基于ZigBee組網(wǎng)的停車場管理系統(tǒng)設計

摘 要：隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，汽車普及率越來越高，汽車保有量越來越多，大中城市普遍出現(xiàn)了“停車難，停車慢”的問題，為此提出一種基于ZigBee組網(wǎng)的停車場管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)以CC2530單片機作為核心器件，前端采用超聲波測距技術識別車位是否空閑，并通過串口顯示屏與空車位狀態(tài)指示燈引導用戶快速找到停車位；當用戶停好車后，通過人體紅外檢測技術和照明裝置引導用戶找到最近的出口，從而實現(xiàn)快速離場。后端采用云平臺技術，在網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)可實時查看該停車場信息。本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的停車場管理模式，能有效降低停車時耗與能耗，使停車場內(nèi)車輛管理更智能、準確、便捷和高效，用戶停車體驗感也更好，對解決我國城市停車難問題具有積極的應用價值和實踐意義。

關鍵詞：智能停車場；超聲波測距；指示燈；ZigBee技術；云端平臺；節(jié)能減排

中圖分類號：TP277；TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-0-04

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，汽車普及率越來越高，汽車保有量越來越多。傳統(tǒng)停車場管理模式已不能滿足現(xiàn)在的停車需求。傳統(tǒng)停車場管理系統(tǒng)普遍存在以下問題：

（1）停車慢，停車場內(nèi)指示牌少，用戶尋位速度慢；（2）運營成本高，需要大量的安保人員進行停車引導和指揮，日常維護成本高[1]。另外，在一些城市也逐步推出了智能停車場，比如一體式自動存取車停車場、傾斜車位式停車場和數(shù)碼管與車位指示燈指示停車的停車場等。其中一體式自動存取車停車場停車方便快捷，但建設費用高、維護成本高；傾斜車位式停車場只需將車輛開入停車場指定地點，就能自動傾斜放入停車位，但傾斜車位式停車場需要對各類不同體積的車輛進行區(qū)分，分區(qū)多，維護成本高，機械零件易損壞；而數(shù)碼管與車位指示燈指示停車的停車場則顯示效果不夠直觀。顯然，要在國內(nèi)推進智慧型停車場的應用，需要對傳統(tǒng)停車場管理進行改革與創(chuàng)新，解決傳統(tǒng)停車場所存在的問題，優(yōu)化現(xiàn)有的智能型停車場管理系統(tǒng)?；谝陨蠁栴}，提出一種基于ZigBee無線傳感技術的新型室內(nèi)停車場管理系統(tǒng)，實現(xiàn)車位實時狀態(tài)信息傳輸至云平臺及上位機，再通過LED燈和串口顯示屏指引用戶快速停車和離場。該系統(tǒng)不僅為用戶節(jié)省尋找車位和離場的時間，又能夠提高停車場的使用效率，節(jié)省人力及能耗。

1 系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)層次結構中的傳感層、網(wǎng)絡層和應用層[2]三層分布方式設計。系統(tǒng)框圖如圖1所示。傳感層由超聲波傳感器和人體紅外傳感器組成；網(wǎng)絡層由ZigBee、云平臺與服務器組成；應用層由顯示屏、空車位狀態(tài)指示燈和離場人行指引燈構成。

停車場管理系統(tǒng)運行流程大致如下：當車輛進入停車場入口處，車輛入場檢測裝置監(jiān)測到有車輛入場時，場內(nèi)照明裝置開啟；用戶通過查看顯示屏，獲取空車位的信息，確定前往目標區(qū)域；當用戶駛入目標區(qū)域后，通過該區(qū)域的空車位狀態(tài)指示燈，確定要到達的空車位。用戶車輛停放完畢后，位于當前車位的超聲波測距模塊監(jiān)測到有車輛停放，向ZigBee節(jié)點發(fā)送信號，再通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過WiFi或者4G/5G網(wǎng)絡方式傳輸?shù)椒掌鬟M行存儲，并傳輸至云平臺進行數(shù)據(jù)的記錄[3]；協(xié)調(diào)器也將數(shù)據(jù)同步傳輸至各個顯示屏，與空車位狀態(tài)指示燈共同進行車位實時顯示，繼而車位狀態(tài)指示燈熄滅；用戶下車后，人體紅外傳感器識別到行人，系統(tǒng)通過人體紅外傳感器的ID號，點亮通往最佳出口方向路線上的照明裝置，引導用戶至出口后，燈熄滅。

2 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)總體設計完成系統(tǒng)硬件電路設計，如圖2所示。

