基于嵌入式的智能停車場遠程監控系統*

李正明,汪付川

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

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基于嵌入式的智能停車場遠程監控系統*

李正明*,汪付川

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

摘要:針對現階段的停車場的管理存在管理復雜、工作效率低等問題,設計了一種基于嵌入式和ZigBee技術的智能停車場遠程監控系統,以實現停車場的智能化控制。該系統通過ZigBee傳感器網絡采集停車場中停車位的信息,利用嵌入式系統和GSM模塊進行數據的處理和傳輸,并通過上位機對整個停車場進行遠程監控。介紹了系統的設計方案和工作原理,詳細闡述了系統框架,硬件設計和軟件設計。通過數據傳輸性能和整體性能的測試表明,該系統完全達到停車場監控系統的應用要求。

關鍵詞:嵌入式系統;停車場;GSM;ZigBee;無線傳感網絡;監控

隨著社會經濟和科學技術的飛速發展,城鄉居民的生活水平有了顯著的提高,人們對私家車的需求日益增加。汽車在給人們帶來方便的同時,由于停車場的監控系統的缺陷而造成許多不便。智能停車場是解決我國許多大中城市停車問題的有效手段。

目前國內外大多停車場監控系統都是基于傳統布線的基礎上實現停車場的監控,宋飛等人在停車場安全監控系統中提出了多媒體監控[1],但是傳統布線繁瑣,而王慧等人則利用單片機對停車場遠程監控[2],實時性較差。本文智能停車場監控系統采用先進的技術,將嵌入式技術及無線傳感技術有機結合起來。針對停車場傳統監控方法的不足,提出了基于嵌入式和ZigBee技術的停車場監控系統的設計方案。該系統具有成本低、網絡具有自組織性、相應快且實時性好的優點。能夠很好滿足智能停車場的監控需要,具有一定的先進性和實用性。

1　系統框架描述

系統主要由ZigBee監控終端節點,超聲波傳感器單元、GSM模塊、處理器單元以及上位機構成。首先,通過超聲波傳感器檢測停車位的“占”、“空”狀態,利用ZigBee無線傳感網絡進行數據采集和傳輸,并將信息傳輸到ARM處理器,ARM處理器分析并處理該信息,將處理的信息以AT命令的形式發送給GSM模塊,GSM模塊通過串口與ARM板相連,用戶可以通過短信查詢到停車場車位信息。在智能停車場內部安裝協調器和路由節點,組成一個龐大的ZigBee網絡。實時檢測停車位的狀態,智能停車場監控系統功能包括以下幾點:(1)實時監控停車場各個停車位的狀態;(2)遠程控制停車場燈光;(3)短信查詢停車場的剩余空車位和車位信息;④緊急情況發出報警信號。系統各模塊連接實物圖如圖1所示。

圖1　系統連接實物圖

2　系統硬件設計

系統硬件部分由ARM核心板、超聲波傳感器、GSM模塊和ZigBee模塊等組成。系統硬件框圖如圖2所示。

圖2　系統硬件電路框圖

2.1超聲波傳感器單元

國內常用車位檢查器的類型主要有磁阻傳感器、地傳感器、視頻車位檢測器和超聲波傳感器等等。但是由于種種原因限制,一些車位檢查器的使用受到條件約束[3]。比如磁阻傳感器需要在地表以下30 cm左右,挖取路面來埋設,更換傳感器較為麻煩。而地傳感器相對應其他傳感器反應速度較慢。視頻車位檢測則容易受天氣環境影響。超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300 mm～500 mm波長大于5 mm的傳感器檢測范圍可達8 m。影響超聲波傳感器精度的因素有許多,其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度,因而許多超聲波傳感器具有溫度補償的特性。該特性能使模擬量輸出型的超聲波傳感器在一個寬溫度范圍內獲得高達0.6 mm的重復精度。

因此,本文選取超聲波傳感器,這種傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波傳感器接收和發射電路原理圖如圖3、圖4所示。

