基于超聲波與ZigBee的車位檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

姜俊杰 姚錫凡 張毅

摘 ?要： 為了滿足智能停車場對車位狀態(tài)監(jiān)控的需求，便于停車場的運(yùn)營，開發(fā)了一種可實(shí)現(xiàn)多車位狀態(tài)檢測的系統(tǒng)。首先，使用HC?SR04超聲波測距模塊采集車位狀態(tài)數(shù)據(jù);然后，使用CC2530開發(fā)板和ZigBee技術(shù)組建無線系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備，傳輸車位狀態(tài)數(shù)據(jù);最后，使用Visual Studio 2010設(shè)計(jì)上位機(jī)以接收RS 232串口數(shù)據(jù)，顯示車位狀態(tài)，且計(jì)算出停車時(shí)長和停車費(fèi)用、車位總數(shù)以及剩余車位數(shù)量。經(jīng)測試表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可達(dá)到預(yù)期效果，具有實(shí)用參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： ZigBee技術(shù); 車位檢測; 超聲波測距; 數(shù)據(jù)接收; 無線傳輸; 串口通信

中圖分類號： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）07?0121?05

Realization of parking space detection system based on ultrasonic and ZigBee

JIANG Junjie1， YAO Xifan1， ZHANG Yi2

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;

2. Department of Mechanical & Electrical Engineering， Guangdong Communication Polytechnic， Guangzhou 510800， China）

Abstract： In order to meet the demand of intelligent parking lots for monitoring the status of parking spaces and facilitate the operation of parking lots， a detecting system of multi?parking space status was developed. The ultrasonic ranging module HC?SR04 is utilized in the system to collect the status data of parking spaces. The coordinator and end devices in the wireless system are set up with CC2530 development boards based on the ZigBee technology to transmit the status data of parking spaces. An upper computer is designed with Visual Studio 2010 to receive the data from RS 232 serial port， display parking space status， and calculate the parking time， parking charge， the number of total parking spaces and remaining parking spaces. The testing result indicates that the designed system can achieve the desired effect and has practical reference value.

Keywords： ZigBee technology; parking space detection; ultrasonic ranging; data acceptance; wireless transmission; serial port communication

0 ?引 ?言

21世紀(jì)以來，我國的經(jīng)濟(jì)已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展，汽車制造產(chǎn)業(yè)也在科技革命的推動下迅猛發(fā)展，其保有量的年增長率也越來越高，極大地方便了人們的日常出行，使人們的生活水平不斷提高[1]。但我國兩億八千一百萬輛的汽車數(shù)據(jù)量無疑會使我國交通運(yùn)載能力面臨巨大的壓力?；谕＼囯y的現(xiàn)實(shí)，發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)60年代提出了停車誘導(dǎo)系統(tǒng)（Parking Guidance System，PGS）[2]。實(shí)現(xiàn)PGS關(guān)鍵技術(shù)之一就是依靠車位檢測技術(shù)來監(jiān)測有無停車，其中常用的車位檢測方法有：感應(yīng)線圈檢測[3]、地磁檢測[4]、超聲波檢測、紅外檢測[5]、視頻車位檢測[6]。前兩種方法安裝維護(hù)成本高，在實(shí)施時(shí)會破壞停車場[7]，后兩種方法的檢測精度易受環(huán)境影響，而超聲波檢測則具有成本低、壽命長、穩(wěn)定性相對可靠的優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)入21世紀(jì)，無線通信技術(shù)逐漸成為主流，從而取代了架設(shè)操作復(fù)雜的有線通信方式。常見的無線通信技術(shù)包括藍(lán)牙，WiFi，ZigBee，NFC等，其中，ZigBee技術(shù)因其低功耗、低成本而受到許多應(yīng)用領(lǐng)域的青睞[8]。ZigBee用于大型停車場領(lǐng)域具有如下優(yōu)勢：不必?fù)?dān)心網(wǎng)絡(luò)容量的問題[9]; ZigBee能更快定位找到車輛;可以構(gòu)造星型、樹型和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]，保證無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝c可靠。

