智能停車場車位檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李坤，陳慶勝，仲文祥 （無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校自動化工程系，江蘇 無錫214028）

目前，傳統(tǒng)停車廠管理中存在功能單一、實(shí)時(shí)性差、效率低下等問題。為解決上述問題，筆者利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)免牌照頻段、動態(tài)組網(wǎng)、自組多跳的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了智能停車場車位檢測系統(tǒng)，以期為停車場高效管理提供新的途徑。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

車位檢測系統(tǒng)通過檢測對應(yīng)車位的車輛狀態(tài)，經(jīng)過系統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證后，與周邊檢測節(jié)點(diǎn)構(gòu)成Zigbee自組多跳網(wǎng)絡(luò)，最終將車位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到與中央控制系統(tǒng)連接的Zigbee中心節(jié)點(diǎn)。車位檢測功能是通過設(shè)置在車位中央的一個(gè)紅外障礙檢測模塊來實(shí)現(xiàn)的。MCU（調(diào)制解調(diào)器）調(diào)制出38kz脈沖并送入紅外發(fā)射器遇到障礙物（車輛底盤），漫反射返回到紅外接收器，產(chǎn)生一個(gè)下降沿脈沖，該脈沖可以被MCU檢測，從而了解檢測車位的占用信息。

該系統(tǒng)采用簇樹網(wǎng)絡(luò)和層次化路由協(xié)議［1］。具體做法是將網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)分成若干個(gè)簇，每個(gè)簇相當(dāng)于一個(gè)較為固定的自組織網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)路由器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中繼和轉(zhuǎn)發(fā)。Zigbee傳輸范圍一般介于10～100m，為保證網(wǎng)絡(luò)安全性，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與路由器距離控制在50m以內(nèi)，并且通過多路由交叉覆蓋的方法保證每個(gè)中斷節(jié)點(diǎn)都有2個(gè)路由器來提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)將自身的采集到的狀態(tài)信息通過自組多跳的網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給協(xié)調(diào)器，然后由協(xié)調(diào)器上報(bào)給監(jiān)控PC機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和匯總（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

車位檢測系統(tǒng)通過包括紅外障礙檢測模塊、Zigbee無線傳輸模塊和電源管理模塊。

2.1 紅外障礙檢測模塊

綜合考慮成本、功耗、可靠性、布置便利性等多方面因素，選擇調(diào)制紅外方案作為車位檢測手段。調(diào)制紅外的車輛檢測功能是通過設(shè)置在車位中央的一個(gè)紅外障礙檢測模塊來實(shí)現(xiàn)的，即通過MCU調(diào)制出38kz脈沖并送入紅外發(fā)射器，當(dāng)遇到障礙物（車輛底盤）后漫反射返回到紅外接收器，產(chǎn)生一個(gè)下降沿脈沖，該脈沖可以被MCU檢測，從而了解所檢測車位的占用信息。

2.2 Zigbee無線傳輸模塊

Zigbee無線傳輸模塊中CC2430集成度很高，只需加上外部晶振和復(fù)位電路即可工作，射頻部分需要設(shè)計(jì)成50Ω的阻抗天線板載電路即可（見圖2）。

圖2 Zigbee無線傳輸模塊設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)圖

復(fù)位電路采用上電復(fù)位設(shè)計(jì)，加入0.1μF的電容進(jìn)行消除按鍵抖動。為了便于程序的調(diào)試開發(fā)，將設(shè)備中JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試工作組）管腳通過標(biāo)準(zhǔn)雙排排針引出。

圖3 電源管理模塊電路設(shè)計(jì)圖

2.3 電源管理模塊

考慮到系統(tǒng)由3個(gè)不同功能的網(wǎng)絡(luò)功能組件（Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、Zigbee路由器、Zigbee終端車位檢測節(jié)點(diǎn)）構(gòu)成，其中Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器位于網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的地址分配的信息，而Zigbee終端車位檢測節(jié)點(diǎn)需要考慮到布網(wǎng)和維護(hù)便捷性，因而采用鋰電池＋太陽能供電的方式。選擇MIC5245芯片產(chǎn)生3.3V電源為系統(tǒng)供電，供電模塊輸入電壓為1.5～15V，采用升壓降壓式開關(guān)電源來增加設(shè)備的電壓適用范圍和提高電源利用效率（開關(guān)電源電源利用率達(dá)95%）［2］。電源管理模塊電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。此外，為了精確測量電源電量變化，將電源電壓經(jīng)過串聯(lián)分壓送入MCU的AD測量管腳，結(jié)合MCU內(nèi)部的基準(zhǔn)1.2V基準(zhǔn)電壓，由此達(dá)到精確測量電源電量的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Zigbee車位檢測嵌入式軟件是運(yùn)行在Zigbee射頻芯片CC2430上的下位機(jī)軟件，可以分為Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序、Zigbee路由器程序和Zigbee終端檢測節(jié)點(diǎn)程序3部分。

