一種太陽能供電的無線傳感網小區車位管理系統*

劉保連，丁祖軍

（淮陰工學院 電子與電氣工程學院，江蘇 淮安 223003）

隨著我國大中城市經濟的飛速發展，現代化進程的不斷加快，城市私人汽車數量飛速增長，給整個城市停車問題帶來了具大的壓力。考慮到停車位的所有權、私用和公用問題，很多小區的停車位只供小區居民停放車輛所用，且小區的車位存在管理混亂、亂占車位等現象。

一些停車場采用壓力傳感器來檢測車位狀況，但壓力傳感器能采集的參數有限，精度不高，而且需要在整個停車場地表鋪設傳感器。參考文獻[1]提出一種基于RFID和攝像控制的解決方案。該方法被眾多停車場所使用，但由于讀寫器需要布線、價格較貴、成本偏高，其可執行度不高。參考文獻[2]把閉路監控加以改造，將計算機圖像處理技術、模式識別和通信等多項技術相結合，打造計算機視頻監測系統，監測和控制停車位。不過，這種技術對圖像處理技術要求很高。參考文獻[3]在每個車位上方均設立超聲波檢測與視頻一體化的監測。用視頻采集技術，可將車輛和車位匹配，但需要布線，且成本較高。

考慮到小區車位專屬性，參考文獻[4]、[5]、[6]提出了基于車位鎖的解決方案。車位鎖控制簡單，成本較低，既能適用于收費場合，也可在免費或臨時停車場推廣使用。但沒能構成智能化、信息化管理。參考文獻[7]提出一種基于GSM無線網絡的車位管理系統，但每個車位均需SIM卡，屬收費網絡。

近年來，隨著無線信息傳輸技術的發展，ZigBee無線網絡以其低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延及高安全等特點，在交通、農業、環境檢測等領域得到了廣泛應用。基于小區車位管理的特殊性及目前車位管理的現狀，本文將ZigBee傳感網絡與車位管理相結合，構建了無線車位管理系統，使得車位管理更具智能化、信息化，提高了管理效率和質量。

1 車位管理系統構成

車位管理系統主要由分布式車位鎖節點 （終端節點）、路由節點、中心協調器、控制終端以及車牌識別系統5個部分組成。車位管理系統結構如圖1所示。

圖1 基于無線傳感網絡的車位管理系統結構圖

車位鎖節點和路由節點以自組織的方式組成以中心協調器為中心的無線數據傳輸網絡，控制終端通過中心協調器控制所有與之相連的路由節點及車位鎖節點。車牌號智能識別系統安裝在小區入口，通過攝像頭拍攝進出車輛牌號，并將車牌信息送入系統控制終端，并與數據庫比對，確認是本小區的車輛后，控制終端通過中心協調器發送指令給該車輛對應的車位鎖節點，控制該車位鎖的升降，實現車輛自動停車，該命令通過任一路由到達該節點。

每個路由節點除了基本的路由功能及控制車位鎖外，還要完成利用太陽能光伏電池板對蓄電池充電功能。由于各個車輛的進出頻率較低，同一時刻兩輛及以上車輛同時進出的概率很低，且車位鎖節點在沒有動作時，均處于低功耗模式，因此，所有通過同一個路由節點加入到網絡的車位鎖節點及該路由節點本身均由同一蓄電池供電。

2 車位鎖節點設計

車位鎖節點要根據控制終端的指令實現對車位鎖的升降動作，以便實現車輛的停車及駛出。在功能上，車位鎖節點可以劃分為微控制器功能模塊、無線通信功能模塊、電機驅動及保護模塊。本設計采用CC2530作為主控芯片實現車位鎖節點，其硬件結構如圖2所示。

圖2 車位鎖節點硬件結構圖

微控制器采用CC2530F256集成芯片。CC2530F256是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4 ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統解決方案。它能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點。它具有領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程Flash，8 KB的RAM和256 KB的Flash，具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530F256結合了德州儀器的業界領先的黃金單元 ZigBee協議棧（Z-StackTM），提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。微控制器模塊與無線通信模塊電路如圖3所示。

為了提高無線傳感模塊信息傳輸距離，在CC2530無線輸出端增加了RFX2401功率放大模塊。RFX2401是一個完全集成的單芯片射頻前端集成電路，為滿足ZigBee通信需要，它包含了所有的RF功能。RFX2401的架構整合了功率放大器、低噪聲放大器、傳輸和接收開關電路、阻抗匹配網絡、諧波過濾器和CMOS控制邏輯，專為2.4 GHzISM頻段使用，并支持802.15.4和ZigBee2007標準，其性能優越、靈敏度高、效率高、噪音低、尺寸小且成本低。

