基于超聲波與無線傳感技術(shù)的車位信息檢測(cè)器的研究

田立武,沈曉萍

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)分院，浙江嘉興,314000）

基于超聲波與無線傳感技術(shù)的車位信息檢測(cè)器的研究

田立武,沈曉萍

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)分院，浙江嘉興,314000）

本項(xiàng)目開展的是利用用超聲波技術(shù)和無線傳感技術(shù)進(jìn)行車位檢測(cè)器的開發(fā)與研究，信息感知部分采用超聲波技術(shù)，改變常用紅外線傳感器、渦流傳感器等易受外界因素影響或安裝復(fù)雜問題，數(shù)據(jù)傳輸部分改有線為無線通信技術(shù)，施工效率高，成本低。此項(xiàng)技術(shù)是對(duì)當(dāng)前停車誘導(dǎo)管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)的提升和補(bǔ)充。

車位信息;超聲波;無線傳感技術(shù)

0 引言

隨著家用轎車數(shù)量的急劇增加,許多商業(yè)中心的停車場(chǎng)數(shù)量也在迅速增加,并不斷向現(xiàn)代化智能停車場(chǎng)的方向發(fā)展。為了高效、便捷地管理停車場(chǎng)內(nèi)的車位, 現(xiàn)在的管理方式是把探測(cè)車位信息的傳感器技術(shù)和對(duì)應(yīng)信息系統(tǒng)應(yīng)用到車位管理中。在車位信息采集方面，常用紅外線傳感器、渦流傳感器等,此類傳感器存在易受外界因素影響或安裝復(fù)雜問題，所以現(xiàn)在的研究方向是把超聲波技術(shù)應(yīng)用到高性能的車位信息檢測(cè)器的設(shè)計(jì)中。由于超聲波車位檢測(cè)器不易受干擾, 安裝方便。當(dāng)泊位有車時(shí), 超聲波傳輸?shù)木嚯x與無車時(shí)是不同的, 由此可判斷泊位上有無車輛停放。

另一方面是目前城市停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸普遍采用有線的工作方式，探測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過RS485總線上傳到服務(wù)器。當(dāng)停車場(chǎng)規(guī)模較大時(shí)，前期的安裝、布線工作會(huì)非常繁重，成本也會(huì)比較高。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟，車位的探測(cè)節(jié)點(diǎn)完全可以采用無線的方式上傳數(shù)據(jù)。

因此,本項(xiàng)目開展的是采用超聲波技術(shù)和無線傳感技術(shù)進(jìn)行車位檢測(cè)器的研制。這項(xiàng)技術(shù)是對(duì)現(xiàn)在停車誘導(dǎo)管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)的提升和補(bǔ)充。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

停放車人員根據(jù)點(diǎn)陣顯示屏的上的當(dāng)前車位狀況信息進(jìn)入停車場(chǎng)，按動(dòng)按鍵，信息射頻卡會(huì)自動(dòng)彈出，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部也進(jìn)行了第一次的刷卡，根據(jù)原有的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)記住了第一次刷卡的時(shí)間點(diǎn)。車位的即時(shí)信息利用ZigBee模塊采集并傳輸，終端節(jié)點(diǎn)模塊采集到車位信息后，通過路由器發(fā)送給協(xié)調(diào)器，經(jīng)過協(xié)調(diào)器的處理，信息會(huì)發(fā)送給點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)，最后點(diǎn)陣顯示器會(huì)顯示準(zhǔn)確的停車場(chǎng)的車位信息。在停放車人員離開停車場(chǎng)時(shí)，經(jīng)過再次刷卡，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)兩次刷卡的時(shí)間差和本身的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算后進(jìn)行收費(fèi)。