2.1 車輛入場識別及停車引導模塊

車輛入場識別模塊采用超聲波測距傳感器，當檢測到車輛進入停車場內(nèi)時，STC89C52單片機I/O口接收到有車進入停車場的信號后，開啟場內(nèi)照明裝置；串口顯示屏實時顯示停車場內(nèi)車位空滿狀況，用戶對停車場內(nèi)的車位空滿情況一目了然。本模塊的電路圖設計如圖2所示。從根本上解決了傳統(tǒng)停車場停車位難找以及盲目尋找車位的問題。

2.2 駐車檢測模塊

駐車檢測模塊完成對各個車位的狀態(tài)管理，同樣采用超聲波測距傳感器，當該車位的傳感器檢測到的距離小于設定的距離時，便判定該車位已停放車輛。狀態(tài)信息通過單片機處理后傳輸至該區(qū)域的ZigBee節(jié)點，ZigBee節(jié)點通過無線方式將數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，完成車位狀態(tài)改變后的數(shù)據(jù)傳輸[4]。

2.3 照明引導模塊

有的室內(nèi)停車場為了方便用戶，24 h都開啟照明裝置，這樣造成了不必要的能源浪費；有的為了省電，白天不開照明燈，使得用戶安全難以得到保障。本系統(tǒng)提出照明引導模塊，采用人體紅外傳感器，對泊車后的人群進行快速疏導。當檢測到有行人時，信號通過單片機處理，開啟距離行人最近出口或電梯口的通道照明裝置，待行人離開后則關閉[5]。該模塊解決了傳統(tǒng)停車場內(nèi)光線昏暗、找出口難的問題；同時節(jié)省了行人離場的時間，提高了停車場的安全性，實現(xiàn)了節(jié)能減排。

2.4 ZigBee互聯(lián)架設模塊

該模塊采用網(wǎng)絡樹形拓撲結構，它可以由一個協(xié)調(diào)器以及一系列的路由器和終端節(jié)點組成。單個節(jié)點最遠無線傳輸距離可以達到200 m，路由器作為數(shù)據(jù)中轉站最大傳輸距離可達400 m，最多可支持65 536個網(wǎng)絡節(jié)點[6]。解決了傳統(tǒng)停車場監(jiān)控范圍小、線路排布成本高、布線困難的問題。

ZigBee網(wǎng)絡為用戶提供了3種網(wǎng)絡設備類型，分別是協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。其中協(xié)調(diào)器在整個網(wǎng)絡中權限最高、功能最強大，可用于建立一個ZigBee網(wǎng)絡和維護整個ZigBee網(wǎng)絡，它的功能是作為后端設備接收和處理整個ZigBee網(wǎng)絡傳輸過來的數(shù)據(jù)。路由器的主要功能是允許其他設備加入網(wǎng)絡，擴大整個網(wǎng)絡的規(guī)模和無線信號傳輸距離。終端節(jié)點的作用是采集前端數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過無線傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡中[7]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 單片機控制部分

根據(jù)系統(tǒng)總體設計方案，各功能模塊聯(lián)動執(zhí)行，將單片機執(zhí)行車輛入場的程序部分設計如圖3所示。初始化后，首先通過駐車檢測模塊識別各個車位的空滿狀態(tài)，顯示在串口屏上；再通過車輛入場識別模塊，檢測到有車進入時，完成停車引導，并更新車位狀態(tài)信息；通過人體紅外檢測到有行人時，啟動照明引導模塊；當行人離開后，照明裝置關閉。

3.2 顯示屏功能實現(xiàn)部分

終端顯示器件采用了串口屏，通過顏色來區(qū)分各個停車區(qū)的“空滿狀態(tài)”。若有車，屏幕中該區(qū)域顏色變?yōu)榧t色；若無車，屏幕中該區(qū)域模塊顏色變?yōu)榫G色。串口屏通過串口連接至ZigBee節(jié)點端，來獲取當前車位數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)解析。

