劉遠(yuǎn)仲，張強(qiáng)，楊嘉，李和霖，邱拓

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川南充，637131）

0 引言

近年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)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(chǎng)，但仍然不夠用。究其原因分析可發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)主要原因，一是大部分停車場(chǎng)處于人工管理狀態(tài)，管理效率低；二是車主想停車時(shí)不清楚該停車場(chǎng)是否還有空余車位，車位使用率低；三是車主進(jìn)入停車場(chǎng)停車時(shí)全憑自己感覺找車位，停車耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、效率低，所以設(shè)計(jì)一個(gè)停車誘導(dǎo)系統(tǒng)來提升停車場(chǎng)管理效率，減少停車耗費(fèi)時(shí)間，滿足車主們快捷、舒適停車，十分有必要。本文結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研究設(shè)計(jì)了一個(gè)智能停車誘導(dǎo)系統(tǒng)用于停車場(chǎng)高效、智能化的管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能停車誘導(dǎo)系統(tǒng)以ZigBee無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)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(chǎng)車位信息發(fā)布、車輛數(shù)據(jù)采集，終端無線信號(hào)傳輸與處理、停車誘導(dǎo)等幾部分構(gòu)成，停車誘導(dǎo)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。工作原理：當(dāng)停車場(chǎng)有空余車位時(shí)將通過信息公告牌向外發(fā)布信息，車主進(jìn)入停車場(chǎng)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(diǎn)傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)進(jìn)行信號(hào)分析、處理，最后由上位機(jī)軟件調(diào)動(dòng)監(jiān)控顯示功能發(fā)送停車誘導(dǎo)信息至顯示屏，并以距離最短、停車最方便的方式引導(dǎo)車主完成停車。

圖1 智能停車誘導(dǎo)系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee無線通信技術(shù)以IEEE802 15 4協(xié)議棧為標(biāo)準(zhǔn)，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(diǎn)對(duì)點(diǎn)、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(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定等特征。ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)組建包含的主要設(shè)備有路由器，協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備，建網(wǎng)過程可分為，一是以協(xié)調(diào)器為中心建立無線通信網(wǎng)絡(luò)，二是節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。系統(tǒng)上電后，其中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會(huì)選擇一個(gè)最優(yōu)通信信道建立網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)PAN ID，成立通信網(wǎng)絡(luò)，并允許終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備入網(wǎng)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入通信網(wǎng)時(shí)可通過兩種方式入網(wǎng)，一是直接通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，二是通過父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)首先掃描周圍的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，找到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或父節(jié)點(diǎn)后向其發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，如果被批準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)將為其分配一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò)短地址代表入網(wǎng)成功，此后數(shù)據(jù)將通過此通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型主要有星型，樹族型，網(wǎng)狀型，本系統(tǒng)考慮到停車場(chǎng)低功耗的需要，采用樹族型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，樹族型網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。布點(diǎn)時(shí)為防止父節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)壓力過大，我們以黑點(diǎn)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(zhǎng)信號(hào)的傳輸距離，為了提升網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力，節(jié)點(diǎn)布置時(shí)單個(gè)路由子節(jié)點(diǎn)數(shù)量控制在16個(gè)以內(nèi)。

圖2 ZigBee組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

■2.2 車位定位數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用芯片CC2431作為ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的核心。CC2431是一個(gè)具有低功耗、高速數(shù)據(jù)收發(fā)處理、內(nèi)核為增強(qiáng)型8051的微控制芯片，它可以實(shí)現(xiàn)非常低的材料成本建立強(qiáng)大的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)采用RSSI(Received Signal Strength Indication)技術(shù)來檢測(cè)與定位空余車位位置，當(dāng)ZigBee完成組網(wǎng)后，通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)RSSI均值來確認(rèn)車位所在確定位置，完成空余車位精準(zhǔn)定位，進(jìn)行最佳路徑提示規(guī)劃。無線網(wǎng)絡(luò)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(fù)位信號(hào)RST，主機(jī)輸出從機(jī)輸入接口MOSI與主機(jī)輸入從機(jī)輸出接口MISO，組和序列CSN等主要接口。終端節(jié)點(diǎn)與主機(jī)通信采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線協(xié)議和串口通訊技術(shù)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(luò)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)原理圖

