鄭立玲　謝錫鋒

摘要：基于ZigBee無線技術(shù)，設(shè)計了一種智能停車場引導(dǎo)管理系統(tǒng)，旨在加速用戶找位泊車，提高停車場管理效率。選用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)作為通信網(wǎng)絡(luò)，利用HC-SR04型超聲波傳感器和CC2430射頻模塊組成無線網(wǎng)絡(luò)車位信息采集節(jié)點(diǎn)，基于最短路徑算法提出了最優(yōu)泊位模型，采用LED點(diǎn)陣顯示完成信息顯示和引導(dǎo)功能。

關(guān)鍵詞：智能停車場；引導(dǎo)管理；ZigBee；超聲波傳感器

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）08-1790-03

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，越來越多的汽車走進(jìn)平常百姓家，汽車市場的異常繁榮引發(fā)了停車難題，當(dāng)前落后的停車場管理方式方法難以滿足日益增長的車輛停放需求，日趨嚴(yán)重的“泊車難”問題成為城市交通中棘手問題，已經(jīng)成為制約城市經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的“瓶頸”。如何充分利用有限的停車場車位資源來最大程度滿足車輛的停車泊車需求，成了當(dāng)前社會急需解決的問題，因此，對智能停車場管理進(jìn)行深入研究并提出切實(shí)可行的解決方案具有重大意義。

1 總體設(shè)計方案

智能停車場系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，主要由車位信息檢測、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、引導(dǎo)機(jī)制、信息發(fā)布等各模塊組成，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前整個停車場車位占用狀況為用戶分配最優(yōu)泊位，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)啟動停車場內(nèi)部引導(dǎo)顯示牌，以方便用戶泊車停至最優(yōu)泊位。

整個智能停車場系統(tǒng)涉及到的模塊有車位信息采集節(jié)點(diǎn)、區(qū)域控制器、入口主顯示屏、引導(dǎo)顯示屏、中央控制器等，各組成部分功能如下。

1） 車位采集節(jié)點(diǎn)：車位信息采集節(jié)點(diǎn)由超聲波傳感器和ZigBee模塊構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)車位信息的實(shí)時采集，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信到中央控制器。

2）區(qū)域控制器：區(qū)域控制器主要負(fù)責(zé)停車場指定區(qū)域的車位信息管理，包括空位數(shù)以及空位號統(tǒng)計，將本區(qū)域的統(tǒng)計信息發(fā)送給中央控制器處理。

3）入口主顯示屏：入口主顯示屏安裝在停車場入口處，受中央控制器無線控制，主要負(fù)責(zé)顯示整個停車場空位占用情況、當(dāng)前最佳車位、歡迎詞等信息。

4）引導(dǎo)顯示屏：引導(dǎo)顯示屏安裝在停車場內(nèi)部十字交叉路口處，受中央控制器無線控制，主要起引導(dǎo)作用，顯示用戶車牌號和引導(dǎo)箭頭，負(fù)責(zé)將用戶車輛引導(dǎo)至系統(tǒng)計算出來的最佳車位上。

5）中央控制器：中央控制器負(fù)責(zé)處理區(qū)域控制器傳過來的信息，統(tǒng)計整個停車場車位剩余總量并無線發(fā)送給車位信息顯示屏顯示，存儲空位號并計算最佳車位分配給當(dāng)前用戶，并發(fā)送控制信息給引導(dǎo)顯示屏，點(diǎn)亮引導(dǎo)顯示屏顯示當(dāng)前用戶車牌號和引導(dǎo)箭頭。

2 車位信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計

車位信息采集節(jié)點(diǎn)處在整個引導(dǎo)系統(tǒng)的最底層，負(fù)責(zé)將所有車位狀態(tài)信息采集發(fā)送給區(qū)域處理器，采集效果的好壞關(guān)乎整個引導(dǎo)系統(tǒng)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。采集節(jié)點(diǎn)由超聲波傳感器設(shè)備和ZigBee無線射頻模塊組成，根據(jù)系統(tǒng)需求采用性價比較高的HC-SR04型超聲波傳感器進(jìn)行測距和CC2430射頻模塊進(jìn)行傳輸。

