一種太陽能供電的無線傳感網(wǎng)小區(qū)車位管理系統(tǒng)*

劉保連，丁祖軍

（淮陰工學院 電子與電氣工程學院，江蘇 淮安 223003）

隨著我國大中城市經(jīng)濟的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化進程的不斷加快，城市私人汽車數(shù)量飛速增長，給整個城市停車問題帶來了具大的壓力?？紤]到停車位的所有權(quán)、私用和公用問題，很多小區(qū)的停車位只供小區(qū)居民停放車輛所用，且小區(qū)的車位存在管理混亂、亂占車位等現(xiàn)象。

一些停車場采用壓力傳感器來檢測車位狀況，但壓力傳感器能采集的參數(shù)有限，精度不高，而且需要在整個停車場地表鋪設傳感器。參考文獻[1]提出一種基于RFID和攝像控制的解決方案。該方法被眾多停車場所使用，但由于讀寫器需要布線、價格較貴、成本偏高，其可執(zhí)行度不高。參考文獻[2]把閉路監(jiān)控加以改造，將計算機圖像處理技術(shù)、模式識別和通信等多項技術(shù)相結(jié)合，打造計算機視頻監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測和控制停車位。不過，這種技術(shù)對圖像處理技術(shù)要求很高。參考文獻[3]在每個車位上方均設立超聲波檢測與視頻一體化的監(jiān)測。用視頻采集技術(shù)，可將車輛和車位匹配，但需要布線，且成本較高。

考慮到小區(qū)車位專屬性，參考文獻[4]、[5]、[6]提出了基于車位鎖的解決方案。車位鎖控制簡單，成本較低，既能適用于收費場合，也可在免費或臨時停車場推廣使用。但沒能構(gòu)成智能化、信息化管理。參考文獻[7]提出一種基于GSM無線網(wǎng)絡的車位管理系統(tǒng)，但每個車位均需SIM卡，屬收費網(wǎng)絡。

近年來，隨著無線信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，ZigBee無線網(wǎng)絡以其低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延及高安全等特點，在交通、農(nóng)業(yè)、環(huán)境檢測等領域得到了廣泛應用?；谛^(qū)車位管理的特殊性及目前車位管理的現(xiàn)狀，本文將ZigBee傳感網(wǎng)絡與車位管理相結(jié)合，構(gòu)建了無線車位管理系統(tǒng)，使得車位管理更具智能化、信息化，提高了管理效率和質(zhì)量。

1 車位管理系統(tǒng)構(gòu)成

車位管理系統(tǒng)主要由分布式車位鎖節(jié)點 （終端節(jié)點）、路由節(jié)點、中心協(xié)調(diào)器、控制終端以及車牌識別系統(tǒng)5個部分組成。車位管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)絡的車位管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

車位鎖節(jié)點和路由節(jié)點以自組織的方式組成以中心協(xié)調(diào)器為中心的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，控制終端通過中心協(xié)調(diào)器控制所有與之相連的路由節(jié)點及車位鎖節(jié)點。車牌號智能識別系統(tǒng)安裝在小區(qū)入口，通過攝像頭拍攝進出車輛牌號，并將車牌信息送入系統(tǒng)控制終端，并與數(shù)據(jù)庫比對，確認是本小區(qū)的車輛后，控制終端通過中心協(xié)調(diào)器發(fā)送指令給該車輛對應的車位鎖節(jié)點，控制該車位鎖的升降，實現(xiàn)車輛自動停車，該命令通過任一路由到達該節(jié)點。

每個路由節(jié)點除了基本的路由功能及控制車位鎖外，還要完成利用太陽能光伏電池板對蓄電池充電功能。由于各個車輛的進出頻率較低，同一時刻兩輛及以上車輛同時進出的概率很低，且車位鎖節(jié)點在沒有動作時，均處于低功耗模式，因此，所有通過同一個路由節(jié)點加入到網(wǎng)絡的車位鎖節(jié)點及該路由節(jié)點本身均由同一蓄電池供電。

2 車位鎖節(jié)點設計

車位鎖節(jié)點要根據(jù)控制終端的指令實現(xiàn)對車位鎖的升降動作，以便實現(xiàn)車輛的停車及駛出。在功能上，車位鎖節(jié)點可以劃分為微控制器功能模塊、無線通信功能模塊、電機驅(qū)動及保護模塊。本設計采用CC2530作為主控芯片實現(xiàn)車位鎖節(jié)點，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車位鎖節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

微控制器采用CC2530F256集成芯片。CC2530F256是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4 ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。它具有領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，8 KB的RAM和256 KB的Flash，具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530F256結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領先的黃金單元 ZigBee協(xié)議棧（Z-StackTM），提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。微控制器模塊與無線通信模塊電路如圖3所示。

