基于ZigBee無線通信的智能停車誘導系統(tǒng)設計研究

劉遠仲，張強，楊嘉，李和霖，邱拓

（南充職業(yè)技術學院，四川南充，637131）

0 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟繁榮發(fā)展，擁有私家車已成為民眾一件很普通的事，這也使得城市汽車保有量大幅提升。開車出門雖然方便了人們的出行，但在城市停車難卻一直是讓車主們頭痛的事，盡管很多城市建立了一定數(shù)量的停車場，但仍然不夠用。究其原因分析可發(fā)現(xiàn)有以下幾個主要原因，一是大部分停車場處于人工管理狀態(tài)，管理效率低；二是車主想停車時不清楚該停車場是否還有空余車位，車位使用率低；三是車主進入停車場停車時全憑自己感覺找車位，停車耗費時間長、效率低，所以設計一個停車誘導系統(tǒng)來提升停車場管理效率，減少停車耗費時間，滿足車主們快捷、舒適停車，十分有必要。本文結合ZigBee無線通信技術優(yōu)勢，研究設計了一個智能停車誘導系統(tǒng)用于停車場高效、智能化的管理。

1 系統(tǒng)總體設計

智能停車誘導系統(tǒng)以ZigBee無線通信技術為基礎組建通信網(wǎng)，以嵌入式芯片STM32F407為控制核心來處理各采集器的終端數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)主要由停車場車位信息發(fā)布、車輛數(shù)據(jù)采集，終端無線信號傳輸與處理、停車誘導等幾部分構成，停車誘導系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。工作原理：當停車場有空余車位時將通過信息公告牌向外發(fā)布信息，車主進入停車場入口，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集車輛信息并做好記錄，采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee節(jié)點傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)進行信號分析、處理，最后由上位機軟件調動監(jiān)控顯示功能發(fā)送停車誘導信息至顯示屏，并以距離最短、停車最方便的方式引導車主完成停車。

圖1 智能停車誘導系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

■2.1 ZigBee組網(wǎng)技術

ZigBee無線通信技術以IEEE802 15 4協(xié)議棧為標準，使用頻段為2 4GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率約250Kbps，有效組網(wǎng)距離為100~2000米，且支持點對點、星型、鏈狀以及網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)形式，它具有成本低、功耗低、多節(jié)點和網(wǎng)絡性能穩(wěn)定等特征。ZigBee無線通信網(wǎng)絡組建包含的主要設備有路由器，協(xié)調器和多個終端設備，建網(wǎng)過程可分為，一是以協(xié)調器為中心建立無線通信網(wǎng)絡，二是節(jié)點申請加入控制網(wǎng)絡進行通信。系統(tǒng)上電后，其中的網(wǎng)絡協(xié)調器會選擇一個最優(yōu)通信信道建立網(wǎng)絡標識PAN ID，成立通信網(wǎng)絡，并允許終端節(jié)點設備入網(wǎng)，當節(jié)點申請加入通信網(wǎng)時可通過兩種方式入網(wǎng)，一是直接通過協(xié)調器加入網(wǎng)絡，二是通過父節(jié)點入網(wǎng)。當節(jié)點首先掃描周圍的ZigBee網(wǎng)絡，找到網(wǎng)絡協(xié)調器或父節(jié)點后向其發(fā)送入網(wǎng)請求，如果被批準網(wǎng)絡將為其分配一個16位網(wǎng)絡短地址代表入網(wǎng)成功，此后數(shù)據(jù)將通過此通道進行數(shù)據(jù)傳輸通信。ZigBee網(wǎng)絡結構類型主要有星型，樹族型，網(wǎng)狀型，本系統(tǒng)考慮到停車場低功耗的需要，采用樹族型網(wǎng)絡結構，樹族型網(wǎng)絡布局結構圖如圖2所示。布點時為防止父節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)壓力過大，我們以黑點為中心作為無線區(qū)域接收數(shù)據(jù)裝置，然后選擇合適位置布置中繼路由器延長信號的傳輸距離，為了提升網(wǎng)絡抗干擾能力，節(jié)點布置時單個路由子節(jié)點數(shù)量控制在16個以內。

圖2 ZigBee組網(wǎng)拓撲結構

■2.2 車位定位數(shù)據(jù)采集設計

電路設計中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用芯片CC2431作為ZigBee通信網(wǎng)絡采集數(shù)據(jù)的核心。CC2431是一個具有低功耗、高速數(shù)據(jù)收發(fā)處理、內核為增強型8051的微控制芯片，它可以實現(xiàn)非常低的材料成本建立強大的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，系統(tǒng)采用RSSI(Received Signal Strength Indication)技術來檢測與定位空余車位位置，當ZigBee完成組網(wǎng)后，通過計算節(jié)點RSSI均值來確認車位所在確定位置，完成空余車位精準定位，進行最佳路徑提示規(guī)劃。無線網(wǎng)絡芯片的外部接口主要包含接收串行數(shù)據(jù)接口RXD，發(fā)送串行數(shù)據(jù)接口TXD，復位信號RST，主機輸出從機輸入接口MOSI與主機輸入從機輸出接口MISO，組和序列CSN等主要接口。終端節(jié)點與主機通信采用標準的I2C總線協(xié)議和串口通訊技術將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主微控制器。CC2431的ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)電路設計圖如圖3所示。

