基于WSN—T的車位管理原型系統(tǒng)探究

陳平+張孜+張傳春

摘 要：為對停車場管理進行智能化的改造，提出了基于WSN-T的車位管理原型系統(tǒng)，通過WSN-T的物聯網節(jié)點，對車位進行智能管理，能夠用無線傳感器網絡代替原有系統(tǒng)的有線傳感器網絡，針對車位管理原型系統(tǒng)設計了一套硬件測試平臺，系統(tǒng)測試的結果分析表明，能夠較好地實現車位管理功能。通過文章地控究，希望對相關工作提供參考。

關鍵詞：物聯網；Zigbee；無線傳感器網絡；車位管理

引言

隨著我國經濟社會高速發(fā)展和機動車保有量快速增長，城市停車供需矛盾日益突出，影響市民生活質量，制約了城市可持續(xù)發(fā)展，停車管理是交通管理的重要方面，對于緩解城市交通擁堵具有重要意義，世界各國停車管理各具特色，其先進的管理理念可供我國大中城市借鑒。

早起我國的停車場管理系統(tǒng)是引進國外先進的系統(tǒng)才慢慢發(fā)展起來的，在引進的過程中針對國內的實際情況進行不斷地改造，但支持系統(tǒng)的許多硬件設備都是采用國外的成熟產品，國內的制作工藝達不到應用要求，因此無法使用，因此在系統(tǒng)的開發(fā)初期，國內的這一類系統(tǒng)并非真正屬于自己的技術，更多程度上是照搬和借鑒[1]。

當下國內基于無線傳感器網絡的停車場管理系統(tǒng)的研究還在初級階段，由于很多系統(tǒng)是從國外直接引進的在實際的使用過程中出現了許多問題，系統(tǒng)設計不夠完整，與國內的實際使用情形脫軌，導致智能化停車場管理系統(tǒng)不但不能很好的進行運作，反而阻礙新型管理系統(tǒng)的開發(fā)和使用，由于硬件都為進口設備系統(tǒng)的造價十分高，很多系統(tǒng)在使用之后由于系統(tǒng)故障，或者設備不能滿足現實需要而發(fā)生故障，導致系統(tǒng)癱瘓，因此對基于無線傳感器網絡的智能化停車系統(tǒng)的研究十分必要，有利于掌握自主知識產權，更好地為停車場行業(yè)服務，提高行業(yè)服務水平。

1 系統(tǒng)原理簡介

本系統(tǒng)是基于ZigbeeCC2530模塊之間的通信可獲取通信信號強度值的功能來設計的，CC2530模塊之間隨著通信距離的加大信號強度值會呈現出類似遞減對數函數的規(guī)律，如下圖1所示是發(fā)射功率在10mw的情況下通信信號強度隨距離的變化關系。雖然無線通信有其無線通信可方便安裝部署的優(yōu)勢，但是由于無線通信的可靠程度遠低于有線通信，且其通信的穩(wěn)定程度較低，波動較大，為弱化無線通信的這個劣勢，讓無線通信的可靠程度提高，是探究將其運用于交通領域的停車場管理的可行性的重點，本系統(tǒng)采用樣本數據概率分布匹配方法來完成車位管理原型系統(tǒng)的設計，對這種設計進行實際的論證，從理論和實踐分析基于信號強度的樣本數據概率分布匹配方法實現車位管理的可靠程度，為以后大規(guī)模實現智能停車位管理打下扎實的實踐基礎，具體實現過程將在以下小節(jié)中具體描述。

圖1 發(fā)射功率為10mw時信號強度值與通信距離之間的關系圖

由上圖的信號強度與距離的關系圖可以看出，信號強度隨通信距離的變化是有一定的變化規(guī)律的，呈現出通信距離越遠，信號強度越弱的整體趨勢，雖然在2.5m、4.5m和8.5m的時候信號強度出現了一定的波動，但不影響整體的變化趨勢，同時這三個節(jié)點的出現也正好印證了無線信號具有一定的不穩(wěn)定性的特點，在實驗范圍內，這樣的波動是允許出現的。

2 車位管理原型系統(tǒng)設計

根據系統(tǒng)實現原理，設計的車位管理原型系統(tǒng)整體網絡架構如下2所示，車載節(jié)點進入與路側節(jié)點通信的范圍之后，車載節(jié)點發(fā)送150個組播信號給三個路側節(jié)點，三個路側收到這些信號之后，將與車載節(jié)點通信的信號強度值、車載節(jié)點編號和路側節(jié)點自身的編號加入要發(fā)給網關的數據包中，再將數據包轉發(fā)給網關節(jié)點，網關節(jié)點（網關節(jié)點帶有串口轉USB線）收到數據之后通過串口將數據發(fā)送到PC的串口調試助手，調試助手再將數據存儲下來，供車位判斷時使用[2]。

