基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的停車場管理系統(tǒng)

摘要：在大型停車場如何快速停車是管理者與停車者之間存在的最大的難題。為了解決這個(gè)困擾社會(huì)管理的難題，文中提出了一種基于ZigBee與S3C2440的大型停車場管理系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)采用CC2430和超聲波傳感器采集與傳輸停車場車位信息，并用S3C2440和MFRC522模塊解決停車場收費(fèi)問題，用LED點(diǎn)陣屏實(shí)時(shí)顯示停車場車位信息以及引導(dǎo)停車者快速停車。整個(gè)系統(tǒng)能夠智能地管理與引導(dǎo)停車者快速停車。
關(guān)鍵詞：ZigBee；停車場管理；嵌入式；無線傳感網(wǎng)

0 引言
    隨著我國城市現(xiàn)代化、國際化的發(fā)展，城市居民汽車擁有量急劇增加，車輛的管理控制也顯得越發(fā)重要。在擁擠的市區(qū)里，汽車與停車位之間的矛盾越來越突出。對(duì)于各類停車場控制管理也有著更高的要求，不僅要求可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的收費(fèi)和停泊管理，而且要求車輛進(jìn)出都可以快速進(jìn)行，縮短停車時(shí)在出入口的平均逗留時(shí)間，提高停車效率。為了提高停車場的信息化、智能化管理水平，給車主提供一種更加安全、舒適、方便、快捷和開放的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)停車場運(yùn)行的高效化、節(jié)能化、環(huán)?；?，本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的停車場管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    當(dāng)停車者根據(jù)點(diǎn)陣屏上顯示的車位信息進(jìn)入停車場時(shí)，按鍵，射頻卡自動(dòng)彈出，內(nèi)部自動(dòng)進(jìn)行第一次刷卡，系統(tǒng)記住刷卡時(shí)間。車位信息由ZigBee系統(tǒng)采集與傳輸。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的車位信息通過路由器發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器處理之后，通過串口發(fā)送給LED點(diǎn)陣控制器，最終LED控制器控制點(diǎn)陣顯示停車場車位信息。當(dāng)司機(jī)離開停車場時(shí)再次刷卡，系統(tǒng)通過兩次刷卡的時(shí)間差與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)費(fèi)對(duì)比進(jìn)行收費(fèi)。
    本系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，它由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器以及帶有超聲波傳感器的終端節(jié)點(diǎn)組成；第二部分是射頻計(jì)費(fèi)，由S3C2440和MFRC522射頻模塊組成；第三部分是信息顯示系統(tǒng)，由AVR單片機(jī)和點(diǎn)陣顯示屏組成。圖1所示是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。
    ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW。在通信狀態(tài)下，ZigBee終端耗電為幾十毫瓦；在省電模式下，耗電僅僅幾十微瓦。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號(hào)電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。在本設(shè)計(jì)中，終端節(jié)點(diǎn)采用中斷喚醒睡眠模式。當(dāng)超聲波傳感器的電平不發(fā)生變化時(shí)，CC2430處于休眠模式；當(dāng)超聲波傳感器的電平跳變時(shí)，51單片機(jī)發(fā)信號(hào)喚醒CC2430工作。這樣，本設(shè)計(jì)在功耗方面可以降到最低，這也是本設(shè)計(jì)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要理由。

    ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)是本設(shè)計(jì)的主要部分。整個(gè)系統(tǒng)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采集與無線傳輸超聲波傳感器實(shí)時(shí)對(duì)車位是否被車輛占用發(fā)送監(jiān)測信息。最后由協(xié)調(diào)器發(fā)往監(jiān)控中心，在LED點(diǎn)陣顯示屏顯示車位剩余信息以及空車位所在的具體位置。理論上每個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器可容納65 000多個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且隨著停車場大型化趨勢的發(fā)展，可以通過增加路由器對(duì)大型停車場的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)管理，一個(gè)協(xié)調(diào)器放在監(jiān)控中心對(duì)幾個(gè)分區(qū)進(jìn)行監(jiān)控。
    本設(shè)計(jì)中的終端節(jié)點(diǎn)由CC2430模塊、超聲波傳感器與51單片機(jī)組成。超聲波傳感器的發(fā)送和接收端與51單片機(jī)的P1．0和P3．2相連，51單片機(jī)信息輸出端再與CC2430模塊的中斷接口相連。圖2所示是終端節(jié)點(diǎn)的連線圖。