圖3 ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點原理圖

■2.3 STM32信號處理設計

在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中，信息處理技術是整個ZigBee無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中最為關鍵的技術。STM32F407是一款性價比高、資料豐富、功能強大的嵌入式信號處理芯片，因此本系統(tǒng)采用STM32F407作為信息處理的核心，它在系統(tǒng)中承擔了系統(tǒng)感知層的大腦，工作原理可簡述為，主控芯片首先把各個節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)搜集起來統(tǒng)一分析，然后向各個節(jié)點或相關設備發(fā)送數(shù)據(jù)，最后讓每個終端部分按規(guī)定要求動作。實際運行時，STM32F407將ZigBee節(jié)點采集到車輛牌照與空余車位等信息收集處理分析，然后向顯示屏發(fā)出剩余車位信息和最佳停車路徑顯示，完成引導車主快捷、方便停車。STM32F407工作時的外圍電路設計，主要包含有芯片測試JTAG接口設計，復位電路設計，時鐘芯片設計，F(xiàn)LASH閃存結構設計，電源電路設計，晶振設計等。系統(tǒng)主控芯片電路設計圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主控芯片電路設計

3 系統(tǒng)軟件設計

停車誘導系統(tǒng)的軟件設計部分主要包含了下位機軟件設計和上位機軟件設計。下位機軟件設計主要實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收發(fā)，完成終端節(jié)點數(shù)據(jù)的采集與轉換；上位機軟件設計主要服務于嵌入式信號處理，完成遠程節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)計算分析和處理，通過顯示屏提示車主高效、快捷停車，完成停車誘導功能。

■3.1 下位機軟件設計

本系統(tǒng)下位機軟件設計流程如圖5所示。

圖5 ZigBee無線網(wǎng)絡車位信息檢測流程圖

下位機軟件工作流程為，首先啟動停車場的車位檢測點ZigBee終端設備，終端設備上電后初始化協(xié)議棧，為組建無線通信網(wǎng)絡做好準備，協(xié)調器組建ZigBee網(wǎng)絡，等待各終端節(jié)點加入，協(xié)調器判斷是否有節(jié)點加入，當有節(jié)點加入時則允許終端節(jié)點加入并分配PAN ID通道，當沒有時則判斷是否有數(shù)據(jù)傳入，節(jié)點加入后隨即檢查是否與數(shù)據(jù)傳入，當有數(shù)據(jù)傳入時便通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)儲存每個節(jié)點位的數(shù)據(jù)，建立好停車場車位詳細信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如果沒有數(shù)據(jù)則返回到節(jié)點請求加入處繼續(xù)監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)的加入，循環(huán)監(jiān)測停車場車位數(shù)據(jù)的變化，當有車位已停車或不能使用時終端則發(fā)送新信息到協(xié)調器及時更新數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

■3.2 無線通信數(shù)據(jù)格式

當ZigBee終端需要向主機發(fā)送信息必須設定好數(shù)據(jù)通信編碼格式。停車場終端向數(shù)據(jù)返回數(shù)據(jù)為了保持準確，數(shù)據(jù)通信傳輸碼格式為，數(shù)據(jù)首先發(fā)送引導碼，確認是哪個終端在發(fā)送數(shù)據(jù)，然后傳送字符的類型，說明是字符型還是整型類別，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)長度標識表明數(shù)據(jù)長度為8/10/12bit，接著發(fā)送車位標識表明是哪個車位的詳細信息，繼續(xù)發(fā)送車位目前的狀態(tài)，在這里我們將車位的狀態(tài)主要歸納為5個類別，1表示車位已停車，2表示車位空置，3表示終端電量低，4表示終端已掉線，5表示設備出現(xiàn)故障需檢查。緊接著發(fā)送的是我們數(shù)據(jù)的校驗位與結束標志。無線數(shù)據(jù)通信編碼格式如表1所示。

表1 無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)編碼格式

■3.3 上位機軟件設計

上位機軟件處理中心為具有跟蹤監(jiān)控服務的計算機，采用具有強大的數(shù)據(jù)處理與存儲的SQL2012軟件，開發(fā)語言使用VC++6 0開發(fā)，上位機軟件開發(fā)主要圍繞數(shù)據(jù)庫處理模塊，無線通信模塊，顯示誘導功能模塊來編寫主控程序，網(wǎng)絡通信采用標準的RS232接口連接主機。軟件工作流程為，數(shù)據(jù)中心儲存好停車場所有車位信息數(shù)據(jù)，建立好數(shù)據(jù)庫，當有車主進入車場需要使用車位時，主控芯片將接收到車位ZigBee節(jié)點發(fā)送過來的詳細信息，進行計算分析處理后送LED顯示中心提示車主車位信息、最佳停車路徑等信息，完成誘導停車。

4 結束語

系統(tǒng)采用基于ZigBee的無線通信方式管理停車場，克服了有線通信方式需要布線，安裝復雜等缺陷，大大提升了停車場管理的環(huán)境適應性。隨著現(xiàn)在智能手機的普及，系統(tǒng)還可以通過直接開發(fā)的智能停車APP軟件導入停車場相關數(shù)據(jù)，方便了人們對停車場的遠程監(jiān)控、操作和管理。當城市交通系統(tǒng)需要采集車位或車輛信息時也可通過socket接口下載或上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫查找信息，對城市發(fā)展智能交通也具有十分重要的參考意義。