圖2 車位管理原型系統(tǒng)網絡架構示意圖[3]

車位管理原型系統(tǒng)的硬件分為四大塊，車載節(jié)點、路側節(jié)點、網關、PC，通過這四部分的硬件協同工作，實現整個車位管理原型系統(tǒng)，本課題僅限探究系統(tǒng)設計的可行性，通過這個設計和實驗探究使用基于信號強度的樣本數據概率匹配方法來管理車位的可行性，節(jié)點電子ID編號的規(guī)則是：網關節(jié)點由0X01開頭，例如網關節(jié)點1的電子ID編號為0X0101，網關節(jié)點2的電子ID編號為0X0102；路側節(jié)點由0X02開頭，例如路側節(jié)點1的電子ID編號為0X0201，路側節(jié)點2的電子ID編號為0X0202，路側節(jié)點3的電子ID編號為0X0203；車載節(jié)點由0X03開頭，例如車載節(jié)點1的電子ID編號為0X0301，車載節(jié)點2的電子ID編號為0X0302。

2.1 車載節(jié)點設計

車載節(jié)點選用的是TI的CC2530芯片，使用的是邱捷科技的外圍電路和底板，Zigbee2007的通信協議，車載節(jié)點的程序自行編寫，外圍電路上有紅綠兩個指示燈，綠燈點亮表示設備正常工作，紅燈閃爍表示節(jié)點正在發(fā)送數據給路側節(jié)點，實現的功能是一次通信發(fā)送150個組播消息給路側節(jié)點，一次組播的時長為35秒，間隔15秒后再從新發(fā)150個組播消息給路側節(jié)點，通過這些數據來不斷地監(jiān)測車載節(jié)點所處的車位。

2.2 路側節(jié)點設計

路側節(jié)點選用的是TI的CC2530芯片，使用的是邱捷科技的外圍電路和底板，使用的是Zigbee2007通信協議，路側節(jié)點的程序自行編寫，外圍電路上有紅綠兩個指示燈，綠燈點亮表示設備正常工作，紅燈閃爍表示正在接受數據并將數據成功轉發(fā)給網關節(jié)點，實現的功能是收集車載節(jié)點發(fā)送的150個組播消息并將所接收的消息的信號強度、對應側節(jié)點的編號加入數據包中，再發(fā)送給網關節(jié)點，通過這些數據來不斷地監(jiān)測車載節(jié)點所處的車位。

2.3 網關節(jié)點設計

網關節(jié)點選用的是TI的CC2530芯片，使用的是邱捷科技的外圍電路和底板，使用的是Zigbee2007通信協議，網關節(jié)點外加了一個串口轉USB硬件部分，通過四根杜邦跳線將網關節(jié)點的信號發(fā)送引腳、接收引腳電源引腳和地與串口轉USB芯片相連來實現串口轉USB功能，網關節(jié)點的程序自行編寫，外圍電路上有紅綠兩個指示燈，綠燈點亮表示設備正常工作，紅燈閃爍表示正在接收路側節(jié)點上傳的數據，實現的功能是收集三個路側節(jié)點發(fā)送的450個轉發(fā)消息并將所接收的消息通過串口發(fā)送給PC，顯示在PC的串口調試助手上，通過上傳的這些數據進行后續(xù)處理來判斷車位[4]。

3 車位管理算法設計

依據系統(tǒng)總體架構設計，提出合適的車位管理算法設計方案，該方案選取停車場內6個車位分別表示為C1、C2、C3、C4、C5、C6；停車場內部署的3個路側節(jié)點分別表示為S1、S2、S3，車載節(jié)點表示為O，硬件部署示意圖如圖3所示：

圖3 測試硬件部署示意圖

3.1 數據幀格式設定

測試采集的數據的幀格式解析，以下是個十六進制的數據包的幀格式：FE FE 00 01 00 00 03 01 00 00 02 01 49其中第一、二兩個字節(jié)FE FE為包頭，第三四兩個字節(jié)00 01為包序，第五、六兩個字節(jié)00 00為數據分隔符，第七、八兩個字節(jié)為03 01車載節(jié)點編號，第九、十兩個字節(jié)00 00 為數據分隔符，第十一、十二兩個字節(jié)0201為路側節(jié)點編號，第十三個字節(jié)為信號強度，其中信號強度值原本為負數，比如-60db、-75db其中-60db的信號強度大于-75db，本實驗為了數據處理方便，在上傳數據時統(tǒng)一將負號去掉，也就是顯示信號強度值為60的信號強度大于顯示信號強度值為75的信號強度數值的絕對值越小，信號強度值越好[5]。

