一種低成本城市停車誘導(dǎo)系統(tǒng)中區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

摘要：為降低城市級停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)營成本，提出一種無需建立管理控制中心的系統(tǒng)架構(gòu)，采用LPC11C14和CC2530作為核心芯片設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中的重要組成部分——區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)。通過所開發(fā)出的測試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，表明該Zigbee網(wǎng)絡(luò)可準(zhǔn)確接收用戶手機(jī)發(fā)出的停車請求，并能根據(jù)停車場內(nèi)車位狀態(tài)向用戶反饋?zhàn)罴衍囄恍畔?，從用戶發(fā)送請求到收到反饋信息的時(shí)間不超過10 s。

停車誘導(dǎo)系統(tǒng)是一種以多級信息發(fā)布為載體，可實(shí)時(shí)地提供停車場的位置、車位數(shù)、車位狀態(tài)等信息，指引駕駛員有效停車的信息系統(tǒng)。根據(jù)覆蓋范圍的大小，停車誘導(dǎo)系統(tǒng)一般又可分為城市級和停車場級兩種。為節(jié)約城市級停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的建設(shè)及運(yùn)營成本，本文提出一種無需建立管理控制中心的系統(tǒng)架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)研究所提架構(gòu)中的重要組成部分——區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。

1 研究現(xiàn)狀

停車誘導(dǎo)系統(tǒng)是一種用于緩解城市中停車難現(xiàn)象的智能交通系統(tǒng)。國外最早出現(xiàn)于1971年的德國亞琛市，近40年的發(fā)展效果顯著。我國的建設(shè)興起于2001年，近10多年的發(fā)展也取得了不錯(cuò)的效果。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外的各種系統(tǒng)雖各有特點(diǎn)，但它們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理基本相似，均大致由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、中央管理和數(shù)據(jù)發(fā)布4個(gè)部分組成。因此，均需建設(shè)和維護(hù)一個(gè)城市級的管理控制中心，運(yùn)營部門也需要長期繳納數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)布兩部分與管理控制中心間的通信費(fèi)用，導(dǎo)致系統(tǒng)的建設(shè)和后期運(yùn)營的成本較高。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過在城市的每一個(gè)室內(nèi)停車場、每一個(gè)室外停車場和每一塊路邊停車區(qū)域分別部署一個(gè)“區(qū)域性”的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并與停車用戶的智能手機(jī)相配合，即可完成在整個(gè)城市中實(shí)現(xiàn)停車誘導(dǎo)的功能。在上述架構(gòu)中，無需建設(shè)一個(gè)城市級的管理控制中心，從而可大大節(jié)約系統(tǒng)的建設(shè)與后期運(yùn)營成本。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其大致工作流程為：

1)每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的所有終端結(jié)點(diǎn)定期采集所連接的傳感器傳來的車位狀態(tài)信息。

2)若采集到的車位狀態(tài)與上次狀態(tài)不同，則將當(dāng)前車位狀態(tài)發(fā)送給相鄰的路由器結(jié)點(diǎn)，并等待協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的反饋。若超過一定時(shí)間未收到反饋則重發(fā)，直至收到反饋。

3)各路由器結(jié)點(diǎn)把所收到的終端結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)。

4)協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)收到車位狀態(tài)變化的消息后，給終端結(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋，并更新數(shù)據(jù)庫。

5)當(dāng)汽車行駛至某地時(shí)，用戶觸發(fā)智能手機(jī)提出尋找車位的請求，事先安裝好的智能手機(jī)軟件根據(jù)車輛當(dāng)前位置運(yùn)行停車場尋優(yōu)算法確定最優(yōu)的停車場(或路邊停車區(qū)域)。

6)智能手機(jī)軟件與最優(yōu)停車場(或路邊停車區(qū)域)的協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)通信，協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)查詢當(dāng)前的車位狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。若無空閑車位，將所有車位已滿的信息反饋給智能手機(jī)軟件;否則，系統(tǒng)運(yùn)行停車位尋優(yōu)算法確定最優(yōu)的停車位。