智能停車場系統(tǒng)的發(fā)展離不開先進(jìn)可靠的車位檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸方式以及功能強(qiáng)大的停車軟件，因此本文著重研究車位檢測系統(tǒng)。

1 ?總體設(shè)計(jì)

1.1 ?總設(shè)計(jì)方案

一個完整的停車誘導(dǎo)系統(tǒng)包括以下四部分：車位信息采集、車位信息處理、車位信息傳輸和車位信息發(fā)布[11]。本文的車位檢測系統(tǒng)著重實(shí)現(xiàn)其中的第一、第三和第四部分功能，因此，將總設(shè)計(jì)方案分成以下三個部分：車位信息采集、車位信息傳輸和車位信息顯示，總設(shè)計(jì)方案圖如圖1所示。

1.2 ?車位信息采集

通過傳感器實(shí)現(xiàn)停車場車位信息的實(shí)時(shí)采集[12]，需要選擇車位檢測方式以及相應(yīng)的控制器。超聲波檢測方式與其他方式相比，具有便于安裝、體積小、技術(shù)成熟、工作壽命長的優(yōu)點(diǎn)，因此選用超聲波檢測方式。具體采用HC?SR04超聲波測距模塊，此外，選用TI德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530F256芯片作為控制器。

1.3 ?車位信息傳輸

實(shí)現(xiàn)車位數(shù)據(jù)采集終端與顯示平臺之間的數(shù)據(jù)通信，需要選用合適的通信方式和設(shè)備。表1對常用的四種無線通信方式進(jìn)行對比，考慮到一個停車場多車位的實(shí)際情況，滿足使用條件的有WiFi和ZigBee兩種。與WiFi相比，ZigBee具有更低的發(fā)射功率、更高的安全性和自組網(wǎng)的特點(diǎn)，因此，選用ZigBee技術(shù)完成車位信息的傳輸。

1.4 ?車位信息顯示

顯示部分利用Visual Studio 2010設(shè)計(jì)一個上位機(jī)平臺，通過RS 232串口傳輸[7]接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，在平臺上顯示當(dāng)前時(shí)刻、測距結(jié)果、車位占用情況（紅色即被占用/綠色即空）、停車時(shí)長和停車費(fèi)用、車位總數(shù)以及剩余車位數(shù)量等。

2 ?基于超聲波的車位檢測

2.1 ?實(shí)驗(yàn)硬件

如圖2所示，單個車位檢測所用到的硬件包括一塊CC2530F256開發(fā)板（圖中右側(cè)部分）、一個HC?SR04超聲波測距模塊（圖中左側(cè)部分）、杜邦線以及下載器。HC?SR04模塊與CC2530F256開發(fā)板通過杜邦線連接，即GND與GND、VCC與5 V引腳、Trig與P1.1、Echo與P0.6分別連接。下載器連接開發(fā)板和計(jì)算機(jī)，用來編譯和調(diào)試程序。

2.2 ?程序設(shè)計(jì)

IAR 8.10是一款用于TI單片機(jī)的編程軟件，采用IAR 8.10編寫程序，程序流程如圖3所示。整個程序包括主程序、測距程序以及串口通信程序。

2.3 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

程序設(shè)計(jì)完成后，用下載器進(jìn)行下載和調(diào)試，并使用USB轉(zhuǎn)串口線連接底板與計(jì)算機(jī)，打開串口調(diào)試助手，選擇正確的串口（COM3）和波特率（9 600），得到如圖4所示的測距結(jié)果。

為驗(yàn)證車位檢測的測距效果，將連有超聲波測距模塊的開發(fā)板固定在天花板上并更換不同高度的待測物，在HC?SR04超聲波測距模塊的測量范圍（2～400 cm）內(nèi)進(jìn)行了多次測距實(shí)驗(yàn)，并與手工測量進(jìn)行對比，得到測距誤差，如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，隨著距離的增加，誤差及相對誤差都有所增大，其誤差主要來源于以下方面：

