基于ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大型停車場(chǎng)中的應(yīng)用

金春嫣,鄭 瑾

(1.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410000;2.淮陰師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇淮安223300)

基于ZigBee 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大型停車場(chǎng)中的應(yīng)用

金春嫣1,2,鄭 瑾1

(1.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410000;2.淮陰師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇淮安223300)

基于ZigBee技術(shù),提出了在大型停車場(chǎng)中組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種構(gòu)建方法.通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和車牌識(shí)別系統(tǒng)相結(jié)合,能夠方便、迅速的管理車位和引導(dǎo)停車,實(shí)時(shí)采集車輛信息,將防盜、消防、報(bào)警相結(jié)合.能對(duì)車輛來(lái)源復(fù)雜的大型停車場(chǎng)實(shí)現(xiàn)有效管理.

ZigBee;停車場(chǎng);車牌識(shí)別;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和車價(jià)的下調(diào),中國(guó)各大中城市私家車總量急劇攀升.2009年6月,南京市注冊(cè)登記的機(jī)動(dòng)車突破百萬(wàn)輛.與之俱來(lái)的是城市交通和停車的壓力.現(xiàn)在,商場(chǎng)、超市、車站、機(jī)場(chǎng)、地鐵出口、醫(yī)院、大型小區(qū),都配套擁有約300個(gè)甚至上千個(gè)停車位的大型停車場(chǎng).人工收費(fèi)和管理已經(jīng)無(wú)法滿足快速、高效、安全管理的需求.組建基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),將幫助物業(yè)管理部門對(duì)大型停車場(chǎng)進(jìn)行有效的管理.

1 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN),由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,是通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1],其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息,并發(fā)送給觀察者.

一般而言,隨著通信距離的增大,設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加.如何解決無(wú)線信道的多變性和易丟失性,以及節(jié)點(diǎn)的能源限制是關(guān)鍵.接收靈敏度一定時(shí),無(wú)線發(fā)射功率P和接收半徑R之間的關(guān)系[2]是P正比于R2～R5.長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí),能耗情況會(huì)十分嚴(yán)重,對(duì)能量有限的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),會(huì)造成節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡.ZigBee(曾被稱作HomeRF Lite或FireFly無(wú)線技術(shù)),基于 IEEE 802.15.4規(guī)范,有高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn),與 WiFi(IEEE802.11),Bluetooth(IEEE802.15)等同使用2.4 GHz頻段(此為免執(zhí)照頻段)的技術(shù)相比(如表1所示),用戶能擁有較長(zhǎng)的電池壽命和較多的器件陣列.如使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Mesh)[3],理論上可組建有216個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò).

表1 2.4 GHz頻段時(shí)ZigBee與其它通信技術(shù)的比較

大型停車場(chǎng)這種需要較大范圍的通信覆蓋,網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多,但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小的場(chǎng)景,選用設(shè)備成本低,無(wú)須頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電的基于ZigBee技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)是最為適當(dāng)?shù)?

2 停車場(chǎng)的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)可分為4個(gè)模塊.入口管理、泊位管理、出口與收費(fèi)管理、管理中心.

中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)來(lái)自停車場(chǎng)的所有數(shù)據(jù)集中處理,并返回相對(duì)應(yīng)的操作指令.在協(xié)調(diào)和管理整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的同時(shí),也可通過(guò)系統(tǒng)集成,融入小區(qū)、大樓的智能自動(dòng)化管理系統(tǒng).在需要時(shí),可向上級(jí)管理部門提供數(shù)據(jù)報(bào)表或具體的車輛定位查詢.