電機驅動模塊主要用來驅動直流電機完成車位鎖機械裝置的升降。為提高電機運行效率，減小不必要的功率損耗，提高蓄電池供電時間，對電機采用PWM控制。控制芯片采用ST公司的集成驅動芯片L298。它的最高工作電壓可達46 V，輸出瞬間峰值電流可達3 A，持續工作電流為2 A，直流電流總和可達4 A。

3 路由節點設計

路由節點基本功能是負責轉發信息，尋找最適合的路由路徑，當有節點加入時，可為節點分配地址。路由器獲得的地址是不變的，可作為點對點數據傳輸的地址使用。即使中心協調器掉電，路由器仍然在保持網絡，路由與路由之間仍然能夠通信，且當有新的節點加入時，仍然能夠通過現有的路由獲得地址，加入網絡。

此外，路由節點本身不但可以完成車位鎖功能，還要完成對蓄電池充電的任務。路由節點結構框圖如圖4所示。太陽能光伏電池板經充電電路對蓄電池充電，同時，蓄電池給路由節點及通過該路由節點分配地址并連接到網絡的車位鎖節點供電。為降低充電電路中電力電子器件的開關損耗，提高效率，充電電路采用結構簡單、效率高的BUCK軟開關電路[8]。由于太陽能光伏電池板容量有限，且太陽光線在一天中不同時段強弱不同，因此，對蓄電池主要采用涓流充電的方法。

4 中心協調器

中心協調器用來創建一個ZigBee網絡，當有節點加入時，自動分配地址給子節點，中心協調器為不能掉電設備，沒有低功耗狀態。每個ZigBee網絡需要且僅需要一個中心協調器，不同網絡的網絡ID號是不一樣的，如果在同一空間存在兩個中心協調器，且它們初始的網絡ID一樣，則后上電的中心協調器的網絡ID會自動加一，以免引起網絡ID沖突。中心協調器結構框圖如圖5虛線框內所示。

圖3 主控制C PU及無線收發電路

圖4 路由節點結構框圖

圖5 中心協調器結構框圖

5 系統實現

5.1 系統組網

根據圖1組建了一個車位管理的ZigBee無線傳感網絡，如圖6所示。

圖6 ZigBee無線傳感網絡

一個網絡中只有一個中心協調器，它可以給路由節點分配地址，地址已經分配完的協調器不能與其他不是由協調器分配地址的路由器和終端節點直接通信，但可通過其他路由節點通信。路由節點由協調器或其他已存在的路由節點分配地址，它也可以為終端節點分配地址。終端節點理論上可以經任意路由與中心協調器通信，至少可通過為該終端節點分配地址的路由節點進行通信，但不能經由已經提供完終端節點地址的其他路由節點進行通信。

5.2 數據傳輸

數據傳輸分透明數據傳輸和點對點數據傳輸。在透明數據傳輸模式下，中心協調器從接收到的數據自動發送到所有節點，數據內容保持不變；所有節點接收到的數據自動發送到中心協調器，相當于任一節點與中心協調器之間用電纜直接連接。點對點數據傳輸適合于網絡內任意兩個節點之間的數據傳輸，接收方知道數據來源地址，發送方知道目標地址。

針對小區車位監控、管理混亂及效率低下等問題，設計了一種太陽能供電的ZigBee無線傳感網絡車位管理系統，給出了無線傳感網絡各個節點的設計方案，實現了高效率智能化停車，進一步提高了車輛停車的安全性和可靠性。

[1]高潔.基于非接觸式IC卡的大型停車場管理系統的研究[D].青島：山東科技大學，2006.

[2]李伽.基于圖像處理的停車場收費管理系統[D].武漢：華中師范大學，2006.

[3]孫亮，黨力明.大型室內停車場車位的超聲波檢測[J].儀表技術與傳感器，1996（10）：39-42.

[4]包演生，姚維等.基于PSoC的車位鎖管理系統設計[J].電子產品世界，2010（9）：22-24.

[5]王英姿.汽車智能車位鎖設計 [J].科學技術與工程，2007，7（12）：2020-2022.

[6]凌云，柴政.智能車位鎖的設計與實現[J].人工智能及識別技術，2009，30（5）：691-692.

[7]魏偉.基于GSM無線網絡的車位管理系統設計 [D].杭州：浙江大學，2010.

[8]賈貴璽，張春雁，肖有文，等.新型軟開關BUCK軟開關電路的設計與仿真[J].電工技術學報，2012，27（2）：33-37.