3.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序

Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組織協(xié)調(diào)工作，自身使用固定的網(wǎng)絡(luò)地址0x0000，非常適合作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)，其通過使用RS232串口與中央控制系統(tǒng)連接，將匯集過來的數(shù)據(jù)上報(bào)給中央控制系統(tǒng)，并最終由中央控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲進(jìn)內(nèi)置或通用的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器［3］。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序運(yùn)行流程圖如圖4所示。

圖4 Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序運(yùn)行流程圖

圖5 Zigbee路由器程序運(yùn)行 流程圖

3.2 Zigbee路由器程序

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，路由器節(jié)點(diǎn)可以將收到的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行二次轉(zhuǎn)發(fā)，使得終端采集節(jié)點(diǎn)不受數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)位置限制，可自由安排在所需位置，若距離較遠(yuǎn)時(shí)，只需在中間添加Zigbee路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼和轉(zhuǎn)發(fā)即可。Zigbee路由器程序運(yùn)行流程圖如圖5所示。

3.3 Zigbee終端車位檢測節(jié)點(diǎn)程序

由于終端車位檢測節(jié)點(diǎn)能源非常有限，因而在程序運(yùn)行中采取以下措施來節(jié)約能源：①在搜索到網(wǎng)絡(luò)后將網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及時(shí)的保存到非易失性存儲器。在下次連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，程序優(yōu)先讀取上次保存的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，大大減少網(wǎng)絡(luò)搜索時(shí)間；②每次檢測完成或者數(shù)據(jù)發(fā)送完成后關(guān)閉無線收發(fā)功能，將所有的IO管腳設(shè)置成三態(tài)浮空，紅外發(fā)射和接收單元的MOS管在上拉電阻的作用下自動關(guān)閉，接入節(jié)電模式；③MCU在完成節(jié)電參數(shù)設(shè)置自身的休眠時(shí)鐘進(jìn)入低功耗休眠模式，等待下次時(shí)鐘溢出喚醒事件［4］。Zigbee終端車位檢測節(jié)點(diǎn)程序運(yùn)行流程圖如圖6所示。

圖6 Zigbee終端車位檢測節(jié)點(diǎn)程序運(yùn)行流程圖

4 系統(tǒng)測試

通過使用不同的遮擋材料和不同的測試高度（不同車輛的底盤高度不同，常規(guī)家用小型車輛的車輛底盤高度為20～40cm，而工程類車輛底盤高度為30～70cm）進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。由表1可知，汽車底盤遮蔽物與監(jiān)測點(diǎn)的距離在50cm以內(nèi)的檢測準(zhǔn)確率接近于100%，檢測距離超過50cm的檢測精度稍微有所下降，由于停車場一般為常規(guī)家用小型車輛所用，因而通過測試表明車位檢測系統(tǒng)的檢測精度是安全可靠的。

5 結(jié)語

根據(jù)停車場的特點(diǎn)和實(shí)際需求，將Zigbee技術(shù)融入智能停車場車位檢測系統(tǒng)，將監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測來隨時(shí)反映各車位的占用情況，從而為停車場高效管理提供了良好途徑。但是，該系統(tǒng)還存在抗干擾（靜電干擾、射頻干擾、噪聲干擾）不足的問題，這需要今后進(jìn)一步加以改進(jìn)，使其結(jié)構(gòu)和功能更加完善。

表1 Zigbee車位檢測系統(tǒng)可靠性測試數(shù)據(jù)表

［1］ 高守瑋，吳燦陽.Zigbee技術(shù)實(shí)踐教程——基于CC2430／31的無線傳感網(wǎng)絡(luò)解決方案 ［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］ 瞿雷，劉盛德，胡咸斌.Zigbee技術(shù)及應(yīng)用 ［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［3］ 李文仲，段朝玉.Zigbee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn) ［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］ 程曉旭，耿魯靜，張海，等.C語言算法速查手冊 ［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［5］ 成潔，盧紫毅.Linux窗口程序設(shè)計(jì)：Qt4精彩實(shí)例分析 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.