基于WSN的無人智能停車管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王建亮 潘喆 魏也

摘 要：隨著人們對(duì)停車場(chǎng)的使用率越來越高，停車管理系統(tǒng)智能化需求也越來越高。通過實(shí)現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化管理能夠預(yù)定和査看多個(gè)停車場(chǎng)的車位情況，最終實(shí)現(xiàn)想停就停的方案，是停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的最終目標(biāo)。本設(shè)計(jì)是基于WSN的無人智能停車管理系統(tǒng)，上位機(jī)通過C#進(jìn)行上位機(jī)管理系統(tǒng)的編寫，對(duì)下位機(jī)ZigBee傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過ZigBee無線的方式，接收終端節(jié)點(diǎn)上的車輛信息數(shù)據(jù)。ZigBee模塊主要以STM32單片機(jī)為主控制芯片搭載ZigBee模塊作為ZigBee節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)兩部分組成，終端節(jié)點(diǎn)上搭載紅外傳感器對(duì)車輛進(jìn)行停放與否的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了停車場(chǎng)的智能管理和精準(zhǔn)使用。

關(guān)鍵詞：停車管理系統(tǒng);無人智能;WSN;上位機(jī)

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.046

本文著錄格式：王建亮，潘喆，魏也.基于WSN的無人智能停車管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件，2021，42（03）：158-161

Design of Unmanned Intelligent Parking Management System Based on WSN

WANG Jianliang1，2， PAN Zhe2， WEI Ye3

（1.Tianjin College， University of Science and Technology Beijing， Tianjin? 301830; 2.Zhonghuan School of Information， Tianjin University of Technology， Tianjin? 300380;3.Civil Aviation University of China， Tianjin? 300300）

【Abstract】：As people use more and more parking lots， the demand for intelligent parking management systems is also increasing. It is the ultimate goal of the parking lot management system to be able to reserve and view the parking spaces of multiple parking lots through the realization of intelligent and networked management， and finally realize the stop-and-stop solution if you want. This design is an unmanned intelligent parking management system based on WSN. The upper computer uses C# to compile the upper computer management system， monitors the data from the lower computer ZigBee in real time， and receives vehicle information on the terminal node through ZigBee wireless. data. The ZigBee module mainly uses STM32 single-chip microcomputer as the main control chip. The ZigBee module is used as the ZigBee node. The system consists of two parts： a coordinator node and a terminal node. The terminal node is equipped with infrared sensors to monitor whether the vehicle is parked or not， which realizes the intelligence of the parking lot. Management and precise use.

【Key words】：parking management system;unmanned intelligence;WSN;upper computer

0 引言

近年來，隨著人們生活水平的提高，汽車數(shù)量的增長速度更是驚人。由于我國城市對(duì)停車問題的認(rèn)識(shí)滯后于車輛增長速度，所以導(dǎo)致了停車發(fā)展設(shè)施規(guī)劃滯后，停車管理水平低、有關(guān)法律體系尚不健全等狀況的出現(xiàn)。無論是居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、還是在城市道路兩側(cè)，停車位缺乏的現(xiàn)象比比皆是，亂停亂放現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

針對(duì)于市面上智停車難管理和產(chǎn)品單一的問題，設(shè)計(jì)了一款基于WSN的無人智能停車管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，下位機(jī)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一的ZigBee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，采用STM32單片機(jī)作為主控制芯片搭載ZigBee無線通信模塊的CC2530，板載ZigBee無線通信天線，下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車停放的檢測(cè)，通過紅外傳感器進(jìn)行檢測(cè)并上傳數(shù)據(jù)到終端節(jié)點(diǎn)，并可以通過OLED液晶顯示屏進(jìn)行車位信息的顯示。上位機(jī)通過設(shè)計(jì)PC端上位機(jī)管理界面，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)對(duì)停車場(chǎng)車位的信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并作出管理。

1系統(tǒng)的總體架構(gòu)

系統(tǒng)基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型組織起來，下位機(jī)部分ZigBee自組網(wǎng)，通過ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)無線通信功能，上位機(jī)是通過C#語言實(shí)現(xiàn)的，在VS平臺(tái)搭建的上位機(jī)管理系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是基于ZigBee的停車管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將STM32+CC2530芯片作為下位機(jī)的主控芯片，用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)ZigBee組網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)，通過液晶顯示屏對(duì)車位信息進(jìn)行顯示和管理，引導(dǎo)泊車，終端節(jié)點(diǎn)搭載多個(gè)紅外傳感器模塊，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)的目的是搭建合理，快捷的通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，給人們帶來更便捷的生活。