停車場(chǎng)本身可標(biāo)記為A、B、C等多個(gè)區(qū),每個(gè)區(qū)可設(shè)置一個(gè)ZigBee路由.每個(gè)車位可設(shè)置一個(gè)基于cc2430模塊的精簡(jiǎn)功能無(wú)線傳感器終端.每個(gè)路由管理該區(qū)的數(shù)十個(gè)終端.整個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器來(lái)協(xié)調(diào)[4],并與中央監(jiān)控系統(tǒng)交換信息.停車場(chǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 停車場(chǎng)各節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

停車場(chǎng)的客戶可分月租和臨時(shí)兩種.月租客戶隨車攜帶停車卡.臨時(shí)客戶在發(fā)卡處領(lǐng)取停車卡,出口處交還.停車卡中選用TI公司生產(chǎn)的基于ZigBee技術(shù)的帶定位引擎的射頻芯片CC2431.

2.1 入口管理

入口部分主要由ZigBee路由器、發(fā)卡機(jī)(或管理員)、車位顯示屏、攝像頭、電動(dòng)欄桿、擋車器組成.其控制原理如圖2.

月租客戶的車行駛至離入口10 m處時(shí),ZigBee路由就能接收到停車卡的射頻信號(hào).路由得到射頻卡的芯片的64位全球唯一的MAC地址后,由協(xié)調(diào)器為該終端分配一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò)地址.停車卡終端以此地址與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中其它設(shè)備進(jìn)行通信[5].中央控制計(jì)算機(jī)得到停車卡的MAC地址后,核對(duì)該停車卡的使用情況.如該卡已被某車位匹配使用中,則管理員或發(fā)卡機(jī)提示要求另取臨時(shí)付費(fèi)卡使用.車輛進(jìn)入入口車道緩慢行使時(shí),可觀察車位顯示屏中空閑車位的分布情況.同時(shí),攝像頭將車牌拍下并傳輸給中央控制計(jì)算機(jī).計(jì)算機(jī)運(yùn)行識(shí)別系統(tǒng)軟件,識(shí)別出車牌,同時(shí)將此車所使用或?qū)⑹褂玫耐＼嚳ǖ腗AC地址及停車時(shí)間存入系統(tǒng).月租客戶核對(duì)無(wú)誤時(shí),電動(dòng)欄桿自動(dòng)起欄放行車輛.如為臨時(shí)客戶,將在取卡后放行.待車輛通過(guò)后,再放下欄桿.

2.2 泊位管理

車輛進(jìn)入停車場(chǎng)后,可自主選擇車位泊車.泊位管理由泊位分布顯示屏、泊位指示器、各種智能路標(biāo)、車位無(wú)線傳感器、ZigBee路由器等組成.

車輛進(jìn)入某塊區(qū)域時(shí),基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)的定位技術(shù),車輛里的停車卡中的cc2431芯片可以與周邊的車位傳感器中的cc2430芯片一起定位并回報(bào)中央控制計(jì)算機(jī)其位置.目前采用不同的算法,精度可控制在0.5～3 m的誤差范圍內(nèi)[6].但停車場(chǎng)車位與車位間距離較近,如精確匹配停車卡和車位,需要提供更多信息.目前超聲波定位技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)成本都相對(duì)較高.本系統(tǒng)中,采用廉價(jià)的紅外線反射性傳感器與cc2430相結(jié)合的方法[7].

圖2 入口控制原理圖

圖3 出口收費(fèi)控制原理圖

車輛停車后,紅外線反射性傳感器感應(yīng)到車輛,cc2430芯片將車位已泊車的信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給中央控制計(jì)算機(jī).中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)比對(duì)停車卡cc2431芯片定位的數(shù)據(jù)后,將車位編號(hào)、停車卡編號(hào)、車牌、停車起始時(shí)間等作為一條記錄保存下來(lái),同時(shí)發(fā)出指令,修改入口處等地的車位顯示屏.車輛離開(kāi)車位時(shí),cc2430芯片將車位空閑的信息報(bào)告中央控制計(jì)算機(jī);同時(shí),核對(duì)原停車卡是否連入該區(qū)域,如果沒(méi)有,立刻啟動(dòng)防盜警戒系統(tǒng),阻止車輛離開(kāi).