2.1 HC-SR04型超聲波傳感器

HC-SR04型超聲波傳感器可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)3mm，其內(nèi)部已經(jīng)集成了一個STC單片機(jī)用于控制超聲波的產(chǎn)生和回波的檢測，發(fā)射頭處的MAX232芯片主要起功率放大的作用，該模塊包括超聲波發(fā)射、接收與控制電路。

HC-SR04型超聲波傳感器的工作原理簡述如下：

1） HC-SR04型超聲波傳感器采用IO口TRIG觸發(fā)測距，首先給觸發(fā)信號輸入引腳一個12us的TTL（脈沖觸發(fā)）信號，傳感器啟動工作，該模塊內(nèi)部自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回。

2）利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦檢測到回波信號，回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比，回響輸出引腳ECHO將輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。

3）利用單片機(jī)編程捕捉ECHO引腳高電平持續(xù)的時間，并用公式[L=C×t/2]即可計算出距離，式中L為測量的距離長度，C為超聲波在空氣中的傳播速度，t為測量距離傳播的時間差（為發(fā)射到接收時間數(shù)值），由于超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，而溫度會影響空氣的密度，因此，需要對傳輸速度進(jìn)行修正，其修改公式為：C=C0+0.607×T℃，式中C0為零度時的聲波速度332m/s，利用DS18B20溫度傳感器可以得到環(huán)境溫度，補(bǔ)償溫度對聲速的影響。

4）為了防止余波被接收頭接收誤判，兩次測距時間間隔最少在60ms以上，通過定時器T0中斷中發(fā)送超聲波，超聲波發(fā)送后延時一段時間后返回。

2.2 ZigBee無線傳感網(wǎng)

智能停車場是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，車位信息采集要求實(shí)時性好、抗干擾能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多，因此要求所使用的網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、抗干擾能力強(qiáng)、高容量等特點(diǎn)，而ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)使它與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起，使得其性能正能滿足智能停車場這方面的需求，本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)選用ZigBee無線傳感網(wǎng)。

無線模塊采用的無線收發(fā)器是CC2430，CC2430是TI公司（德州儀器）生產(chǎn)的一款專用于Zigbee協(xié)議通信和IEEE 802.15.4的片上系統(tǒng)解決方案，它結(jié)合一個高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一個工業(yè)級小巧的8051控制器，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、4個定時器（16位Timer1、MAC定時器（Timer2），8位Timer3和Timer4）、一個DMA控制器、上電復(fù)位電路（Power On Reset）、32KHz晶振的休眠模式定時器、協(xié)同處理器、掉電檢測電路（Brown out detection）、看門狗定時器（Watchdog timer），具有21個可編程的I/O口引腳， P2端口只有5個引腳，P0、P1端口是全的8位的。通過軟件配置相關(guān)SFR特殊功能寄存器，可使引腳作為通用輸入輸出引腳、片內(nèi)外設(shè)使用引腳或外部中斷使用引腳。CC2430芯片采用0.18[μm]CMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。本系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)用的CC2430就是在IAR Embedded Workbench for MCS-51集成開發(fā)環(huán)境里進(jìn)行開發(fā)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)采用的協(xié)議棧為TI的ZStack-2.3.0-1.4.0，通過更改協(xié)議棧的配置，可以把協(xié)議棧配置為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、終端（Enddevice），整個協(xié)議棧采用中斷事件調(diào)用機(jī)制，任務(wù)添加函數(shù)osalTaskAdd（）將各層初始化函數(shù)指針、各層事件處理函數(shù)指針以及各層任務(wù)優(yōu)先級添加到任務(wù)表，然后通過中斷添加響應(yīng)事件（events）。超聲波車位信息采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖2所示。

1）對CC2430初始化，完成后各模塊向Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送包含其物理地址的信號數(shù)據(jù)包，等待協(xié)調(diào)器為其分發(fā)網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點(diǎn)加入星型網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee協(xié)調(diào)器收到各完成初始化的CC2430模塊發(fā)送的信號后，跟據(jù)星型網(wǎng)的組網(wǎng)規(guī)則，為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，將他們組成一個星型網(wǎng)絡(luò)。