1） 環(huán)境因素的影響，包括溫度、壓力、濕度和密度[13]，其中，最主要的影響因素是溫度;

2） 發(fā)射與接收時(shí)間差，粉塵等物質(zhì)導(dǎo)致實(shí)際測量時(shí)未必是第一個回波的過零觸發(fā)，使時(shí)間略微變大;

3） 超聲波波束與探測目標(biāo)之間的夾角不等于90°，導(dǎo)致測量結(jié)果大于實(shí)際距離。考慮到相對誤差低于3%，且距離閾值設(shè)置合理時(shí)，測距的誤差不會導(dǎo)致車位狀態(tài)發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為該車位檢測是可靠的。

3 ?基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)傳輸

3.1 ?硬件選擇

為實(shí)現(xiàn)多車位的檢測，在硬件資源的限制下設(shè)計(jì)了可檢測兩個車位的系統(tǒng)。在2.1節(jié)車位檢測硬件部分的基礎(chǔ)上新增了CC2530F256開發(fā)板和天線，把天線安裝在開發(fā)板的接口上，最后本實(shí)驗(yàn)所用到的硬件如圖5所示，其中，兩塊開發(fā)板作為終端設(shè)備使用，另一塊開發(fā)板作為協(xié)調(diào)器使用。

3.2 ?物理地址讀寫

一個CC2530F256單片機(jī)具有兩種64位的物理地址，分別為Primary IEEEE address和Secondary IEEE address，前者由制造商定義，只讀且無法寫入，后者可在SmartRF Flash Programmer軟件中進(jìn)行讀寫。默認(rèn)的Secondary IEEE address是FF FF FF FF FF FF FF FF，為將協(xié)調(diào)器和兩個終端設(shè)備進(jìn)行區(qū)分，需要對其進(jìn)行重寫。讀寫后的三個設(shè)備的Primary IEEEE address和Secondary IEEE address如表3所示。

3.3 ?基于Zstack協(xié)議棧的程序設(shè)計(jì)

Zstack協(xié)議找是TI公司為ZigBee提供的一個解決方案，選用的版本為ZStack?CC2530?2.5.1a，在Zstack協(xié)議棧的APP層中的SampleApp.c文件內(nèi)對程序進(jìn)行修改以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，程序流程如圖6所示。

3.4 ?數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證

在程序設(shè)計(jì)中定義了1#終端設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為“1：xxxcm”，2#終端設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為“2：xxxcm”。其中，xxx表示所測得的距離;終端設(shè)備向串口發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為“Axxx#”和“Bxxx#”，A表示1#終端設(shè)備，B表示2#終端設(shè)備。

將協(xié)調(diào)器與計(jì)算機(jī)連接，協(xié)調(diào)器上的LED1與LED2常亮，CSN閃爍，隨后三個燈暗，而LED1則閃爍三次，表明成功建立網(wǎng)絡(luò);給兩個終端設(shè)備通電，會請求加入網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備上的LED1閃爍三次，則表示成功加入網(wǎng)絡(luò)，在計(jì)算機(jī)端打開串口調(diào)試助手，選擇COM3，打開串口，車位數(shù)據(jù)便會顯示在窗口上，如圖7所示。

4 ?上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?界面設(shè)計(jì)

在visual studio 2010中選擇創(chuàng)建Windows窗體應(yīng)用程序，插入Label，TextBox，GroupBox，ComboBox，Button，Timer，PictureBox控件，并修改各控件的名稱、大小等屬性，完成后的上位機(jī)界面效果如圖8所示。

