一種基于ZigBee的車位檢測系統(tǒng)的設(shè)計

耿潤東

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟水平的發(fā)展，汽車已成為大多數(shù)人的出行工具，給人們帶來了舒適便捷的出行體驗。但汽車數(shù)量逐年攀升給停車庫的車位管理造成了壓力，人們出行時往往需要花費很多時間和精力尋找車位。隨著時間的推移，停車困難的問題也變得更加顯著。因此，設(shè)計一個車位信息檢測系統(tǒng)，通過對停車庫空閑停車位信息的有效把控，可以減少上述問題的發(fā)生[1-4]。把發(fā)展成熟的無線通信技術(shù)應(yīng)用到車位檢測技術(shù)中可以有效地減少檢測系統(tǒng)的設(shè)計成本，提高數(shù)據(jù)的高效性和可靠性。本文設(shè)計一種基于ZigBee技術(shù)的車位檢測系統(tǒng)實現(xiàn)車位數(shù)據(jù)在檢測終端、協(xié)調(diào)器和云端的傳輸，云端把收集到的信息進行處理，方便用戶查看停車庫的空余車位信息。設(shè)計的系統(tǒng)具有成本低、可靠性高且容易部署的特點，適合用于室內(nèi)停車庫場景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

用戶如果能看到車庫實時更新的車位信息就能準確地掌握停車場的車位情況，避免了在停車場里漫無目的地尋找車位。如果能將車位信息顯示到網(wǎng)頁上，將極大地方便用戶停車。設(shè)計的系統(tǒng)采用CC2530系列芯片作為系統(tǒng)的主控制裝置，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器和業(yè)界標準的增強型8051CPU，是一款低功耗、低成本、性能優(yōu)秀的處理芯片。整個系統(tǒng)由超聲波傳感器檢測車位信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)經(jīng)WiFi網(wǎng)關(guān)發(fā)送到OneNET云平臺，使用OneNET云平臺的應(yīng)用編輯器設(shè)計車庫車位的可視化頁面，生成網(wǎng)頁地址可以隨時隨地查看車庫車位信息。超聲波傳感器和CC2530構(gòu)成系統(tǒng)的信息采集終端，ESP8266WiFi模塊與CC2530組成協(xié)調(diào)器，一個信息采集終端檢測一個車位信息，通過定義信息采集終端的設(shè)備號綁定檢測的車位號實現(xiàn)系統(tǒng)對車位的檢測[5]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 采集終端

系統(tǒng)的信息采集終端由CC2530、超聲波傳感器組成。超聲波傳感器與CC2530接線如圖2所示。

圖2 HY-SRF05測距模塊電路

超聲波傳感器成本低、使用壽命長，雖然容易受溫度等環(huán)境因素影響，但考慮到系統(tǒng)安裝環(huán)境在室內(nèi)車庫，受到的干擾會比較小，能夠滿足車位檢測的需求[6]。系統(tǒng)用到的HY-SRF05超聲波傳感器的可測量程為2～450 cm，一般停車庫的層間距在3.5 m左右，大多數(shù)的車輛高度在1.5～2 m范圍內(nèi)，所以傳感器測量的距離范圍為1.5～3.5 m，HY-SRF05超聲波傳感器滿足測量條件。通過給超聲波傳感器Trig引腳超過10 μs的高電平信號，模塊將發(fā)送8個40 kHz的方波并檢測回波，傳感器檢測到回波時會給Echo引腳輸出一段高電平的回響信號，回響信號持續(xù)的時間即為超聲波發(fā)出聲波經(jīng)物體反射后接收回波的時間，聲波傳輸?shù)臅r間和速度已知，則物體與超聲波傳感器的距離就可得出[7]。假設(shè)相應(yīng)的時間為t，則聲波傳輸?shù)木嚯x為S=343t/2。將車位檢測終端安裝在車庫層頂上，通過設(shè)置距離閾值，判斷聲波傳輸距離是否超過閾值即可檢測車位的停車狀態(tài)。

2.2 協(xié)調(diào)器

系統(tǒng)設(shè)計協(xié)調(diào)器用來匯集信息采集終端采集到的車位信息。協(xié)調(diào)器與ESP8266WiFi模塊相連，ESP8266WiFi模塊從協(xié)調(diào)器獲取車位信息，并將獲取到的車位信息發(fā)送到云端。ESP8266具有強大的片上處理和儲存能力，成本較低，非常適合作為網(wǎng)關(guān)向云端傳輸數(shù)據(jù)。圖3為ESP8266模塊的接口電路。