為了提高無線傳感模塊信息傳輸距離，在CC2530無線輸出端增加了RFX2401功率放大模塊。RFX2401是一個完全集成的單芯片射頻前端集成電路，為滿足ZigBee通信需要，它包含了所有的RF功能。RFX2401的架構(gòu)整合了功率放大器、低噪聲放大器、傳輸和接收開關(guān)電路、阻抗匹配網(wǎng)絡、諧波過濾器和CMOS控制邏輯，專為2.4 GHzISM頻段使用，并支持802.15.4和ZigBee2007標準，其性能優(yōu)越、靈敏度高、效率高、噪音低、尺寸小且成本低。

電機驅(qū)動模塊主要用來驅(qū)動直流電機完成車位鎖機械裝置的升降。為提高電機運行效率，減小不必要的功率損耗，提高蓄電池供電時間，對電機采用PWM控制。控制芯片采用ST公司的集成驅(qū)動芯片L298。它的最高工作電壓可達46 V，輸出瞬間峰值電流可達3 A，持續(xù)工作電流為2 A，直流電流總和可達4 A。

3 路由節(jié)點設計

路由節(jié)點基本功能是負責轉(zhuǎn)發(fā)信息，尋找最適合的路由路徑，當有節(jié)點加入時，可為節(jié)點分配地址。路由器獲得的地址是不變的，可作為點對點數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂肥褂?。即使中心協(xié)調(diào)器掉電，路由器仍然在保持網(wǎng)絡，路由與路由之間仍然能夠通信，且當有新的節(jié)點加入時，仍然能夠通過現(xiàn)有的路由獲得地址，加入網(wǎng)絡。

此外，路由節(jié)點本身不但可以完成車位鎖功能，還要完成對蓄電池充電的任務。路由節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。太陽能光伏電池板經(jīng)充電電路對蓄電池充電，同時，蓄電池給路由節(jié)點及通過該路由節(jié)點分配地址并連接到網(wǎng)絡的車位鎖節(jié)點供電。為降低充電電路中電力電子器件的開關(guān)損耗，提高效率，充電電路采用結(jié)構(gòu)簡單、效率高的BUCK軟開關(guān)電路[8]。由于太陽能光伏電池板容量有限，且太陽光線在一天中不同時段強弱不同，因此，對蓄電池主要采用涓流充電的方法。

4 中心協(xié)調(diào)器

中心協(xié)調(diào)器用來創(chuàng)建一個ZigBee網(wǎng)絡，當有節(jié)點加入時，自動分配地址給子節(jié)點，中心協(xié)調(diào)器為不能掉電設備，沒有低功耗狀態(tài)。每個ZigBee網(wǎng)絡需要且僅需要一個中心協(xié)調(diào)器，不同網(wǎng)絡的網(wǎng)絡ID號是不一樣的，如果在同一空間存在兩個中心協(xié)調(diào)器，且它們初始的網(wǎng)絡ID一樣，則后上電的中心協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡ID會自動加一，以免引起網(wǎng)絡ID沖突。中心協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖如圖5虛線框內(nèi)所示。

圖3 主控制C PU及無線收發(fā)電路

圖4 路由節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

圖5 中心協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)組網(wǎng)

根據(jù)圖1組建了一個車位管理的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡，如圖6所示。

圖6 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡

一個網(wǎng)絡中只有一個中心協(xié)調(diào)器，它可以給路由節(jié)點分配地址，地址已經(jīng)分配完的協(xié)調(diào)器不能與其他不是由協(xié)調(diào)器分配地址的路由器和終端節(jié)點直接通信，但可通過其他路由節(jié)點通信。路由節(jié)點由協(xié)調(diào)器或其他已存在的路由節(jié)點分配地址，它也可以為終端節(jié)點分配地址。終端節(jié)點理論上可以經(jīng)任意路由與中心協(xié)調(diào)器通信，至少可通過為該終端節(jié)點分配地址的路由節(jié)點進行通信，但不能經(jīng)由已經(jīng)提供完終端節(jié)點地址的其他路由節(jié)點進行通信。

5.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸分透明數(shù)據(jù)傳輸和點對點數(shù)據(jù)傳輸。在透明數(shù)據(jù)傳輸模式下，中心協(xié)調(diào)器從接收到的數(shù)據(jù)自動發(fā)送到所有節(jié)點，數(shù)據(jù)內(nèi)容保持不變；所有節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)自動發(fā)送到中心協(xié)調(diào)器，相當于任一節(jié)點與中心協(xié)調(diào)器之間用電纜直接連接。點對點數(shù)據(jù)傳輸適合于網(wǎng)絡內(nèi)任意兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，接收方知道數(shù)據(jù)來源地址，發(fā)送方知道目標地址。

針對小區(qū)車位監(jiān)控、管理混亂及效率低下等問題，設計了一種太陽能供電的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡車位管理系統(tǒng)，給出了無線傳感網(wǎng)絡各個節(jié)點的設計方案，實現(xiàn)了高效率智能化停車，進一步提高了車輛停車的安全性和可靠性。

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[2]李伽.基于圖像處理的停車場收費管理系統(tǒng)[D].武漢：華中師范大學，2006.

[3]孫亮，黨力明.大型室內(nèi)停車場車位的超聲波檢測[J].儀表技術(shù)與傳感器，1996（10）：39-42.

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