    將終端節(jié)點(diǎn)放置在停車場車位下部。超聲波傳感器在未檢測到障礙物時(shí)，輸出端發(fā)送的是連續(xù)的高電平；檢測到障礙物時(shí)，輸出端發(fā)送低電平；當(dāng)檢測到障礙物穩(wěn)定時(shí)，超聲波傳感器持續(xù)輸出低電平。由于一般轎車底盤是20～50 cm，可以在軟件程序里設(shè)置超聲波傳感器的檢測距離來判斷車位是否有汽車存在。超聲波傳感器實(shí)時(shí)工作，當(dāng)輸出端有電平跳變時(shí)觸發(fā)51單片機(jī)，當(dāng)電平跳變到一個(gè)值趨于穩(wěn)定時(shí)，說明該車位的車位信息就會(huì)變化，51單片機(jī)將信息發(fā)送給CC2430。終端節(jié)點(diǎn)通過以上過程采集車位信息，終端節(jié)點(diǎn)采集到的車位信息通過路由器傳給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器把采集到的車位信息進(jìn)行分析與處理，發(fā)送給點(diǎn)陣顯示屏的控制器。協(xié)調(diào)器通過串口與點(diǎn)陣顯示屏的控制器相連。點(diǎn)陣屏將車位信息實(shí)時(shí)顯示，以文字與標(biāo)號(hào)結(jié)合的方式為停車者提供參考。
    射頻計(jì)費(fèi)部分采用的是S3C2440和MFRC522模塊組成的刷卡計(jì)費(fèi)器。主控芯片使用S3C2440處理器，它是一款32位的高速處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與傳輸。它主要有以下特點(diǎn)：體積小、低功耗、低成本、高性能；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高。本設(shè)計(jì)選用非接觸型IC卡，即射頻IC卡。射頻IC卡避免了接觸型IC卡與讀卡器之間的物理接觸，減少了卡的磨損，故本設(shè)計(jì)采用PHILIPS公司的Mifarel卡和本射頻卡配套的MFRC522芯片。由于MFRC522兼容SPI的通信方式，本設(shè)計(jì)在S3C2440上模擬了SPI的接口供其與MFRC522通信，在SPI通信中MFRC522模塊用作從機(jī)。SPI時(shí)鐘SCK由主機(jī)產(chǎn)生。數(shù)據(jù)通過MOSI線從主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)；數(shù)據(jù)通過MISO線從MFRC 522發(fā)回到機(jī)。
    本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)控制LED點(diǎn)陣顯示屏。因?yàn)锳VR單片機(jī)處理指令的速度比其他單片機(jī)較快，抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，作為點(diǎn)陣顯示屏的控制器，可以顯示比較好的效果，所以，本設(shè)計(jì)使用AVR ATmega16單片機(jī)為LED點(diǎn)陣控制器。點(diǎn)陣顯示屏可以直觀地將停車場的車位信息顯示，為停車者提供參考，供停車者快速便捷地停車，節(jié)省大量時(shí)間。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    ZigBee通信協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)通過在不同層上的特定服務(wù)來完成所要執(zhí)行的各種任務(wù)。本設(shè)計(jì)采用TI公司提供的ZigBee 2006 Z—Stack協(xié)議棧，其在IEEE 802．1 5．4標(biāo)準(zhǔn)物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)規(guī)范，是一種較好的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組建方案。ZigBee設(shè)備類型按網(wǎng)絡(luò)功能分為三種：協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器建立的，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)想建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須滿足兩個(gè)條件：第一，節(jié)點(diǎn)是具有協(xié)調(diào)器功能的全功能設(shè)備(FFD)節(jié)點(diǎn)；第二，節(jié)點(diǎn)沒有和其他網(wǎng)絡(luò)連接，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只允許有唯一一個(gè)協(xié)調(diào)器，如果此節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)連接，那么此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，而不能建立自己的網(wǎng)絡(luò)。
    協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)點(diǎn)成員的加入、網(wǎng)絡(luò)地址分配、網(wǎng)絡(luò)鏈接表的更新、信息的收集與轉(zhuǎn)發(fā)等。此外，在本設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)器通過串口與AVR單片機(jī)模塊進(jìn)行通信，因此需要在協(xié)議棧中編寫ZigBee串口應(yīng)用程序。圖3為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)搭建流程圖。

