一種基于ZigBee的車位檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

耿潤東

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，汽車已成為大多數(shù)人的出行工具，給人們帶來了舒適便捷的出行體驗(yàn)。但汽車數(shù)量逐年攀升給停車庫的車位管理造成了壓力，人們出行時(shí)往往需要花費(fèi)很多時(shí)間和精力尋找車位。隨著時(shí)間的推移，停車?yán)щy的問題也變得更加顯著。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)車位信息檢測系統(tǒng)，通過對停車庫空閑停車位信息的有效把控，可以減少上述問題的發(fā)生[1-4]。把發(fā)展成熟的無線通信技術(shù)應(yīng)用到車位檢測技術(shù)中可以有效地減少檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，提高數(shù)據(jù)的高效性和可靠性。本文設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的車位檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車位數(shù)據(jù)在檢測終端、協(xié)調(diào)器和云端的傳輸，云端把收集到的信息進(jìn)行處理，方便用戶查看停車庫的空余車位信息。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有成本低、可靠性高且容易部署的特點(diǎn)，適合用于室內(nèi)停車庫場景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

用戶如果能看到車庫實(shí)時(shí)更新的車位信息就能準(zhǔn)確地掌握停車場的車位情況，避免了在停車場里漫無目的地尋找車位。如果能將車位信息顯示到網(wǎng)頁上，將極大地方便用戶停車。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用CC2530系列芯片作為系統(tǒng)的主控制裝置，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，是一款低功耗、低成本、性能優(yōu)秀的處理芯片。整個(gè)系統(tǒng)由超聲波傳感器檢測車位信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)經(jīng)WiFi網(wǎng)關(guān)發(fā)送到OneNET云平臺，使用OneNET云平臺的應(yīng)用編輯器設(shè)計(jì)車庫車位的可視化頁面，生成網(wǎng)頁地址可以隨時(shí)隨地查看車庫車位信息。超聲波傳感器和CC2530構(gòu)成系統(tǒng)的信息采集終端，ESP8266WiFi模塊與CC2530組成協(xié)調(diào)器，一個(gè)信息采集終端檢測一個(gè)車位信息，通過定義信息采集終端的設(shè)備號綁定檢測的車位號實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對車位的檢測[5]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集終端

系統(tǒng)的信息采集終端由CC2530、超聲波傳感器組成。超聲波傳感器與CC2530接線如圖2所示。

圖2 HY-SRF05測距模塊電路

超聲波傳感器成本低、使用壽命長，雖然容易受溫度等環(huán)境因素影響，但考慮到系統(tǒng)安裝環(huán)境在室內(nèi)車庫，受到的干擾會比較小，能夠滿足車位檢測的需求[6]。系統(tǒng)用到的HY-SRF05超聲波傳感器的可測量程為2～450 cm，一般停車庫的層間距在3.5 m左右，大多數(shù)的車輛高度在1.5～2 m范圍內(nèi)，所以傳感器測量的距離范圍為1.5～3.5 m，HY-SRF05超聲波傳感器滿足測量條件。通過給超聲波傳感器Trig引腳超過10 μs的高電平信號，模塊將發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波并檢測回波，傳感器檢測到回波時(shí)會給Echo引腳輸出一段高電平的回響信號，回響信號持續(xù)的時(shí)間即為超聲波發(fā)出聲波經(jīng)物體反射后接收回波的時(shí)間，聲波傳輸?shù)臅r(shí)間和速度已知，則物體與超聲波傳感器的距離就可得出[7]。假設(shè)相應(yīng)的時(shí)間為t，則聲波傳輸?shù)木嚯x為S=343t/2。將車位檢測終端安裝在車庫層頂上，通過設(shè)置距離閾值，判斷聲波傳輸距離是否超過閾值即可檢測車位的停車狀態(tài)。

2.2 協(xié)調(diào)器

系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器用來匯集信息采集終端采集到的車位信息。協(xié)調(diào)器與ESP8266WiFi模塊相連，ESP8266WiFi模塊從協(xié)調(diào)器獲取車位信息，并將獲取到的車位信息發(fā)送到云端。ESP8266具有強(qiáng)大的片上處理和儲存能力，成本較低，非常適合作為網(wǎng)關(guān)向云端傳輸數(shù)據(jù)。圖3為ESP8266模塊的接口電路。