3.2 車位定位算法

本定位算法基于貝葉斯分類器原理，定義停車場內C個車位分別表示為C1，C2，...，CN；停車場內部署的M個固定節(jié)點分別表示為S1，S2，SM。

某臺車進入停車場后停在某個車位Ci（i=1，2，N）的先驗概率定義為P（Ci）。先驗概率初定為均等概率，即車停在各車位的概率相同，均為1/N。后期可根據一段時間內各車位的實際使用頻率統(tǒng)計作為先驗概率依據。

兩節(jié)點間的RSSI值表示為Rj，其取值范圍為0到-99之間的整數，共100個。

Rj=1-j（j=1，2，...，100）

當車停在車位Ci時，第k（k=1，2，...，M）個固定節(jié)點相對于車載節(jié)點的各RSSI值Rj的出現的概率為Pk（Rj|Ci），此概率值可通過事先多次學習統(tǒng)計得到，Pk（Rj|Ci）值共有100*M*N個。

事件A：某次測試中，各固定節(jié)點分別測得一次自己到車載節(jié)點的RSSI值，定義第k（k=1，2，...，M）個固定節(jié)點測得其到車載節(jié)點的RSSI值為rk（rk∈R1，R2，...，R100），條件概率P（rk|Ci）=Pk（Rj=rk|Ci）。假設各固定節(jié)點測得的RSSI值之間相互獨立，則有

車停在車位Ci的條件下，出現事件A的概率（條件概率）

（1）

事件A出現的概率（全概率）

（2）

事件A出現的前提下，車停在車位Ci的概率（后驗概率）

（3）

對車的定位問題即轉化為求最大后驗概率問題，如果P（Cq|A）=max（P（Ci|A）），則可判斷車停在車位Cq上。

算法優(yōu)點：采用求最大后驗概率的方法對車輛進行車位上的定位，可以最大程度排除環(huán)境等因素對RSSI值的干擾從而影響定位結果的準確性，溫度濕度等對RSSI的影響是全局性的，因此溫度濕度等環(huán)境變化時，所有節(jié)點計算出的概率值都將全部變大或變小，最大概率對應的車位不變。

考慮到車載節(jié)點發(fā)過來的一組RSSI值有些值可能為0（對應的固定節(jié)點損壞、斷電，或距車載節(jié)點太遠等情況，都會出現0），計算時應排除RSSI值為0對應的固定節(jié)點，挑選RSSI不為0的固定節(jié)點參與計算。

每收到一組RSSI值進行一次計算，并保留最后N（N為大于等于1的整數，具體值待定，此值要能靈活調節(jié)）次定位結果（即車輛編號對應的N個車位號），選N個定位結果中出現次數最多的車位號輸出給上位機。

3.3 樣本數據采集

將車分別停入C1、C2、C3、C4 、C5、C6車位上，停入每一個車位時，車載節(jié)點O與路側節(jié)點S1、S2、S3各通信150次，將通信的450個數據保存下來，并將車載節(jié)點在每個車位上采集的數據依次保存成Xstudy（ X代表車位號，取值為01、02、03、04、05、06，study代表樣本數據）。

3.4 測試

當車隨機停在某個車位C上，車載節(jié)點O與路側節(jié)點S1、S2、S3各通信150次，將這150個數據保存下來，并記作CtestN（其中C代表車停入的車位的編號，test表示測試，N代表測試次數），將測試數據使用車位定位算法算出車輛所停車位編號。

4 系統(tǒng)測試及數據分析

4.1 獲取樣本數據庫數據

將車載節(jié)點水平放在靠近車頭擋風玻璃位置，將車開到C號車位上，打開車載節(jié)點開關，與路側節(jié)點完成一次通信（發(fā)送150個數據給每個路側節(jié)點），將上傳到PC的數據以名稱Cstudy保存起來，其中C取值為01、02、03、04、05、06。

4.2 獲取完樣本數據之后，進行離線車位判斷測試，將放有車載節(jié)點的車開在C號車位上，在該車位上進行10次測試，車載節(jié)點每次與各路側節(jié)點通信150次，并將測試完文件分別命名為CtestNth進行保存，其中C代表車位號，test代表測試，Nth代表第N次測試。

4.3 結果統(tǒng)計及數據分析

表1 各車位測試結果與樣本數據信號強度相似度比較表

結果分析：按照統(tǒng)計的測試結果，在60次的測試中只有04號車位和06號車位測試時有一次的車位判斷結果是錯誤的，其它都是正確的，車位判斷的正確率達到了96.7%，因此依據樣本數據概率分布匹配方法來判斷車輛停放的位置是可以實現的，只要根據測試結果修改算法就可以達到更好的判斷效果，因此本實驗證明，通過信號強度值來判斷車位的方案是可行的。

5 結束語

文章提出了一種基于貝葉斯分類器原理的算法的智能車位管理系統(tǒng)設計方案，通過測試表明，該方案在實際應用中具有一定的可行性，經過修改完善能夠成為成熟可用的智能停車管理系統(tǒng)，對現有停車場的智能化、信息化改造具有一定的指導意義。

參考文獻

[1]董海濤.基于Zigbee的無線傳感器網絡的設計與實現[D].中國科學技術大學，2007

[2]金純.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：22-36

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：18-26.