系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示：

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控芯片

STM32F103ZET6屬于Cortex-M系列中的Cortex- M3內(nèi)核。它具有特別強(qiáng)大的性能，使用主流的ARM內(nèi)核，有豐富的外設(shè)，多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，256K FLASH，48K SRAM，2個(gè)IIC接口，5個(gè)串口，3個(gè)SPI接口已經(jīng)還具有CAN總線通信接口，在這個(gè)智能停車管理系統(tǒng)中，為了滿足功能要求，需要使用到主控制芯片的許多外設(shè)來進(jìn)行開發(fā)。為了滿足以上要求選取意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的控制芯片。

2.2 ZigBee模塊

ZigBee模塊的在硬件設(shè)計(jì)上的主要控制芯片是CC2530，主控制芯片在無線收發(fā)電路的電磁場(chǎng)電磁波的傳遞方式下的協(xié)作下完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，數(shù)據(jù)采集獲取與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，無線數(shù)據(jù)的收發(fā)處理實(shí)在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。所以通過本設(shè)計(jì)需使用成本與性能和操作性方便的前提下選擇方案，所以本設(shè)計(jì)選擇的是微控制器和無線收發(fā)集于一體的SOC片上系統(tǒng)芯片的方案。

在ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中，CC2530需要實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過I/O信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換，定時(shí)器電路，串口回調(diào)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。通過串口可實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)界面的通信。

2.3 紅外傳感器模塊

利用紅外傳感器的檢測(cè)障礙物的原理，準(zhǔn)確檢測(cè)停車場(chǎng)車位是否停放的信息。當(dāng)模塊檢測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上綠色指示燈點(diǎn)亮電平同時(shí)OUT端口持續(xù)輸岀低電平信號(hào)，該模塊檢測(cè)距離2～30cm，檢測(cè)距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離增加;逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離減少。傳感器主動(dòng)紅外線反射探測(cè)，因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測(cè)距離的關(guān)鍵。其中黑色探測(cè)距離最小，白色最大;小面積物體距離小，大面積距離大。傳感器模塊輸岀端口OUT可直接與單片機(jī)IO口連接即可，也可以直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)繼電器;連接方式：VCC-VCO;GND-GND;OUT-IO。比較器采用LM393，工作穩(wěn)定;可釆用3～5V直流電源對(duì)模塊進(jìn)行供電。當(dāng)電源接通時(shí)，紅色電源指示燈點(diǎn)亮，具有3mm的螺絲孔，便于固定、安裝;電路板尺寸：3.1CM×15CM，每個(gè)模塊在發(fā)貨已經(jīng)將閾值比較電壓通過電位器調(diào)節(jié)好，非特殊情況，請(qǐng)勿隨意調(diào)節(jié)電位器。

2.4 OLED液晶顯示屏模塊

采用的是SSD1306是一款單芯片CMOS OLED/PLED驅(qū)動(dòng)器，帶有有機(jī)/聚合物發(fā)光控制器。二極管點(diǎn)陣圖形顯示系統(tǒng)。它由128個(gè)段和64個(gè)公用部分組成。通過SPI接口時(shí)序傳遞指令，OLED應(yīng)用比較廣泛比如電子廣告牌，手機(jī)顯示屏，計(jì)算器，電梯指示屏等。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是通過使用ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行智能車車管理的下位機(jī)無線通信部份的協(xié)議傳輸，上位機(jī)的軟件開發(fā)，智能停車管理系統(tǒng)，主要是通過C#軟件編程，上位機(jī)管理界面的軟件開發(fā)平臺(tái)是Visual Studio，編程語言使用的是C#。通過C#的SerialPort窗體控件編寫上位機(jī)管理界面，使得界面與下位機(jī)通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與指令下發(fā)操作。