圖3 ESP8266模塊接口電路

2.3 電源電路

CC2530芯片的正常工作電壓是3.3 V，系統(tǒng)的供給電壓為5 V，所以需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)才能工作。AMS1117-3.3是可以輸出3.3 V電壓的正向低壓降穩(wěn)壓器，電壓轉(zhuǎn)換電路可以將供電輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，為系統(tǒng)信息采集終端供電。圖4為系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用ZigBee 2007協(xié)議棧用于無線數(shù)據(jù)傳輸，使用IAR作為集成開發(fā)軟件。想要實(shí)現(xiàn)無線通信一般先進(jìn)行組網(wǎng)，系統(tǒng)經(jīng)過組網(wǎng)流程構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過調(diào)用協(xié)議棧無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收節(jié)點(diǎn)調(diào)用協(xié)議棧無線數(shù)據(jù)接收函數(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收。

車位信息采集模塊上電初始化后，向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)申請，加入網(wǎng)絡(luò)后超聲波測距模塊開始周期性地檢測距離信息，并將檢測到的距離信息與設(shè)置閾值進(jìn)行比較，將相關(guān)信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。信息采集終端工作流程如圖5所示。

圖5 車位信息檢測終端流程

系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器經(jīng)初始化后發(fā)出建立網(wǎng)絡(luò)請求，網(wǎng)絡(luò)層收到請求后MAC層進(jìn)行信道能量掃描，找到合適的信道后設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，參數(shù)設(shè)置完成后ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建完成。組建網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)搜索周圍的網(wǎng)絡(luò)，如果搜索到ZigBee網(wǎng)絡(luò)則向上層報(bào)告，上層協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)信息選擇合適的網(wǎng)絡(luò)加入，協(xié)調(diào)器通知終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，收到連接請求時(shí)分配網(wǎng)絡(luò)地址并通過連接響應(yīng)通知終端[8]。協(xié)調(diào)器與檢測終端建立連接后接收檢測終端發(fā)送來的車位信息，并將得到的車位信息發(fā)送給ESP8266WiFi模塊，ESP8266WiFi模塊再通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。WiFi模塊采用透傳模式運(yùn)行，與CC2530串口連接后，通過AT+CWJAP指令選取無線網(wǎng)名稱以及密碼后加入無線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)AT+CIPSTART指令設(shè)定服務(wù)器IP和端口號連接云端，設(shè)置AT+CIPMODE=1進(jìn)入透傳模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[9]。協(xié)調(diào)器工作流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)收發(fā)流程

系統(tǒng)選用OneNET云平臺設(shè)計(jì)顯示界面，設(shè)置好項(xiàng)目屬性后，獲取設(shè)備ID和APIkey與協(xié)調(diào)器建立連接，獲取車位數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)流，編輯OneNET可視化頁面，顯示車庫車位信息。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，只模擬一個(gè)終端檢測的情況，選用OneNET圖片控件，給兩種顏色的圖片分別設(shè)定一個(gè)值，根據(jù)數(shù)據(jù)流返回的值與設(shè)定的值作比較來確定顯示哪張圖片，通過不同顏色的圖片就可以直觀地顯示車位狀態(tài)[10]。進(jìn)入OneNET可視化項(xiàng)目的訪問鏈接就可以在網(wǎng)頁上查看停車庫車位情況。網(wǎng)頁界面如圖7所示。

圖7 可視化界面

4 結(jié) 語

系統(tǒng)采用超聲波傳感器對車位狀態(tài)進(jìn)行檢測，整個(gè)系統(tǒng)采用無線傳輸?shù)姆绞?，解決了停車庫現(xiàn)場布線和后期維護(hù)困難的問題，同時(shí)減少了線材的使用，節(jié)約了成本。將車位數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，并對車位信息進(jìn)行處理，將車位信息發(fā)布到網(wǎng)頁上方便了人們對停車庫空余車位信息的把控，獲得更好的停車體驗(yàn)。后續(xù)如果在系統(tǒng)中加入車輛導(dǎo)航、人機(jī)交互、費(fèi)用結(jié)算、車位預(yù)定等功能，將會有更強(qiáng)的適用性和功能性，對智能車庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有良好的參考價(jià)值。