7)確定最優(yōu)停車位后，智能手機(jī)軟件先將車輛引導(dǎo)至目的停車場(或路邊停車區(qū)域)。再繼續(xù)將車輛引導(dǎo)至目的停車位。

3 區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)

區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器、終端三類結(jié)點(diǎn)構(gòu)成。終端結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)定時(shí)采集車位狀態(tài)并將車位狀態(tài)變化的信息發(fā)送出去;路由器結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)車位狀態(tài)變化信息;協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的任務(wù)包括：接收車位狀態(tài)變化信息并更新數(shù)據(jù)庫，接收用戶通過智能手機(jī)發(fā)出的停車請求，查詢數(shù)據(jù)庫中的車位狀態(tài)，運(yùn)行停車位尋優(yōu)算法，向用戶反饋?zhàn)罴衍囄恍畔⒌取?/p>

在協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中，需要以下主要器件：1)一塊嵌入式控制器芯片，用于管理嵌入式數(shù)據(jù)庫;2)一塊Zigbee通信芯片，用于與路由器結(jié)點(diǎn)通信;3)一塊GPRS模塊，用于與用戶智能手機(jī)進(jìn)行通信。

嵌入式控制器選用恩智浦公司的LPC11C14芯片。該芯片采用Cortex-M0內(nèi)核處理器，工作頻率最高可達(dá)50 MHz。在存儲(chǔ)器方面，配置了32kB FLASH和8KB SRAM;在接口方面，配置有一個(gè)串口、一個(gè)2通道10位ADC、兩個(gè)SPI接口、一個(gè)I2C接口、一個(gè)SWD接口等。

Zigbee通信芯片選用n公司的CC2530。該芯片適用于2.4 GHz IEEE 802.15.4和Zigbee等應(yīng)用。芯片內(nèi)部包括射頻收發(fā)器、可編程閃存、增強(qiáng)型8051MCU、8KB RAM等。由于從休眠模式轉(zhuǎn)換到工作模式的耗時(shí)非常短，所以該芯片特別適合低功耗應(yīng)用。

由于LPC11C14芯片內(nèi)部不含EEPROM，為實(shí)現(xiàn)車位狀態(tài)數(shù)據(jù)在嵌入式數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)，通過I2C接口外接AT24C02芯片。LPC11C14與CC2530間的通信設(shè)計(jì)為利用串口進(jìn)行通信。因?yàn)長PC11C14只有一個(gè)串口資源，為實(shí)現(xiàn)LPC11C14與GPRS模塊的串行通信，采用SPI轉(zhuǎn)串口芯片MAX3100進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

GPRS模塊采用通用模塊SIM_300S。LPC11C14板的電源芯片采用MIC5209，CC2530板的電源芯片采用HT7533。協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的總體硬件框圖如圖2所示。

終端結(jié)點(diǎn)和路由器結(jié)點(diǎn)的硬件框圖與協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中CC2530的框圖非常類似。區(qū)別主要是終端結(jié)點(diǎn)中連接有車位檢測傳感器，此外終端結(jié)點(diǎn)和路由器結(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電。

4 區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中LPC11C14的主程序流程圖如圖3所示。上電后首先完成初始化。若接收到CC2530發(fā)送的車位狀態(tài)變化信息，給CC2530發(fā)送反饋，隨即更新數(shù)據(jù)庫。若接收到停車請求，則根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的車位當(dāng)前狀態(tài)，判斷有無空閑車位。若有空閑車位，運(yùn)行停車位尋優(yōu)算法，確定最優(yōu)停車位。之后，通過GPRS模塊向用戶反饋結(jié)果。

協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中CC2530的主程序流程圖如圖4所示。初始化后，首先判斷是否收到車位狀態(tài)變化消息。若未收到，進(jìn)入休眠狀態(tài);若收到，則從休眠狀態(tài)回到正常狀態(tài)。接下來，為防止車位狀態(tài)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫前丟失，需在CC2530內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器中臨時(shí)存放。之后，通過路由器結(jié)點(diǎn)給終端結(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋。最后，把車位變化信息發(fā)送給LPC11C14并等待反饋。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到反饋，則重發(fā);若收到反饋，則進(jìn)入休眠狀態(tài)。