[4]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：67-90.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009：36-45.

[6]Gary Legg. ZigBee：Wiress Technology for Low-Power Sensor Networks [M].USA，2004.

[7]Dongxuan Yang. A Coal Mine Environmental Monitor System with Lacalization Function Based on Zigbee-CompliantPlatform[D].Beijing：Beijing Technology and Buiness University，2010.

[8]XinyueZhongWanchengXie."Wireless sensor network in the coalmine environmentmonitoring". Coal technology，2009，Vol.28，No. 9，p.102-103.

[9]ShouweiGao. "ZigBee Technology Practice Guide". Beijing： Beiji

ngUniversity of Aeronautics and Astronautics Press ， 2009， p. 27-28.

[10]DoganCayKutluyil，HmamHatem."Optimal angular sensor separationf or AOA localization".SignalProcessing，2008，Vol.88，No.5， p.1248-1260.

作者簡介：張孜，廣州市交通委員會，高級工程師，博士，研究方向為智能交通、交通經濟；張傳春ZHANG Chuan-chun （1976-），男，工程師，單位：廣州交通信息化建設投資營運有限公司，總監(jiān)，研究方向智能交通業(yè)務推廣。

陳平，廣州交通信息化建設投資營運有限公司，技術經理，碩士，研究方向為通信。

參考文獻

[1]董海濤.基于Zigbee的無線傳感器網絡的設計與實現[D].中國科學技術大學，2007

[2]金純.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：22-36

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：18-26.

[4]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：67-90.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009：36-45.

[6]Gary Legg. ZigBee：Wiress Technology for Low-Power Sensor Networks [M].USA，2004.

[7]Dongxuan Yang. A Coal Mine Environmental Monitor System with Lacalization Function Based on Zigbee-CompliantPlatform[D].Beijing：Beijing Technology and Buiness University，2010.

[8]XinyueZhongWanchengXie."Wireless sensor network in the coalmine environmentmonitoring". Coal technology，2009，Vol.28，No. 9，p.102-103.

[9]ShouweiGao. "ZigBee Technology Practice Guide". Beijing： Beiji

ngUniversity of Aeronautics and Astronautics Press ， 2009， p. 27-28.

[10]DoganCayKutluyil，HmamHatem."Optimal angular sensor separationf or AOA localization".SignalProcessing，2008，Vol.88，No.5， p.1248-1260.

作者簡介：張孜，廣州市交通委員會，高級工程師，博士，研究方向為智能交通、交通經濟；張傳春ZHANG Chuan-chun （1976-），男，工程師，單位：廣州交通信息化建設投資營運有限公司，總監(jiān)，研究方向智能交通業(yè)務推廣。

陳平，廣州交通信息化建設投資營運有限公司，技術經理，碩士，研究方向為通信。

參考文獻

[1]董海濤.基于Zigbee的無線傳感器網絡的設計與實現[D].中國科學技術大學，2007

[2]金純.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：22-36

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：18-26.

[4]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：67-90.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO協議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009：36-45.

[6]Gary Legg. ZigBee：Wiress Technology for Low-Power Sensor Networks [M].USA，2004.

[7]Dongxuan Yang. A Coal Mine Environmental Monitor System with Lacalization Function Based on Zigbee-CompliantPlatform[D].Beijing：Beijing Technology and Buiness University，2010.

[8]XinyueZhongWanchengXie."Wireless sensor network in the coalmine environmentmonitoring". Coal technology，2009，Vol.28，No. 9，p.102-103.

[9]ShouweiGao. "ZigBee Technology Practice Guide". Beijing： Beiji

ngUniversity of Aeronautics and Astronautics Press ， 2009， p. 27-28.

[10]DoganCayKutluyil，HmamHatem."Optimal angular sensor separationf or AOA localization".SignalProcessing，2008，Vol.88，No.5， p.1248-1260.

作者簡介：張孜，廣州市交通委員會，高級工程師，博士，研究方向為智能交通、交通經濟；張傳春ZHANG Chuan-chun （1976-），男，工程師，單位：廣州交通信息化建設投資營運有限公司，總監(jiān)，研究方向智能交通業(yè)務推廣。

陳平，廣州交通信息化建設投資營運有限公司，技術經理，碩士，研究方向為通信。