此完整的系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成：第一部分是數(shù)據(jù)采集傳輸部分，是系統(tǒng)關(guān)鍵部分，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，主要帶有超聲波傳感器的終端節(jié)點(diǎn)、 ZigBee 協(xié)調(diào)器以及路由器組成；第二部分是系統(tǒng)完成計(jì)費(fèi)部分，采用射頻技術(shù)，主要由 S3C2440 和MFRC522 射頻模塊兩個(gè)模塊組成；第三部分是車位信息顯示部分，采用 AVR芯片，主要由單片機(jī)控制和點(diǎn)陣顯示屏組成。圖1所示是系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

Zigbee模塊功耗低，通訊速率低。模塊有較小的發(fā)送接收電流，支持多種睡眠模式，一個(gè)10AH的電池，在Zigbee水表中可使用8年，Zigbee通訊速度最高可達(dá)250Kbps，適合用于設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊，不太適合用于聲音、圖像的傳送。Zigbee網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短。Zigbee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。所以，在此設(shè)計(jì)中，終端節(jié)點(diǎn)模塊采用中斷喚醒睡眠模式。當(dāng)超聲波傳感器的處在電平不變狀態(tài)時(shí)，CC2430 芯片即處于休眠模式 ；當(dāng)超聲波傳感器發(fā)生電平跳變時(shí)，51單片機(jī)控制新品會(huì)發(fā)信號(hào)喚醒 CC2430讓其工作。在功耗方面，這樣的設(shè)計(jì)可以使其降到最低，因此本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸部分采用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)是此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通過無線中繼器可以非常方便地將網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍擴(kuò)展至數(shù)十倍，使其從小空間到大空間、從簡(jiǎn)單空間環(huán)境到復(fù)雜空間環(huán)境的場(chǎng)合都可以使用。此設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)都通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)收集利用超聲波傳感器感知到的實(shí)時(shí)車位監(jiān)測(cè)信息并進(jìn)行發(fā)送，后由協(xié)調(diào)器發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，最終在在LED點(diǎn)陣顯示屏顯示車位具體信息，包括車位剩余情況和空車位基本位置信息。按照本身的設(shè)計(jì)原理，每個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器可容納的節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，理論上可以達(dá)到65000多個(gè)節(jié)點(diǎn)，現(xiàn)在隨著建筑容量的越來越大，其停車場(chǎng)也都向大型化趨勢(shì)的發(fā)展，選擇ZigBee協(xié)調(diào)器是解決此問題的最佳方案，以增加路由器的方式對(duì)大型停車場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)管理，一個(gè)協(xié)調(diào)器可以放在監(jiān)測(cè)中心對(duì)多個(gè)分區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

此設(shè)計(jì)中的終端節(jié)點(diǎn)部分由51 單片機(jī)、超聲波傳感器與CC2430 模塊組成。設(shè)計(jì)方案是用51單片機(jī)的P1.0 和 P3.2 I/ O口與超聲波傳感器的發(fā)送和接收端相連，51單片機(jī) P0.7 I/O口作為信息輸出端再與CC2430 模塊的中斷接口相連。圖2所示是終端節(jié)點(diǎn)部分連線圖。

傳感器終端節(jié)點(diǎn)模塊一般放置在停車場(chǎng)車位下面。超聲波傳感器模塊在沒有檢測(cè)到有障礙物出現(xiàn)時(shí)，輸出端扣向外發(fā)送的是連續(xù)的高電平；如檢測(cè)到有障礙物出現(xiàn)時(shí)，輸出端口發(fā)送低電平；當(dāng)檢測(cè)到有障礙物想對(duì)穩(wěn)定時(shí)，超聲波傳感器連續(xù)輸出低電平。在輸出端口有電平出現(xiàn)跳變時(shí)來觸發(fā)51單片機(jī)，當(dāng)電平跳變到一個(gè)固定值并想對(duì)穩(wěn)定時(shí)，51單片機(jī)會(huì)完成信息發(fā)送給CC2430模塊。