圖3 ESP8266模塊接口電路

2.3 電源電路

CC2530芯片的正常工作電壓是3.3 V，系統(tǒng)的供給電壓為5 V，所以需要進行電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)才能工作。AMS1117-3.3是可以輸出3.3 V電壓的正向低壓降穩(wěn)壓器，電壓轉(zhuǎn)換電路可以將供電輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，為系統(tǒng)信息采集終端供電。圖4為系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計選用ZigBee 2007協(xié)議棧用于無線數(shù)據(jù)傳輸，使用IAR作為集成開發(fā)軟件。想要實現(xiàn)無線通信一般先進行組網(wǎng)，系統(tǒng)經(jīng)過組網(wǎng)流程構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)送節(jié)點通過調(diào)用協(xié)議棧無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收節(jié)點調(diào)用協(xié)議棧無線數(shù)據(jù)接收函數(shù)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收。

車位信息采集模塊上電初始化后，向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)申請，加入網(wǎng)絡(luò)后超聲波測距模塊開始周期性地檢測距離信息，并將檢測到的距離信息與設(shè)置閾值進行比較，將相關(guān)信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。信息采集終端工作流程如圖5所示。

圖5 車位信息檢測終端流程

系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器經(jīng)初始化后發(fā)出建立網(wǎng)絡(luò)請求，網(wǎng)絡(luò)層收到請求后MAC層進行信道能量掃描，找到合適的信道后設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，參數(shù)設(shè)置完成后ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建完成。組建網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點搜索周圍的網(wǎng)絡(luò)，如果搜索到ZigBee網(wǎng)絡(luò)則向上層報告，上層協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)信息選擇合適的網(wǎng)絡(luò)加入，協(xié)調(diào)器通知終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，收到連接請求時分配網(wǎng)絡(luò)地址并通過連接響應(yīng)通知終端[8]。協(xié)調(diào)器與檢測終端建立連接后接收檢測終端發(fā)送來的車位信息，并將得到的車位信息發(fā)送給ESP8266WiFi模塊，ESP8266WiFi模塊再通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。WiFi模塊采用透傳模式運行，與CC2530串口連接后，通過AT+CWJAP指令選取無線網(wǎng)名稱以及密碼后加入無線網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)AT+CIPSTART指令設(shè)定服務(wù)器IP和端口號連接云端，設(shè)置AT+CIPMODE=1進入透傳模式進行數(shù)據(jù)傳輸[9]。協(xié)調(diào)器工作流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)收發(fā)流程

系統(tǒng)選用OneNET云平臺設(shè)計顯示界面，設(shè)置好項目屬性后，獲取設(shè)備ID和APIkey與協(xié)調(diào)器建立連接，獲取車位數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)流，編輯OneNET可視化頁面，顯示車庫車位信息。由于實驗條件有限，只模擬一個終端檢測的情況，選用OneNET圖片控件，給兩種顏色的圖片分別設(shè)定一個值，根據(jù)數(shù)據(jù)流返回的值與設(shè)定的值作比較來確定顯示哪張圖片，通過不同顏色的圖片就可以直觀地顯示車位狀態(tài)[10]。進入OneNET可視化項目的訪問鏈接就可以在網(wǎng)頁上查看停車庫車位情況。網(wǎng)頁界面如圖7所示。

圖7 可視化界面

4 結(jié) 語

系統(tǒng)采用超聲波傳感器對車位狀態(tài)進行檢測，整個系統(tǒng)采用無線傳輸?shù)姆绞剑鉀Q了停車庫現(xiàn)場布線和后期維護困難的問題，同時減少了線材的使用，節(jié)約了成本。將車位數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，并對車位信息進行處理，將車位信息發(fā)布到網(wǎng)頁上方便了人們對停車庫空余車位信息的把控，獲得更好的停車體驗。后續(xù)如果在系統(tǒng)中加入車輛導航、人機交互、費用結(jié)算、車位預定等功能，將會有更強的適用性和功能性，對智能車庫系統(tǒng)的設(shè)計具有良好的參考價值。