基于物聯網技術的停車場定位系統設計*

曹永健，錢承山，許強，胡二猛

（南京信息工程大學信息與控制學院，江蘇南京210044）

目前，隨著國家經濟的增長和人民生活水平的提高，汽車產業高速發展，城市的汽車擁有量急劇增加，然而城市停車場的問題也越來越嚴重，用戶停車難的問題普遍存在。停車場變得越來越大，但停車位的查找也變得越來越難，一些用戶由于不知道自己在場內的定位情況而浪費大量的停車時間，甚至會造成場內交通擁堵。大型停車場需要人工來引導車輛停放，增加了停車場的人工成本。同時存在停車場內的車位利用率低下等現象。這些問題都使得停車場管理繁瑣，無法優化車位資源配置。

物聯網技術近年來在高速地發展[1]，而物聯網的無線技術也得到了越來越多的運用，本設計使用的ZigBee是一種新興的介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術方案，具有低速率、低功耗、低成本等無線網絡技術特點[2]。ZigBee無線技術正逐漸成為無線傳感網絡技術的首選，在網絡范圍中，其組網方式靈活，傳感器之間所需能量很少，無線通信效率相當高[3]，現已大量應用于嵌入式技術、工業監測、自動控制等領域。

1 系統概述

本文提出了基于物聯網技術的停車場定位系統。該系統包括上位機軟件、ZigBee組網模塊與定位終端，其具體功能與要求為：定位終端通過ZigBee無線通信數據處理進行定位，上位機對定位終端的位置信息進行數據處理，并對停車場內的用戶進行定位顯示及管理。ZigBee組網模塊在系統中起著組網的作用，使終端能在場內定位[4]。車輛駛入停車場時，工作人員根據用戶車輛的大小和場內停車位情況分配相關停車位并分發定位終端，用戶能借此在場內定位、在終端顯示模塊顯示自己的位置信息，進而實現高效率停車；而上位機則對該用戶進行定時計費，上位機界面能顯示該用戶在場內的所在位置，進而實現停車場更有效的管理。這種方法能提高用戶的停車效率，減少工作人員的工作量，成本低，并能重復利用。

2 系統設計

整個系統由PC、協調器、ZigBee參考節點、定位終端等組成。系統的總體結構框圖如圖1所示。其中參考節點分布于停車場4個角落，主要任務是提供一個相應終端位置坐標信息的參考數據包；終端通過ZigBee無線通信收集參考節點的位置坐標信息和信號強度值，然后處理數據得到終端位置信息，同時傳送數據給協調器；協調器節點通過RS-232串口與PC相連；上位機軟件采用Visual Studio 2010進行設計，對終端部分進行計時計費，同時顯示停車場內終端的所在位置等。

圖1 系統總體結構框圖

2.1 系統硬件設計

本系統協調器和參考節點采用的是以TI公司的CC2430芯片為核心的模塊，終端節點采用的是以CC2431芯片為核心的模塊。CC2430/CC2431芯片的片上系統(SoC)是高集成度的解決方案，高性能處理能力使其足以滿足ZigBee為基礎的波段應用。它由2.4 GHz的射頻收發器和工業標準的增強型8051MCU[5]集合而成，在應用時只需很少的外圍電路和輔助器件，具有成本低、功耗低、抗噪聲和抗高頻干擾等特點。CC2431與CC2430在ZigBee無線網絡定位系統中的功能是不一樣的，CC2431模塊具有內置的硬件定位引擎，具有定位功能，本系統中CC2430模塊用作參考節點和協調器，而CC2431模塊作為終端節點使用?；緫秒娐啡鐖D2所示。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 協調器程序設計

整個系統的ZigBee網絡是由協調器組織建立的，采用的是CC2430模塊，在整個系統中具有組網、數據傳輸等作用。初始化包括各硬件初始化、系統時鐘初始化、協議棧的初始化等。協調器組建網絡成功后，等待上位機的命令，同時等待終端節點的加入。協調器與PC之間采用RS-232串口進行連接，其作為PC與ZigBee網絡之間通信的媒介，一方面接收上位機傳來的指令或數據，發送至各節點；另一方面接收各節點的數據，進而傳至上位機進行數據處理。程序流程圖如圖3所示。

圖2 CC2430/CC2431芯片基本應用電路

圖3 協調器程序流程圖

2.2.2 參考節點程序設計

參考節點采用CC2430模塊，在系統中具有重要的作用，是布置在停車場4個角落的靜態節點，坐標值提前設定好。系統中至少有3個參考節點，本系統中采用4個參考節點。參考節點在初始化加入網絡后，寫入配置信息，檢測終端的請求信號。其主要任務是將檢測到的RSSI值等數據發送至終端[6]。程序流程圖如圖4所示。

2.2.3 終端程序設計

圖4 參考節點程序流程圖

終端是系統的關鍵部分之一，采用的是CC2431模塊，其程序流程圖如圖5所示。在初始化后，加入協調器建立的網絡，通過檢測上位機的位置查詢命令來發送/接收RSSI信號，同時根據信號傳播系數和信號強度等參數進行實時的定位計算顯示。終端在停車場內時主要有兩個任務：(1)監控上位機通過協調器傳送的命令信號，并做相應的處理；(2)通過顯示模塊顯示終端在停車場位置信息，并將自身的ID和定位等數據包發送至協調器，再傳送至上位機。

圖5 終端程序流程圖

2.3 上位機軟件設計

上位機軟件主要實現信息配置和定位數據處理的功能，可以對停車場的地圖、參考節點的坐標等信息進行配置更新，對終端傳送過來的定位數據信息進行處理，進而在上位機界面上顯示車輛終端部分的位置情況。上位機與協調器之間采用串口通信，波特率為38 400 b/s，8個數據位[7]。上位機與下位機的通信協議格式如表1、表2所示。

Visual Studio是Windows平臺目前最流行的應用程序開發環境，上位機軟件是基于Visual Studio 2010、使用C#語言開發的應用程序[8]。系統進行測試時，分別對停車場的地圖、參考節點進行配置，如圖6所示。當用戶持終端進入場內時，工作人員對該終端進行配置，隨后對終端進行實時的定位監測，能直接查詢相關車輛并對其進行計時、計費等管理，定位實驗如圖7所示。實驗結果表明，該系統設備能實時定位，精度可靠穩定，能正常工作。

表1 上位機通信協議格式

表2 下位機通信協議格式

圖6 參考節點配置圖

圖7 場內定位圖

本文提出了一個基于無線技術的停車場定位系統，分別從協調器、參考節點、終端和上位機軟件等方面介紹了系統的設計思路。上位機進行信息配置操作，終端部分進行數據處理和顯示。本系統解決了停車場停車難、管理繁瑣等問題，能有效提高停車效率，減少工作人員的工作量，降低成本，提高停車場的管理質量。

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