終端節(jié)點(diǎn)模塊利用以上方法完成車位信息，然后把采集到的車位信息通過路由器傳給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的工作是把接收到的車位狀態(tài)信息進(jìn)行進(jìn)一步的分析與處理，發(fā)送給LED點(diǎn)陣顯示屏的控制器系統(tǒng)。協(xié)調(diào)器通過串行口與點(diǎn)LED陣顯示屏的控制器系統(tǒng)相連。顯示屏以文字和符號(hào)的形式實(shí)時(shí)顯示車位的狀態(tài)信息，為停放車人員提供指示參考。

射頻計(jì)費(fèi)模塊部分采用的是S3C2440芯片和MFRC522模塊組成的刷卡計(jì)費(fèi)器。主控芯片選用用S3C2440處理器芯片，其是一款 32位的高速處理器，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與傳輸。其特點(diǎn)是體積小、低功耗、低成本、高性能；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高。本系統(tǒng)選用非接觸型射頻IC卡。射頻IC卡避免了接觸型IC卡與讀卡器之間的直接接觸，降低了卡的磨損 ，故本設(shè)計(jì)采用中大智能公司的停車IC卡和與其配套的MFRC522芯片。因?yàn)镸FRC522可以使用SPI的通信方式，所以本系統(tǒng)在S3C2440上模擬了SPI通信接口供其與MFRC522進(jìn)行信息傳輸，在此通信中，MFRC522 模塊作為從機(jī)地位。通過MOSI線，信息數(shù)據(jù)從主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)；通過MISO線，信息數(shù)據(jù)從MFRC522發(fā)回到主機(jī)。

顯示部分選用AVR系列單片機(jī)控制LED 點(diǎn)陣系統(tǒng)。AVR單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)明顯，其處理指令的速度想對(duì)其它單片機(jī)要快，抗干擾能力較強(qiáng)，作為點(diǎn)陣顯示屏的控制器的選擇，可以較好的顯示效果，所以，此系統(tǒng)使用AVR ATmega16單片機(jī)為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣顯示屏的控制器。點(diǎn)陣顯示比較直觀實(shí)時(shí)地顯示停車場(chǎng)的車位狀態(tài)信息，為停放車人員快速便捷地停車提供服務(wù)，提高工作效率。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee 通信協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)。ZigBee設(shè)備類型按網(wǎng)絡(luò)功能分為協(xié)調(diào)器模塊、路由節(jié)點(diǎn)模塊和終端節(jié)點(diǎn)模塊三種。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器建立的，一個(gè)節(jié)點(diǎn)想建立網(wǎng)絡(luò)必須基于兩個(gè)條件：第一，節(jié)點(diǎn)模塊必須是具有協(xié)調(diào)器作用的全功能FFD節(jié)點(diǎn)；第二，節(jié)點(diǎn)模塊沒有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只允許有唯一一個(gè)協(xié)調(diào)器。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的核心是協(xié)調(diào)器。它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、節(jié)

圖2 終端節(jié)點(diǎn)連線圖

點(diǎn)成員的加入、網(wǎng)絡(luò)地址分配、網(wǎng)絡(luò)鏈接表的更新、信息的收集與轉(zhuǎn)發(fā)等。在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器模塊通過串行口與單片機(jī)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所以需要在協(xié)議棧中編寫 ZigBee串口應(yīng)用程序。圖3為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行流程圖。

Research of parking space information detector based on ultrasonic and wireless sensor technology

Tian Liwu,Shen Xiaoping
（Jiaxing Vocational and Technical College Zhejiang branch of information technology,Jiaxing,314000）

This project is to research and development of the parking lot by ultrasonic technology and wireless sensor technology, information sensing part by ultrasonic technology,infrared sensor,eddy current sensor is used to change so easily affected by external factors or installation complexity,data transmission of cable for wireless communication technology,high construction efficiency,low cost.The secondary technology is the key technology of data acquisition in the current parking guidance management system.

parking information;ultrasonic;wireless sensor technology