2）網(wǎng)絡(luò)組建好后，各CC2430模塊進(jìn)入待命狀態(tài)，CC2430的P1.4引腳產(chǎn)生一個10 左右的脈沖信號觸發(fā)HC-SR04超聲波傳感器開始工作，產(chǎn)生8個40KHz的脈沖信號。

3）反復(fù)檢測CC2430的P1.1引腳是否變?yōu)楦唠娖?，即是否有回波返回，如果檢測到回波返回，則開啟定時器0記錄高電平持續(xù)的時間。

4）將定時器0的定時值t取出，利用公式[L=C×t/2]計算車身上表面距離超聲波傳感器探頭的距離。

5）設(shè)定一個距離值，此距離值為車位上最矮的一輛車到達(dá)超聲波探頭的距離，通常設(shè)置2m左右，若測量距離小于設(shè)定值，則該車位被占用，若測量距離大于設(shè)定值，則車位空閑。

6）待協(xié)調(diào)器收到CC2430模塊回傳的數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的打包之后，數(shù)據(jù)通過串口USART進(jìn)入CC2430的DATA內(nèi)存區(qū)，然后再使用DMA傳輸方式將內(nèi)存區(qū)中的數(shù)據(jù)傳送到Radio的先進(jìn)先出緩存器TXFIFO，在TXFIFO中經(jīng)過一系列的硬件處理，最后通過天線向發(fā)射無線信號。

3 最優(yōu)泊位算法

最優(yōu)泊位模型描述為：

[min（d1，d2，...，dn）]

[di=path（I，pi）+path（pi，O）+δi（i=1，2，...，n）]

其中，[di]用于描述[pi]車位優(yōu)越性模型，I為停車場入口，O為出口， [pi（i=1，2，...，n）]為車位，車位[pi]到入口I的最短路徑距離為 [path（I，pi）]，出口O到車位[pi]的最短路徑距離為[path（pi，O）]，車位[pi]距離附近最近一個監(jiān)控器的距離為[σi（i=1，2...，n）]。[di]越小，則車位越優(yōu)越，在系統(tǒng)自動分配的過程中就越先被分配，最優(yōu)泊位模型用于綜合性評價車位的好壞，使行駛距離、步行距離、安全性三者得到很好的協(xié)調(diào)。

經(jīng)典的最短路徑算法有Dijkstra算法、Floyd算法、Bellman-Ford-Moore算法、啟發(fā)式搜索（Heuristic Search）算法、[A*]算法等等，系統(tǒng)采用Dijkstra算法，Dijkstra算法是典型最短路算法，其是以起始點(diǎn)為中心向外層層擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)為止，主要用于計算一個節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑，算法具體步驟：

1）初始化時，[S]只包含源點(diǎn)，令[S={v0}]，[T]={其余頂點(diǎn)}，設(shè)[d（v0，vi）]為弧[]上的權(quán)值，若弧[]不存在，則為[d（v0，vi）=∞]；

2）從[T]中選取一個其距離[v0]值為最小的頂點(diǎn)[w]且不在[S]中，加入[S]（該選定的距離就是[v0]到[w]的最短路徑長度）；

3）對[T]中頂點(diǎn)的距離值進(jìn)行修改，若加進(jìn)[w]作中間頂點(diǎn)，從[v0]到[vi]的距離值比不加[w]的路徑要短，則修改此距離值；

重復(fù)上述步驟2、3，直到S中包含所有頂點(diǎn)，即[S=T]為止。

4 結(jié)束語

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)設(shè)計了智能停車場引導(dǎo)系統(tǒng)的總體構(gòu)架，介紹了智能停車場引導(dǎo)系統(tǒng)的車位信息采集、無線通信網(wǎng)絡(luò)兩個子系統(tǒng)，采用Dijkstra算法對最優(yōu)泊位模型進(jìn)行了求解，確定最佳的路徑，對今后智能停車場的建設(shè)具有一定的參考價值。

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