各車位的無(wú)線傳感器因?yàn)樘幚淼男畔⑤^簡(jiǎn)單,可采用精簡(jiǎn)的功能終端設(shè)備[8].紅外線傳感器可連接倒車警告電路.同時(shí),設(shè)定各區(qū)域的某一個(gè)終端增加溫度或者有害氣體傳感器預(yù)防火警或監(jiān)控其它的安全問(wèn)題[9].

2.3 出口管理和收費(fèi)

出口管理主要由ZigBee路由器、收費(fèi)管理窗口、信息顯示屏、攝像頭、電動(dòng)欄桿、擋車器組成.其控制原理如圖3.

月租車輛在出口車道時(shí),ZigBee路由檢測(cè)到新的終端即停車卡,攝像頭拍得車牌信息,系統(tǒng)識(shí)別后與原紀(jì)錄中保存的車牌對(duì)比無(wú)誤,通知道閘,啟動(dòng)電動(dòng)欄桿,車輛離開(kāi)停車場(chǎng).

臨時(shí)車輛進(jìn)入出口車道時(shí),ZigBee路由檢測(cè)到停車卡,返回中央控制系統(tǒng)該車輛停車終止時(shí)間.中央控制系統(tǒng)根據(jù)停車時(shí)間,費(fèi)率等計(jì)算出停車費(fèi),將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給收費(fèi)管理窗口和信息顯示屏,收費(fèi)員回收停車卡,并完成收費(fèi)后,啟動(dòng)電動(dòng)欄桿,放行車輛.

2.4 管理中心系統(tǒng)

管理中心的功能是管理和監(jiān)控停車場(chǎng)的出口、入口、停車位的運(yùn)行使用和安全情況.系統(tǒng)包括:管理月租卡和臨時(shí)卡的使用;管理月租卡客戶的有關(guān)信息;設(shè)置收費(fèi)費(fèi)率,并生成各種財(cái)務(wù)報(bào)表;實(shí)時(shí)管理車位信息,更新各處顯示屏,臨時(shí)停車位已滿時(shí),在顯示屏上顯示無(wú)空車位,暫停臨時(shí)客戶車輛的泊車;月租客戶期限將滿時(shí)提醒續(xù)費(fèi);對(duì)停車情況進(jìn)行匯總分析,最大可能的提高停車場(chǎng)的利用率;通過(guò)分布各處的傳感器,保證消防安全;管理排風(fēng)機(jī)等設(shè)備,及時(shí)換氣;通過(guò)攝像頭等方式,最大可能的保障停車場(chǎng)的安全防盜工作,在必要時(shí),可向警方隨時(shí)提供精確到車位的車牌查詢.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的大型停車場(chǎng)智能管理系統(tǒng)的構(gòu)建方法.具有規(guī)模大,造價(jià)合理,實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn).根據(jù)車輛的停車情況,可對(duì)某些模塊稍做變化,既可使用于車輛車牌較固定的小區(qū),更能勝任超市,機(jī)場(chǎng)等車輛來(lái)源復(fù)雜的停車場(chǎng)環(huán)境,適應(yīng)性極強(qiáng).但對(duì)車牌識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別率和準(zhǔn)確度有一定的要求[10].

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Application of ZigBee Based Wireless Sensor Network in A Large Parking Lot

JIN Chun-Yan1,2,CHENGJin1
(1.School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha Hunan 4100002,China)(2.Department of Computer Science,Huaiyin Normal university,Huaian Jiangsu 223300,China)

This paper presents a construction method of wireless Sensor Networks system which based on the standardized IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack.such a wireless system that can be used in a large parking lot.We can achieve more effective management of empty parking place and guide vehicle parking if integrated the wireless network into information system.By the system providing real-time vehicle information the parking lot can carry out guard and fire alarm function.

ZigBee;parking lot;license plate recognition;wireless sensor networks

TP212.9

A

1671-6876(2010)03-0218-04

2010-03-22

金春嫣(1981-),女,湖南邵東人,淮陰師范學(xué)院講師,中南大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò).

[責(zé)任編輯:蔣海龍]