在圖8中，上位機(jī)界面分成了四個部分。左側(cè)，是停車場的界面圖，車位狀態(tài)將呈現(xiàn)在本區(qū)域中，由于硬件中只有兩個終端設(shè)備，故只能檢測兩個車位（P1，P2）的停車情況，因此，將P3～P10標(biāo)記為“建設(shè)中”，更多的終端設(shè)備將在后續(xù)工作中連入;中間顯示當(dāng)前時(shí)刻，可選擇串口名稱和波特率，打開或者關(guān)閉串口;右側(cè)可對距離閾值進(jìn)行修改，顯示兩個停車位的測距結(jié)果以及各車位對應(yīng)的停車時(shí)長和停車費(fèi)用;最后，在界面的底部位置統(tǒng)計(jì)出車位總數(shù)和剩余車位數(shù)量。

4.2 ?程序設(shè)計(jì)

在代碼頁中對相應(yīng)的控件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，程序的設(shè)計(jì)思路是以串口的打開和關(guān)閉作為開始和結(jié)束，之間包括數(shù)據(jù)的接收和處理以及界面的顯示，如圖9所示。

4.3 ?功能驗(yàn)證

在完成上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)后，對其功能效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文的停車車位模塊和軟件中存在兩個車位，故分成四種狀態(tài)：

① 兩個車位都空;

② 1#車位空、2#車位被占用;

③ 1#車位被占用、2#車位空;

④ 兩個車位都被占用。

選擇相應(yīng)的串口名稱和波特率，在本文中選擇的“串口”是COM3，選擇的“波特率”是9 600。打開串口，兩個車位的實(shí)際測距結(jié)果在對應(yīng)文本框中顯示，用戶可根據(jù)停車場實(shí)際情況及需求在“設(shè)置距離”文本框中輸入數(shù)值。點(diǎn)擊兩個“設(shè)置”按鈕，車位狀態(tài)將會顯示（紅色即被占用/綠色即空），同時(shí)統(tǒng)計(jì)出剩余車位的數(shù)量。若車位狀態(tài)為紅色，表示有車停入，在“停車時(shí)長”文本框中開始計(jì)時(shí)（為方便測試，以秒為單位），同時(shí)“停車費(fèi)用”文本框中的數(shù)值也隨之增長（計(jì)費(fèi)方式為5元/h，不滿一小時(shí)記作一小時(shí)）;若車位狀態(tài)變?yōu)榫G色，表示有車離開，此時(shí)計(jì)時(shí)停止，顯示最終停車費(fèi)用;若車位狀態(tài)再次變?yōu)榧t色，則從0開始計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)，以此類推。圖10是狀態(tài)①對應(yīng)的上位機(jī)界面圖，表4是對應(yīng)四種狀態(tài)下，上位機(jī)和下位機(jī)上顯示的內(nèi)容。

5 ?結(jié) ?語

本文開發(fā)了基于超聲波與ZigBee的車位檢測系統(tǒng)，具體工作包括：

1） 采用CC2530F256開發(fā)板以及HC?SR04超聲波測距模塊等硬件，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種基于超聲波的車位檢測模塊，使用IAR 8.10進(jìn)行程序編寫，并通過串口調(diào)試助手軟件進(jìn)行車位檢測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該模塊用于停車場的車位檢測是可行的。

2） 選用ZigBee技術(shù)進(jìn)行車位信息的傳輸，基于Zstack?2.5.1a協(xié)議棧，在APP層中對代碼進(jìn)行修改以滿足實(shí)際需求，展示數(shù)據(jù)包的捕獲過程，最后使用串口調(diào)試助手驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?/p>

3） 使用Visual Studio 2010軟件，基于C#語言設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，該軟件可以模擬出停車場的界面并且可以實(shí)時(shí)更新車位狀態(tài)的信息，此外，還可以顯示當(dāng)前時(shí)刻、測距結(jié)果、停車時(shí)長和停車費(fèi)用、車位總數(shù)以及剩余車位數(shù)量，距離閾值具有可修改性以滿足特定狀況的需要。

最后，將上述三部分工作結(jié)合進(jìn)行功能驗(yàn)證，表示系統(tǒng)運(yùn)行是可行的。在未來進(jìn)一步的研究工作中將連入更多的終端設(shè)備并結(jié)合具體的停車場景進(jìn)行。

注：本文通訊作者為姚錫凡。

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