■2.3 STM32信號(hào)處理設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中，信息處理技術(shù)是整個(gè)ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的技術(shù)。STM32F407是一款性價(jià)比高、資料豐富、功能強(qiáng)大的嵌入式信號(hào)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(dān)了系統(tǒng)感知層的大腦，工作原理可簡(jiǎn)述為，主控芯片首先把各個(gè)節(jié)點(diǎn)感知到的數(shù)據(jù)搜集起來統(tǒng)一分析，然后向各個(gè)節(jié)點(diǎn)或相關(guān)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，最后讓每個(gè)終端部分按規(guī)定要求動(dòng)作。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，STM32F407將ZigBee節(jié)點(diǎn)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(dǎo)車主快捷、方便停車。STM32F407工作時(shí)的外圍電路設(shè)計(jì)，主要包含有芯片測(cè)試JTAG接口設(shè)計(jì)，復(fù)位電路設(shè)計(jì)，時(shí)鐘芯片設(shè)計(jì)，F(xiàn)LASH閃存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電源電路設(shè)計(jì)，晶振設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)主控芯片電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主控芯片電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包含了下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)，完成終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換；上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要服務(wù)于嵌入式信號(hào)處理，完成遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)傳送過來的數(shù)據(jù)計(jì)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(dǎo)功能。

■3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)車位信息檢測(cè)流程圖

下位機(jī)軟件工作流程為，首先啟動(dòng)停車場(chǎng)的車位檢測(cè)點(diǎn)ZigBee終端設(shè)備，終端設(shè)備上電后初始化協(xié)議棧，為組建無線通信網(wǎng)絡(luò)做好準(zhǔn)備，協(xié)調(diào)器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待各終端節(jié)點(diǎn)加入，協(xié)調(diào)器判斷是否有節(jié)點(diǎn)加入，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)則允許終端節(jié)點(diǎn)加入并分配PAN ID通道，當(dāng)沒有時(shí)則判斷是否有數(shù)據(jù)傳入，節(jié)點(diǎn)加入后隨即檢查是否與數(shù)據(jù)傳入，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳入時(shí)便通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)儲(chǔ)存每個(gè)節(jié)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，建立好停車場(chǎng)車位詳細(xì)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(diǎn)請(qǐng)求加入處繼續(xù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的加入，循環(huán)監(jiān)測(cè)停車場(chǎng)車位數(shù)據(jù)的變化，當(dāng)有車位已停車或不能使用時(shí)終端則發(fā)送新信息到協(xié)調(diào)器及時(shí)更新數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

■3.2 無線通信數(shù)據(jù)格式

當(dāng)ZigBee終端需要向主機(jī)發(fā)送信息必須設(shè)定好數(shù)據(jù)通信編碼格式。停車場(chǎng)終端向數(shù)據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)為了保持準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)通信傳輸碼格式為，數(shù)據(jù)首先發(fā)送引導(dǎo)碼，確認(rèn)是哪個(gè)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(zhǎng)度標(biāo)識(shí)表明數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8/10/12bit，接著發(fā)送車位標(biāo)識(shí)表明是哪個(gè)車位的詳細(xì)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?dú)w納為5個(gè)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(shè)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(yàn)位與結(jié)束標(biāo)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(luò)通信數(shù)據(jù)編碼格式

■3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件處理中心為具有跟蹤監(jiān)控服務(wù)的計(jì)算機(jī)，采用具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)的SQL2012軟件，開發(fā)語言使用VC++6 0開發(fā)，上位機(jī)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(dǎo)功能模塊來編寫主控程序，網(wǎng)絡(luò)通信采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口連接主機(jī)。軟件工作流程為，數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)存好停車場(chǎng)所有車位信息數(shù)據(jù)，建立好數(shù)據(jù)庫，當(dāng)有車主進(jìn)入車場(chǎng)需要使用車位時(shí)，主控芯片將接收到車位ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的詳細(xì)信息，進(jìn)行計(jì)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(dǎo)停車。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)采用基于ZigBee的無線通信方式管理停車場(chǎng)，克服了有線通信方式需要布線，安裝復(fù)雜等缺陷，大大提升了停車場(chǎng)管理的環(huán)境適應(yīng)性。隨著現(xiàn)在智能手機(jī)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(dǎo)入停車場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，方便了人們對(duì)停車場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、操作和管理。當(dāng)城市交通系統(tǒng)需要采集車位或車輛信息時(shí)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(duì)城市發(fā)展智能交通也具有十分重要的參考意義。