基于無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的車(chē)位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邊玉亮，劉 輝，王秀友，余世干

(阜陽(yáng)師范大學(xué) 信息工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236041)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車(chē)保有量也在飛速增長(zhǎng)，置身于大型停車(chē)場(chǎng)之中，如何快速掌握停車(chē)場(chǎng)中空閑車(chē)位數(shù)量及具體位置[1-3]，提高停車(chē)效率避免擁堵成為我們首要解決的問(wèn)題?，F(xiàn)有的停車(chē)場(chǎng)泊車(chē)引導(dǎo)系統(tǒng)主要由車(chē)位檢測(cè)傳感器和通信線路組成，其中，通信線路分成有線和無(wú)線兩種方式[4]。有線通信通常采用CAN總線或者RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸可靠，但是線路布置復(fù)雜，成本較高。無(wú)線通信方式主要采用NB-IoT或者ZigBee等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，雖然避免了物理布線，但是這兩種方法都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是要將所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都匯聚到網(wǎng)絡(luò)中心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有自主控制和顯示功能。車(chē)主在停車(chē)時(shí)往往只能在停車(chē)場(chǎng)的某一處查看空閑車(chē)位情況，車(chē)主進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)還是要無(wú)序流動(dòng)式的查找車(chē)位[5]，對(duì)于大型的停車(chē)場(chǎng)這樣并不能很好地解決停車(chē)場(chǎng)空閑車(chē)位實(shí)時(shí)查詢(xún)以及避免擁堵的問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題本文提出了一種基于無(wú)線自主網(wǎng)絡(luò)的大型停車(chē)場(chǎng)空閑車(chē)位檢測(cè)方法。該方法使用無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)大型停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)智能管理，實(shí)現(xiàn)車(chē)主在各個(gè)分區(qū)都能實(shí)時(shí)查看所有分區(qū)車(chē)位的空閑數(shù)量、方向和編號(hào)的目的。旨在設(shè)計(jì)一套實(shí)用性更強(qiáng)、效率更高的智能停車(chē)場(chǎng)引導(dǎo)系統(tǒng)，縮短停車(chē)時(shí)間，避免停車(chē)場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)交通擁堵，提高停車(chē)場(chǎng)的停車(chē)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)有的大型停車(chē)場(chǎng)車(chē)位檢測(cè)存在兩個(gè)方面問(wèn)題。一是采用有線方式進(jìn)行組網(wǎng)，由于大型停車(chē)場(chǎng)車(chē)位較多，每個(gè)車(chē)位都要單獨(dú)檢測(cè)，使得線路連接十分龐大。二是系統(tǒng)僅在進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)時(shí)只提示空閑車(chē)位的多少，不提供具體的空閑車(chē)位位置，車(chē)主進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)后車(chē)主需要自行查找[6,7]，即使有的系統(tǒng)能夠按照車(chē)位是否空閑在車(chē)位的上方設(shè)置提示燈，但這種方式也僅僅適用于車(chē)主視力范圍內(nèi)的車(chē)位查找，并不能徹底地解決問(wèn)題，車(chē)主開(kāi)著車(chē)在空間本就不寬裕的停車(chē)場(chǎng)尋找車(chē)位會(huì)進(jìn)一步加重?fù)矶隆?/p>

為了解決以上問(wèn)題設(shè)計(jì)了基于無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的大型停車(chē)場(chǎng)空閑車(chē)位檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要思想是將大型停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)大小可依據(jù)目測(cè)范圍內(nèi)車(chē)位方便觀察設(shè)定。在每個(gè)分區(qū)內(nèi)部安置一個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊，各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊既是主模塊又是從模塊，無(wú)線模塊采用自組網(wǎng)技術(shù)，模塊上電即可加入到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，模塊可以將本分區(qū)所有的車(chē)位狀態(tài)發(fā)送給其余模塊，同時(shí)可以接收其余模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的其他分區(qū)的車(chē)位使用情況。同時(shí)，每個(gè)分區(qū)放置一個(gè)電子顯示引導(dǎo)牌用來(lái)顯示所有分區(qū)車(chē)位使用情況和分區(qū)方位，這樣可以使車(chē)主不管處于哪一個(gè)分區(qū)，都可以對(duì)整個(gè)停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位使用情況做到心中有數(shù)，方便車(chē)主快速有效地定位到空閑車(chē)位，提高停車(chē)效率。使用無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分區(qū)之間的網(wǎng)絡(luò)通信可以大大減少布線，降低系統(tǒng)安裝難度和成本。實(shí)際安裝時(shí)可根據(jù)需要增加或減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的車(chē)位數(shù)量，具體車(chē)位編號(hào)可以參考A01，A02，A03，B01……的編號(hào)方式進(jìn)行編號(hào)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線自主網(wǎng)絡(luò)搭建