圖3　超聲波接收電路原理圖

圖4　超聲波發射電路原理圖

2.2GSM通信模塊

系統采用西門子公司生產的GSM模塊TC35i。此模塊設計緊湊,集射頻和基帶于一體,向用戶提供標準的AT命令接口。射頻就是射頻電流,它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1 000次的交流電稱為低頻電流,大于10 000次的稱為高頻電流,而射頻就是這樣一種高頻電流。TC35i模塊就是采用射頻傳輸方式,TC35i與ARM控制器通過UART接口1進行連接。

2.3ZigBee模塊

在停車場中,停車位與傳感器一般都是一一對應的關系,而一般大型停車場的停車位的數目至少數百。智能停車場控制系統中,安全性以及傳輸效率都符合要求,采用ZigBee技術可以很好地傳輸控制信息[4]。

本停車場監控系統是針對五百個左右車位的大型智能停車場所設計的,整個監控系統包括上位機監控中心、超聲波傳感器、視頻監控等硬件設備。上位機監控中心負責管理和協調整個監控系統,集中處理來自停車場內的所有數據,并對各個子操作系統發出操作指令,并且可以提供數據報表。在每個停車位上都安裝基于CC2430模塊的無線傳感器終端設備,每個區構成一個ZigBee無線傳感器網絡。整個停車場含有一個ZigBee協調器,每個區含有一個ZigBee路由器和多個具有精簡功能的無線傳感終端設備,ZigBee設備之間都是無線傳輸,ZigBee協調器與上位機監控中心通過串口進行通信。

3　系統軟件設計

系統軟件設計部分基于Linux操作系統平臺,包括路由器節點軟件設計、GSM通信設計、系統移植和驅動設計。

3.1路由器節點軟件設計

路由器節點的軟件設計主要負責各個停車位上方傳感器采集信號,并進一步進行信息融合,將綜合后的數據發送給協調器[5]。流程圖如圖5所示。

圖5　路由器節點流程圖

3.2GSM通信設計

通過GSM模塊,用戶可以通過手機短信查詢停車場內剩余空車位信息。TC35i短信模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規范。在TC35i使用之前,需要通過AT指令對其進行配置[6]。發送短信時,先將短信進行編碼,然后以PDU數據形式發送;接收短信時,利用AT指令讀取數據,接收到的數據以十六進制7b編碼形式存儲在SIM卡內。GSM短信模塊通信流程圖如圖6所示。

圖6　GSM短信模塊通信流程圖

3.3系統移植與驅動設計

建立嵌入式開發平臺,根據自己設計的硬件平臺制作U-boot引導程序以及文件系統,使用Linux-2.6.31內核,內核需要移植DM9000,ADC,攝像頭等驅動。客戶端通過網頁遠程訪問服務器,實現遠程監控,這樣就需要在服務器端建立一個Web服務器。本系統選擇Boa服務器,它是一個單任務的HTTP服務器,支持CGI技術。而智能停車場遠程監控系統的關鍵技術為CGI編程[7]。CGI是“公共網關接口”(Common Gateway Interface)的簡稱,它是Web服務器和主機應用程序之間進行信息交換的一種接口標準或規范。CGI處理步驟:①通過Internet把用戶請求送到服務器;②服務器接收用戶請求并交給CGI程序處理;③CGI程序把處理結果傳送給服務器;④服務器把結果送回到用戶。CGI程序中的標準輸出是經過重定向了的。CGI程序并不會在服務器上產生任何的輸出內容,而是被重定向到客戶瀏覽器。這樣,如果編寫一個C的CGI程序的時候,把一個HTML文檔輸出到它的Std上,這個HTML文檔會被在客戶端的瀏覽器中顯示出來。這也是CGI程序的一個基本原理[8]。

首先,移植嵌入式Web服務器Boa,同時修改Boa.conf文件指定網頁文件和Cgi-bin的路徑。將jpeg、SDL庫從交叉編譯器的lib目錄拷貝到根文件系統的/lib目錄下,并且運行mjpg-streamer,在串口終端輸入命令:#mjpg-streamer-i“/lib/input_uvc.so”-o“/lib/output_http.so-w 192.168.1.10:8080”。其中-i表示輸入模塊,-o表示輸入模塊,ARM板的IP地址和服務器端口號是8080。客戶端使用這個IP地址和端口號就能登錄服務器。