本系統(tǒng)串口屏數(shù)據(jù)解析采用主動解析方式，解析間隔為50 ms。該方式優(yōu)點為解析速度快、可自定義幀頭幀尾、快速識別錯誤數(shù)據(jù)幀。若因網(wǎng)絡問題導致接收到的數(shù)據(jù)幀不合格，可快速判別，并進行緩存區(qū)字節(jié)刪除操作，避免串口緩存區(qū)擁堵而導致后方正確數(shù)據(jù)無法識別的現(xiàn)象發(fā)生。數(shù)據(jù)格式為：數(shù)據(jù)+幀尾[8]。根據(jù)現(xiàn)有實驗模型，將數(shù)據(jù)設置為三個字符組成：第一個字符為區(qū)分A或B區(qū)，如果某區(qū)中有3個車位；則通過第二個字符區(qū)分，可用“1，2，3”表示；第三個字符為當前車位“空滿狀態(tài)”的區(qū)分，若該車位停滿，則發(fā)送字符“0”；若該車位空余，則發(fā)送字符“1”。比如數(shù)據(jù)“A10”表示A區(qū)1號車位停滿；數(shù)據(jù)“B21”表示B區(qū)2號車位空余。采用字符C作為數(shù)據(jù)格式的幀尾，當接收數(shù)據(jù)時，判定第4個字符是否為C字符，從而確定該數(shù)據(jù)幀的位置。比如接收到字符串“A10C”，串口屏對應車位呈紅色。在實際應用中，可根據(jù)停車場的規(guī)模設置合理的數(shù)據(jù)位，完成數(shù)據(jù)格式設置。數(shù)據(jù)逐層解析如圖4所示。將接收到的字符存入U數(shù)組中，進行判定剖析，大大減小了數(shù)據(jù)處理的誤差，加快了串口屏實時顯示的效率。

3.3 云端平臺功能實現(xiàn)部分

云端平臺集實時狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)記錄、設施情況查詢于一體，是統(tǒng)籌查看停車場管理系統(tǒng)各個設施與區(qū)域?qū)崟r狀況的軟件，操作界面如圖5所示。

云端平臺主要是將設施情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計兩大模塊的數(shù)據(jù)實時顯現(xiàn)在控制界面中，所以，設施情況與數(shù)據(jù)統(tǒng)計為統(tǒng)籌查看重點。在停車場各個區(qū)域均安置有ZigBee節(jié)點，節(jié)點連接有駐車識別裝置、識別燈、顯示屏、照明裝置等設備，ZigBee節(jié)點定時檢測各個設施的運行狀況，若有設施運行非正常，則ZigBee節(jié)點通過無線傳輸向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送含有故障設備信息的字符串，協(xié)調(diào)器將信息通過WiFi模塊上傳到云端平臺[9-10]，云端平臺對其字符串進行判定并顯示到相應的模塊中，進行“光報警”，即云端平臺界面的“設施情況”圖標變?yōu)榧t色，警示管理員及時排查。界面中的“數(shù)據(jù)統(tǒng)計”項可查看當前停車場剩余車位情況。通過超聲波檢測得到的狀態(tài)被傳輸至STC89C52單片機I/O口，經(jīng)過單片機判定空位數(shù)量后由單片機將數(shù)量數(shù)據(jù)傳輸至ZigBee節(jié)點，再傳輸至協(xié)調(diào)器通過WiFi上傳云端進行數(shù)據(jù)匯集。

4 實驗測試結果

本實驗模型為一個兩層室內(nèi)停車場，如圖6所示。當前有3輛車已入庫，當另有車輛進入停車場時，可通過顯示屏查看場內(nèi)停車狀況。顯示屏中的A3、A4、B2區(qū)變?yōu)榧t色，表示該區(qū)域有車停放；A1、A2、A5、B4、B5區(qū)為綠色，且對應空車位指示燈點亮，用戶可根據(jù)指引停車；A6、B1、B6屏幕顯示綠色，但車位指示燈不亮，表示固定車位或私人車位，不能隨便停放。云端平臺實時概況顯示情況如圖7所示，與顯示屏顯示情況一致。

5 結 語

綜上所述，本停車場管理系統(tǒng)采用ZigBee組網(wǎng)技術和顯示屏實時顯示的方式，實現(xiàn)對車輛的停車管理。車輛進場時，通過串口顯示屏與空車位狀態(tài)指示燈引導用戶快速找到停車位；當車輛停好后，通過人體紅外檢測技術和照明裝置引導用戶找到最近的出口，從而實現(xiàn)快速離場；用戶返回停車場時，可根據(jù)云端平臺鎖定車輛位置快速尋車。既節(jié)省了用戶的停取車時間，又節(jié)約了停車場照明的能耗，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保和時間高效利用。

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作者簡介：幸 敏（1979—），女，江西高安人，工程碩士，副教授，研究方向為電子技術、物聯(lián)網(wǎng)應用技術。

收稿日期：2023-04-21 修回日期：2023-05-18

基金項目：2022年度廣西水利電力職業(yè)技術學院重點科研項目：基于物聯(lián)網(wǎng)技術的攝像頭運維管理系統(tǒng)研究（2022kyzd03）