3.2 ZigBee協(xié)議棧

本協(xié)議棧定義了通信硬件和軟件在不同層次如何協(xié)調(diào)工作。在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，在每個(gè)協(xié)議層的實(shí)體通過對(duì)信息打包與對(duì)等實(shí)體通信。在通信的發(fā)送方，用戶需要傳遞的數(shù)據(jù)包按照從高層到低層的順序依次通過各個(gè)協(xié)議層，每一層的實(shí)體按照最初預(yù)定消息格式在數(shù)據(jù)信息中加入自己的信息，比如每一層的頭信息和校驗(yàn)等，最終抵達(dá)最低層的物理層，變成數(shù)據(jù)位流，在物理連接間傳遞。在通信的接收方數(shù)據(jù)包依次向上通過協(xié)議棧，每一層的實(shí)體能夠根據(jù)預(yù)定的格式準(zhǔn)確的提取需要在本層處理的數(shù)據(jù)信息，最終用戶應(yīng)用程序得到最終的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行處理。

3.3 通訊協(xié)議

對(duì)于無線通信，就一定具備它的無線通信通信協(xié)議，終端節(jié)點(diǎn)搭載紅外傳感器，終端節(jié)點(diǎn)采集到的信號(hào)，通過終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組包，并通過協(xié)議棧，組包無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在將其發(fā)送至上位機(jī)停車管理系統(tǒng)，這樣就可以對(duì)停車場(chǎng)的停車位進(jìn)行智能的管控了。上位機(jī)和下位機(jī)之間完成了規(guī)定的數(shù)據(jù)通信格式，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品開發(fā)者對(duì)所設(shè)計(jì)模塊的控制，通過基于串口通訊協(xié)議之上的數(shù)據(jù)格式，對(duì)下位機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)控制，指令的下發(fā)與上傳。

3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)

ZigBee組網(wǎng)的應(yīng)用是基于Zstack協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)的，通過實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)OSAL來實(shí)現(xiàn)ZigBee的組網(wǎng)，整個(gè)協(xié)議棧通過尋找節(jié)點(diǎn)ID號(hào)，創(chuàng)建隊(duì)列出棧，一系列算法過程來實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作系統(tǒng)的運(yùn)行。在Zstack中使用組網(wǎng)函數(shù)，通過協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)出綁定請(qǐng)求，等待各終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，建立起安全機(jī)制，給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分配PAN標(biāo)識(shí)符，各終端節(jié)點(diǎn)按優(yōu)先級(jí)依此對(duì)協(xié)調(diào)器發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制進(jìn)行響應(yīng)。包括對(duì)硬件的初始化，協(xié)議棧的初始化，建立連接網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)建立的一開始，首先啟動(dòng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，因?yàn)閰f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)才可以創(chuàng)建和配置網(wǎng)絡(luò)。

3.5 紅外傳感器程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過CC2530作為單片機(jī)的信號(hào)數(shù)據(jù)處理以及其本身特有支持Zigbee無線通訊技術(shù)，在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上搭載三個(gè)紅外傳感器，模擬三個(gè)車位信息，通過傳感器是否檢測(cè)到障礙物判斷車位是否有停車，軟件設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)采集外紅傳感器信號(hào)，由紅外采集模塊采集信號(hào)輸入，然后單片機(jī)采集信號(hào)，啟用定時(shí)器定時(shí)采集并檢測(cè)是否有車停放。紅外采集傳感器軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3.6 上位機(jī)管理系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

對(duì)于上位機(jī)界面的開發(fā)我們采用C#語言，是一種面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序語言，語法和C/C++很像，C#用起來很方便，可以應(yīng)用到很多的場(chǎng)景中去。C#帶有簡單的窗體編輯工具，在上面可以添加我們所需要的控件，在SerialPort控件完成與下位機(jī)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信，集成了COM，微軟的WIN32組件技術(shù)。通過窗體化增加設(shè)計(jì)界面，然后自動(dòng)生成代碼，整體操作簡單方便。

4 結(jié)語

對(duì)于基于WSN的智能停車管理系統(tǒng)整體測(cè)試調(diào)試，搭建了樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。整體搭建的硬件設(shè)備有兩塊ZigBee模塊、紅外傳感器模塊，其中協(xié)調(diào)器模塊通過USB連接線連接到PC，在PC上通過上位機(jī)GUI界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到整個(gè)停車場(chǎng)系統(tǒng)的停放信息，方便了客戶車輛的停放和管理員的合理化管控。