4　測試結果

4.1網絡數據傳輸測試

對協調器與數據集中器的傳輸兩點間的測試,網關通過RS232串行接口連接到數據集中器,由數據采集器轉至電腦。本系統采用1個協調器節點,2個路由器節點和4個終端節點進行測試。網絡數據傳輸效率即數據接收端成功接收到來自數據發送端的數據率[10]。測試過程中,分別采用發送周期10 ms、20 ms、30 ms、40 ms和50 ms進行測試,可以知道當數據發送周期為50 ms時,丟包率為0。為了記錄數據包收發情況,節點上位機程序均采用串口調試程序。網絡數據傳輸效率測試結果如表1所示。

表1　網絡數據傳輸效率測試結果

4.2系統性能測試

首先,用網線連接ARM板與PC機的網口,確保網絡連通,Zigbee模塊與arm通過串口連接。然后打開電源,運行操作系統。最后,在PC機上運行web瀏覽器,在地址欄輸入相應的IP地址http://192.168.1.10[9]。進入登錄界面,輸入用戶名和密碼,成功登陸后進來智能停車場遠程監控系統的主頁面。如圖7所示,通過視頻監控、燈光控制、車位狀態和報警4個按鈕可以實現相應的功能。

圖7　智能停車場遠程監控系統主頁面

5　結束語

本文設計了一種基于ARM和ZigBee的嵌入式智能停車場監控系統,同時結合了GSM模塊,方便用戶查詢剩余停車位信息。由于現階段的停車場監控系統大部分是利用布線來傳輸數據,存在布線繁瑣的問題,還有許多停車場則利用單片機來實現遠程監控,實時性相比ARM處理器較差。而利用ZigBee網絡以及傳感器控制電路進行智能停車場車位信息的采集和對相應情況進行控制,解決了布線問題。在Linux操作系統下,編寫驅動程序,建立web服務器并對CGI網絡編程。用戶可以通過上位機遠程對智能停車場進行監控,解決了實時性差的問題。需要改進的地方是:沒有考慮外接傳感器后的數據處理和傳輸問題,在后續研究中,還應考慮更多的因素。

參考文獻:

[1]宋飛,馮復科.停車場安全監控系統[J].西安文理學院學報(自然科學版),2006,9(1):102-105.

[2]王慧,王海艦.基于單片機與組態軟件的停車場遠程監控系統[J].計算機系統應用,2011,20(10):252-254.

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[10]彭吉崇.基于ZigBee技術停車場車位的組網與通信設計[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2012.

李正明(1958-),男,漢族,江蘇沭陽人,江蘇大學電氣信息工程學院博士生導師,主要從事嵌入式系統,工業過程集散控制的研究,18013449187@163.com;

汪付川(1988-),男,漢族,江蘇大豐人,江蘇大學電氣信息工程學院碩士研究生,主要從事嵌入式系統研究,842653950@qq.com。

IntelligentParkingRemoteMonitoringandControlSystemBasedonembedded*

LIZhengming*,WANGFuchuan

(School of Electronic and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

Abstract:As the management of the parking lot exists lots and lot of complicated and inefficient management problems at this stage,an intelligent parking remote monitoring system was designed,which combine embedded and ZigBee,in order to achieve the intelligent control of parking.This system uses ZigBee sensor network to collected a lot of the parking lot information,and uses embedded systems and GSM module for data processing and transmission.And through the host computer the system perfects the remote monitoring of the entire parking lot.This paper introduces the system design and operating principle,and describes the system frame,hardware and software design exhaustively.Through the data transmission performance and overall performance tests show that the system fully meets the application requirements of parking control system.

Key words:embedded system;parking;GSM;wireless sensor networks;monitor

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.034

中圖分類號:TP27

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0742-04

收稿日期:2013-08-18修改日期:2013-09-11

項目來源:江蘇高校優勢學科建設工程項目(蘇政辦發[2011]6號)