    ZigBee路由節(jié)點(diǎn)在本設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)路由傳輸終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息功能，所以程序設(shè)計(jì)相比協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)較簡單。
    終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)車位信息采集與發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器的輸出車位信息，并將車位信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；同時(shí)也實(shí)時(shí)準(zhǔn)備接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，收到控制命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。所以終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括無線網(wǎng)絡(luò)的加入、傳感器數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
    本設(shè)計(jì)中分配給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)不同的物理地址，將物理地址作為判斷該終端節(jié)點(diǎn)所在的車位是否有汽車的依據(jù)。當(dāng)車位被占時(shí)，將該車位終端節(jié)點(diǎn)的物理地址的后兩位“XX”(XX代表每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的物理地址的后兩位)發(fā)送到協(xié)調(diào)器；當(dāng)車位空時(shí)，車位終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送“00”到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將收到的車位信息通過串口發(fā)送到單片機(jī)，存儲(chǔ)到單片機(jī)的串口存儲(chǔ)緩沖器中，點(diǎn)陣顯示判斷程序通過判斷存儲(chǔ)緩沖器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的車位信息顯示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    終端節(jié)點(diǎn)是由CC2430、51單片機(jī)和超聲波傳感器為一體的采集節(jié)點(diǎn)組成的。由于一般的轎車底盤是20～50 cm，通過在程序里設(shè)置超聲波傳感器的檢測距離來檢測車位是否有車。當(dāng)車位被占時(shí)，超聲波傳感器采集到低電平發(fā)送給CC2430；當(dāng)車位空著時(shí)，超聲波傳感器采集到高電平發(fā)送給CC2430。系統(tǒng)通過電平差來判斷車位是否有車的存在。本設(shè)計(jì)中車位1的終端節(jié)點(diǎn)的后兩位的物理地址為20，車位2的終端節(jié)點(diǎn)的后兩位的物理地址為40。由于采用兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每次兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的車位信息一起發(fā)送，即四位一起。圖4所示是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送車位占滿與全空的示意圖。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)采集到車位1和車位2都被占時(shí)發(fā)送“2040”；當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)采集到兩車位都空著的信息時(shí)，協(xié)調(diào)器發(fā)送“0000”。

    圖5所示是車位有一個(gè)被占時(shí)的界面示意圖。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)采集到車位2空著，車位1被占時(shí)發(fā)送“2000”；當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)采集到車位1空著，車位2被占時(shí)發(fā)送“0040”。

4 結(jié)語
    本設(shè)計(jì)綜合了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的停車場管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷車位信息，并用LED點(diǎn)陣屏顯示位信息，以引導(dǎo)停車者快速、便捷地停車。本設(shè)計(jì)能夠有效地克服大型停車場布線難的問題，同時(shí)節(jié)省成本，同時(shí)，ZigBee通過功放可在低功耗的條件下實(shí)現(xiàn)1 000 m以上的通信距離，在停車場中基本可實(shí)現(xiàn)全覆蓋。但是，本設(shè)計(jì)還有一些不足，比如超聲波傳感器的能耗問題，還有加入更多的終端節(jié)點(diǎn)該怎么判斷等問題。因此，以后還需要進(jìn)一步研究，以讓本設(shè)計(jì)更充分體現(xiàn)它的價(jià)值作用。