終端結(jié)點(diǎn)的主程序流程圖如圖5所示。初始化后對車位檢測傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過CC2530自帶的A/D模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后以循環(huán)覆蓋的方式存入CC3530內(nèi)部的FLASH。之后，判斷當(dāng)前狀態(tài)與上一個(gè)狀態(tài)是否相同。若車位狀態(tài)發(fā)生變化，由Zigbee射頻模塊通過路由器結(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，并等待協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的反饋。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的反饋，則重發(fā)數(shù)據(jù);若收到反饋，則開啟定時(shí)中斷后進(jìn)入休眠狀態(tài)。接下來等待定時(shí)中斷喚醒，進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)采集。

路由器結(jié)點(diǎn)的主程序流程圖如圖6所示，若接收到終端結(jié)點(diǎn)發(fā)送的車位狀態(tài)變化信息，則產(chǎn)生外部中斷，從休眠狀態(tài)回到正常狀態(tài)。然后以循環(huán)覆蓋的方式存入CC3530內(nèi)部的FLASH。接著將車位狀態(tài)變化的信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)，并等待協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的反饋。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到反饋，則進(jìn)行重發(fā);否則，向終端結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)發(fā)送的反饋，之后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待外部中斷喚醒。

5 實(shí)物展示及模擬運(yùn)行結(jié)果

圖7為所開發(fā)出的測試系統(tǒng)的實(shí)物展示圖。在圖7的中上部，左邊是協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的LPC11C14板，右邊是協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的CC2530板。在LPC11 C14板中，左邊帶有天線的部分是商品化的GPRS模塊。在CC2530板中，中上部帶有天線的部分是商品化的Zigbee射頻模塊。由于這兩部分的頻率均處于微波頻段，因此為保證可靠性采用商品化的成熟模塊。在圖7的中下部，左邊是路由器結(jié)點(diǎn)，右邊是終端結(jié)點(diǎn)。為保證測試效果，這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)在測試時(shí)均采用的是商品化的Zigbee模塊，測試通過后可將底板替換為自己開發(fā)的底板(即：目前協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中CC2530板所用的底板)。

為測試區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)軟、硬件設(shè)計(jì)的有效性，事先在LPC11C14板的嵌入式數(shù)據(jù)庫中存入如表1所示的測試數(shù)據(jù)。之后，利用手機(jī)發(fā)送短信向LPC11C14板的GPRS模塊提出停車請求。接下來，LPC11C14運(yùn)行停車位尋優(yōu)算法。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后得出結(jié)論：005號車位最佳。然后，LPC11C14的GPRS模塊向手機(jī)回復(fù)短信。短信的發(fā)送和接收界面如圖8所示。根據(jù)計(jì)時(shí)結(jié)果，從觸發(fā)短信發(fā)送按鈕到收到反饋的時(shí)間不超過10秒。

注：1)當(dāng)前狀態(tài)為0時(shí)，表示車位為占用狀態(tài);當(dāng)前狀態(tài)為1時(shí)，表示車位空閑。2)兩邊車位的占用情況為0時(shí)，表示兩邊車位均未被占用;為1時(shí)，表示有一邊被占用;為2時(shí)，表示兩邊均被占用。

6 結(jié)論

以嵌入式芯片LPC11C14和Zigbee通信芯片CC2530為主要部件，設(shè)計(jì)了一套用于停車誘導(dǎo)的區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)的硬件電路，同時(shí)開發(fā)了協(xié)調(diào)器、路由器和終端三類節(jié)點(diǎn)的控制和通信程序。測試實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)可準(zhǔn)確接收用戶的停車請求，并能及時(shí)反饋?zhàn)罴衍囄恍畔?，從用戶請求到收到反饋的時(shí)間不超過10 s。