模塊聯動執行，將單片機執行車輛入場的程序部分設計如圖3所示。初始化后，首先通過駐車檢測模塊識別各個車位的空滿狀態，顯示在串口屏上；再通過車輛入場識別模塊，檢測到有車進入時，完成停車引導，并更新車位狀態信息；通過人體紅外檢測到有行人時，啟動照明引導模塊；當行人離開后，照明裝置關閉。

3.2 顯示屏功能實現部分

終端顯示器件采用了串口屏，通過顏色來區分各個停車區的“空滿狀態”。若有車，屏幕中該區域顏色變為紅色；若無車，屏幕中該區域模塊顏色變為綠色。串口屏通過串口連接至ZigBee節點端，來獲取當前車位數據，接收到數據后進行數據解析。

本系統串口屏數據解析采用主動解析方式，解析間隔為50 ms。該方式優點為解析速度快、可自定義幀頭幀尾、快速識別錯誤數據幀。若因網絡問題導致接收到的數據幀不合格，可快速判別，并進行緩存區字節刪除操作，避免串口緩存區擁堵而導致后方正確數據無法識別的現象發生。數據格式為：數據+幀尾[8]。根據現有實驗模型，將數據設置為三個字符組成：第一個字符為區分A或B區，如果某區中有3個車位；則通過第二個字符區分，可用“1，2，3”表示；第三個字符為當前車位“空滿狀態”的區分，若該車位停滿，則發送字符“0”；若該車位空余，則發送字符“1”。比如數據“A10”表示A區1號車位停滿；數據“B21”表示B區2號車位空余。采用字符C作為數據格式的幀尾，當接收數據時，判定第4個字符是否為C字符，從而確定該數據幀的位置。比如接收到字符串“A10C”，串口屏對應車位呈紅色。在實際應用中，可根據停車場的規模設置合理的數據位，完成數據格式設置。數據逐層解析如圖4所示。將接收到的字符存入U數組中，進行判定剖析，大大減小了數據處理的誤差，加快了串口屏實時顯示的效率。

3.3 云端平臺功能實現部分

云端平臺集實時狀態顯示、數據記錄、設施情況查詢于一體，是統籌查看停車場管理系統各個設施與區域實時狀況的軟件，操作界面如圖5所示。

云端平臺主要是將設施情況和數據統計兩大模塊的數據實時顯現在控制界面中，所以，設施情況與數據統計為統籌查看重點。在停車場各個區域均安置有ZigBee節點，節點連接有駐車識別裝置、識別燈、顯示屏、照明裝置等設備，ZigBee節點定時檢測各個設施的運行狀況，若有設施運行非正常，則ZigBee節點通過無線傳輸向ZigBee協調器發送含有故障設備信息的字符串，協調器將信息通過WiFi模塊上傳到云端平臺[9-10]，云端平臺對其字符串進行判定并顯示到相應的模塊中，進行“光報警”，即云端平臺界面的“設施情況”圖標變為紅色，警示管理員及時排查。界面中的“數據統計”項可查看當前停車場剩余車位情況。通過超聲波檢測得到的狀態被傳輸至STC89C52單片機I/O口，經過單片機判定空位數量后由單片機將數量數據傳輸至ZigBee節點，再傳輸至協調器通過WiFi上傳云端進行數據匯集。

4 實驗測試結果

本實驗模型為一個兩層室內停車場，如圖6所示。當前有3輛車已入庫，當另有車輛進入停車場時，可通過顯示屏查看場內停車狀況。顯示屏中的A3、A4、B2區變為紅色，表示該區域有車停放；A1、A2、A5、B4、B5區為綠色，且對應空車位指示燈點亮，用戶可根據指引停車；A6、B1、B6屏幕顯示綠色，但車位指示燈不亮，表示固定車位或私人車位，不能隨便停放。云端平臺實時概況顯示情況如圖7所示，與顯示屏顯示情況一致。

5 結 語

綜上所述，本停車場管理系統采用ZigBee組網技術和顯示屏實時顯示的方式，實現對車輛的停車管理。車輛進場時，通過串口顯示屏與空車位狀態指示燈引導用戶快速找到停車位；當車輛停好后，通過人體紅外檢測技術和照明裝置引導用戶找到最近的出口，從而實現快速離場；用戶返回停車場時，可根據云端平臺鎖定車輛位置快速尋車。既節省了用戶的停取車時間，又節約了停車場照明的能耗，實現了節能環保和時間高效利用。

參考文獻

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作者簡介：幸 敏（1979—），女，江西高安人，工程碩士，副教授，研究方向為電子技術、物聯網應用技術。

收稿日期：2023-04-21 修回日期：2023-05-18

基金項目：2022年度廣西水利電力職業技術學院重點科研項目：基于物聯網技術的攝像頭運維管理系統研究（2022kyzd03）