由于大型停車(chē)場(chǎng)內(nèi)部需要監(jiān)測(cè)的車(chē)位較多，如果各監(jiān)測(cè)傳感器采用有線方式布置，所需的線路會(huì)變得十分復(fù)雜，增加布置難度和成本。因此系統(tǒng)采用無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)方式代替有線網(wǎng)絡(luò)方式，結(jié)合實(shí)際無(wú)線通信距離和信號(hào)傳輸?shù)囊螅到y(tǒng)最終選擇DL-LN33P無(wú)線自組網(wǎng)模塊。該模塊上電自動(dòng)組網(wǎng)，單跳能夠達(dá)到300米，模塊工作時(shí)，會(huì)與周?chē)K自動(dòng)組成一個(gè)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)為對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，不需要中心節(jié)點(diǎn)，模塊使用定向擴(kuò)散協(xié)議尋找路由，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均可記錄190個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，在網(wǎng)絡(luò)建立后傳輸速度和延遲可達(dá)到最優(yōu)。微控制器只需告訴模塊目標(biāo)地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)，模塊會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)選擇最優(yōu)的路徑，將信息傳輸給目標(biāo)模塊，而且模塊能通過(guò)UART輸出源地址和上述的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)模塊通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)模塊通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊在系統(tǒng)中的地位相同，可以和其他所有模塊之間進(jìn)行通信，每個(gè)模塊都可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)顯示所有分區(qū)空閑車(chē)位情況，引導(dǎo)車(chē)主快速定位停車(chē)。整個(gè)系統(tǒng)采用各節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)方法，模塊包括：1.車(chē)位狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器，2.無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊，3.引導(dǎo)顯示板，4.控制器以及電源和其他工藝設(shè)計(jì)部分。各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)原理框圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各節(jié)點(diǎn)參數(shù)配置信息如表1所示。也可以根據(jù)實(shí)際需要增加節(jié)點(diǎn)，同一網(wǎng)絡(luò)可容納190個(gè)結(jié)點(diǎn)，但要求需要通信的節(jié)點(diǎn)之間要處于相同的網(wǎng)絡(luò)和信道。

表1 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)模塊的基本信息

2.2 LED引導(dǎo)顯示器設(shè)計(jì)

引導(dǎo)顯示器的主要功能就是能夠接收控制器的信號(hào)，顯示相應(yīng)的剩余車(chē)位信息，根據(jù)其他分區(qū)與本分區(qū)的相對(duì)位置，使用相應(yīng)箭頭提醒車(chē)主其他節(jié)點(diǎn)區(qū)域的大致方向。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域都至少安放一個(gè)引導(dǎo)顯示牌，使得車(chē)主不管在哪個(gè)區(qū)域都能夠查看停車(chē)場(chǎng)所有節(jié)點(diǎn)區(qū)域的空閑車(chē)位數(shù)量以及相應(yīng)區(qū)域的大致方向。引導(dǎo)顯示器的外觀設(shè)計(jì)參考圖3所示，其中☆代表當(dāng)前處于A區(qū)，前面的數(shù)字16代表剩余車(chē)位數(shù)量，括號(hào)后面的循環(huán)顯示的數(shù)字01,02……代表空閑車(chē)位的編號(hào)。

圖3 引導(dǎo)顯示器的外觀設(shè)計(jì)示意圖

2.3 車(chē)位檢測(cè)

目前，針對(duì)停車(chē)場(chǎng)車(chē)位檢測(cè)主要使用的方法有視頻檢測(cè)技術(shù)、地感線圈檢測(cè)技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)和紅外檢測(cè)技術(shù)3種。但是視頻檢測(cè)存在成本高、視頻圖像提取檢測(cè)精度不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，地感線圈檢測(cè)方法使用簡(jiǎn)單、檢測(cè)準(zhǔn)確、靈敏度高，但后期車(chē)位的修改變動(dòng)和調(diào)整比較麻煩。目前常用的檢測(cè)方法是超聲波和紅外檢測(cè)兩種，這是由于紅外光電傳感器使用方便，準(zhǔn)確率高，易于搭建成數(shù)量較多的傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此本設(shè)計(jì)選擇紅外檢測(cè)傳感器作為車(chē)位探測(cè)器，在每個(gè)車(chē)位上方安裝一個(gè)紅外光電傳感器，并將一個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的所有傳感器都連接到節(jié)點(diǎn)模塊上。

2.4 控制器選型

本系統(tǒng)采用宏晶STC12C5A60S2系列單片機(jī)作為各節(jié)點(diǎn)模塊的控制器，該型號(hào)單片機(jī)速度比普通51系列單片機(jī)快6-12倍，具有空閑和掉電模式，非常適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)模塊的低功耗設(shè)計(jì)需求。芯片還集成了8通道10位ADC用于處理模擬信號(hào)以及SPI高速同步串行通信接口。芯片內(nèi)部具有兩個(gè)串行通信接口，方便和DL-LN33P無(wú)線通信模塊之間通信，本系統(tǒng)選擇單片機(jī)串口2即RXD2和TXD2兩個(gè)引腳和DL-LN33P進(jìn)行串口通信，接收其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的車(chē)位狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用SN74HC151N作為多路開(kāi)關(guān)用以在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中接入更多的傳感器，擴(kuò)展控制器的IO口，并且使用LCD顯示屏作為顯示引導(dǎo)牌。根據(jù)以上設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)模塊主要電路原理圖如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)模塊主要電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容要求，由于在該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊處于相同地位，組網(wǎng)設(shè)計(jì)由DL-LN33P無(wú)線傳感器模塊實(shí)現(xiàn)。在這里只需要設(shè)計(jì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的應(yīng)用程序即可，節(jié)點(diǎn)模塊程序主要包括兩個(gè)方面內(nèi)容，一是傳感器數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。首先，依次控制多路開(kāi)關(guān)將各個(gè)多路開(kāi)關(guān)接收到的空閑車(chē)位數(shù)進(jìn)行累加，同時(shí)記錄空閑車(chē)位的編號(hào)；然后，將數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)包格式要求進(jìn)行打包；最后，依次修改目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址，將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。二是接收其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析顯示。由于其他模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)間不固定，因此，節(jié)點(diǎn)模塊程序?qū)?shù)據(jù)接收采用串口2的中斷接收方式，每接收一幀數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)中源地址和數(shù)據(jù)分析提取出來(lái)。最后將各節(jié)點(diǎn)的空閑車(chē)位數(shù)量及車(chē)位編號(hào)進(jìn)行顯示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求搭建了相應(yīng)的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在能夠驗(yàn)證設(shè)計(jì)內(nèi)容的前提下，系統(tǒng)使用編號(hào)為節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C的三個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)要求任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)接受其余兩個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)將本節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送給其余兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包格式如下：FE 06 A0 A0 1F 00 XX XX FF FE 06 A0 A0 1E 00 XX XX FF；節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包格式如下：FE 06 A0 A0 1F 00 XX XX FF FE 06 A0 A0 1D 00 XX XX FF；節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包格式如下：FE 06 A0 A0 1D 00 XX XX FF FE 06 A0 A0 1E 00 XX XX FF；其中：XX XX代表要發(fā)送的數(shù)據(jù)，表示發(fā)送方分區(qū)內(nèi)空閑車(chē)位的數(shù)量和編號(hào)。0x1F 0x00、0x1E 0x00、0x1D 0x00代表系統(tǒng)中三個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址。系統(tǒng)模擬實(shí)物運(yùn)行圖示如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)模塊通訊實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖(三個(gè)節(jié)點(diǎn))

系統(tǒng)為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)留了16個(gè)車(chē)位，其中A區(qū)有兩個(gè)車(chē)位A01，A02被占用，B區(qū)和C區(qū)的A01被占用。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的車(chē)位檢測(cè)結(jié)果并實(shí)時(shí)顯示。實(shí)際在停車(chē)場(chǎng)布置時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)主在任意節(jié)點(diǎn)區(qū)域，都可以實(shí)時(shí)查看停車(chē)場(chǎng)中所有節(jié)點(diǎn)空閑車(chē)位數(shù)量、編號(hào)和方向的目的，大大提高了停車(chē)場(chǎng)使用效率。

5 結(jié)論

針對(duì)在大型停車(chē)場(chǎng)中，傳統(tǒng)泊車(chē)引導(dǎo)系統(tǒng)線路鋪設(shè)成本高、引導(dǎo)效率低下等問(wèn)題，提出了基于無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大型停車(chē)場(chǎng)分區(qū)管理的方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大型停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)管理，車(chē)主在各個(gè)分區(qū)都能實(shí)時(shí)查看所有分區(qū)車(chē)位的空閑數(shù)量、方向和編號(hào)的目的，提高了空閑車(chē)位定位效果，縮短停車(chē)時(shí)間，對(duì)大型停車(chē)場(chǎng)的智能化設(shè)計(jì)和改造具有重要參考價(jià)值。