一种低成本城市停车诱导系统中区域性Zigbee网络的设计

周 鹏，覃光勇，戴永寿

（中国石油大学（华东）山东 青岛 266580）

停车诱导系统是一种以多级信息发布为载体，可实时地提供停车场的位置、车位数、车位状态等信息，指引驾驶员有效停车的信息系统[1]。根据覆盖范围的大小，停车诱导系统一般又可分为城市级和停车场级两种。为节约城市级停车诱导系统的建设及运营成本，本文提出一种无需建立管理控制中心的系统架构。在此基础上，本文重点研究所提架构中的重要组成部分——区域性Zigbee网络的硬件及软件设计。

1 研究现状

停车诱导系统是一种用于缓解城市中停车难现象的智能交通系统[2]。国外最早出现于1971年的德国亚琛市，近40年的发展效果显著。我国的建设兴起于2001年，近10多年的发展也取得了不错的效果。经分析后发现，国内外的各种系统虽各有特点，但它们的系统结构和工作原理基本相似，均大致由数据采集、数据传输、中央管理和数据发布4个部分组成。因此，均需建设和维护一个城市级的管理控制中心，运营部门也需要长期缴纳数据采集和数据发布两部分与管理控制中心间的通信费用，导致系统的建设和后期运营的成本较高。

2 系统总体架构

通过在城市的每一个室内停车场、每一个室外停车场和每一块路边停车区域分别部署一个“区域性”的Zigbee网络，并与停车用户的智能手机相配合，即可完成在整个城市中实现停车诱导的功能。在上述架构中，无需建设一个城市级的管理控制中心，从而可大大节约系统的建设与后期运营成本。所设计的系统架构如图1所示，其大致工作流程为：

1）每个Zigbee网络的所有终端结点定期采集所连接的传感器传来的车位状态信息。

2）若采集到的车位状态与上次状态不同，则将当前车位状态发送给相邻的路由器结点，并等待协调器结点的反馈。若超过一定时间未收到反馈则重发，直至收到反馈。

3）各路由器结点把所收到的终端结点的数据都转发给协调器结点。

4）协调器结点收到车位状态变化的消息后，给终端结点发送反馈，并更新数据库。

5）当汽车行驶至某地时，用户触发智能手机提出寻找车位的请求，事先安装好的智能手机软件根据车辆当前位置运行停车场寻优算法确定最优的停车场（或路边停车区域）。

6）智能手机软件与最优停车场（或路边停车区域）的协调器结点通信，协调器结点查询当前的车位状态数据库。若无空闲车位，将所有车位已满的信息反馈给智能手机软件；否则，系统运行停车位寻优算法[3-4]确定最优的停车位。

7）确定最优停车位后，智能手机软件先将车辆引导至目的停车场（或路边停车区域）。再继续将车辆引导至目的停车位。

图1 一种低成本城市级停车诱导系统的总体结构图Fig.1 Structure diagram of a low-cost urban parking guidance information system

3 区域性Zigbee网络的硬件设计

区域性Zigbee网络由协调器、路由器、终端三类结点构成。终端结点负责定时采集车位状态并将车位状态变化的信息发送出去；路由器结点负责转发车位状态变化信息；协调器结点的任务包括：接收车位状态变化信息并更新数据库，接收用户通过智能手机发出的停车请求，查询数据库中的车位状态，运行停车位寻优算法，向用户反馈最佳车位信息等。

在协调器结点中，需要以下主要器件：1）一块嵌入式控制器芯片，用于管理嵌入式数据库；2）一块Zigbee通信芯片，用于与路由器结点通信；3）一块GPRS模块，用于与用户智能手机进行通信。

嵌入式控制器选用恩智浦公司的LPC11C14芯片。该芯片采用Cortex-M0内核处理器，工作频率最高可达50 MHz。在存储器方面，配置了32kB FLASH和8KB SRAM；在接口方面，配置有一个串口、一个2通道10位ADC、两个SPI接口、一个I2C接口、一个SWD接口等。

Zigbee通信芯片选用TI公司的CC2530。该芯片适用于2.4 GHz IEEE 802.15.4和Zigbee等应用[5]。芯片内部包括射频收发器、可编程闪存、增强型8051MCU、8KB RAM等。由于从休眠模式转换到工作模式的耗时非常短，所以该芯片特别适合低功耗应用[6]。

由于LPC11C14芯片内部不含EEPROM，为实现车位状态数据在嵌入式数据库中的存储，通过I2C接口外接AT24C02芯片。LPC11C14与CC2530间的通信设计为利用串口进行通信。因为LPC11C14只有一个串口资源，为实现LPC11C14与GPRS模块的串行通信，采用SPI转串口芯片MAX3100进行转换。

GPRS模块采用通用模块SIM_300S。LPC11C14板的电源芯片采用MIC5209，CC2530板的电源芯片采用HT7533。协调器结点的总体硬件框图如图2所示。

图2 协调器结点硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of the coordinator node

终端结点和路由器结点的硬件框图与协调器结点中CC2530的框图非常类似。区别主要是终端结点中连接有车位检测传感器，此外终端结点和路由器结点采用锂电池供电。

4 区域性Zigbee网络的软件设计

协调器结点中LPC11C14的主程序流程图如图3所示。上电后首先完成初始化。若接收到CC2530发送的车位状态变化信息，给CC2530发送反馈，随即更新数据库。若接收到停车请求，则根据数据库中的车位当前状态，判断有无空闲车位。若有空闲车位，运行停车位寻优算法，确定最优停车位。之后，通过GPRS模块向用户反馈结果。

协调器结点中CC2530的主程序流程图如图4所示。初始化后，首先判断是否收到车位状态变化消息。若未收到，进入休眠状态；若收到，则从休眠状态回到正常状态。接下来，为防止车位状态存储到数据库前丢失，需在CC2530内部的Flash存储器中临时存放。之后，通过路由器结点给终端结点发送反馈。最后，把车位变化信息发送给LPC11C14并等待反馈。若在规定的时间内没有收到反馈，则重发；若收到反馈，则进入休眠状态。

图3 LPC11C14的主程序流程图Fig.3 Flow chart of the LPC11C14’s main program

图4 协调器CC2530的主程序流程图Fig.4 Flow chart of the CC2530’s main program

终端结点的主程序流程图如图5所示。初始化后对车位检测传感器进行数据采集，得到的数据经过CC2530自带的A/D模块进行AD转换，然后以循环覆盖的方式存入CC3530内部的FLASH。之后，判断当前状态与上一个状态是否相同。若车位状态发生变化，由Zigbee射频模块通过路由器结点向协调器结点发送数据，并等待协调器结点的反馈。若在规定的时间内没有收协调器结点的反馈，则重发数据；若收到反馈，则开启定时中断后进入休眠状态。接下来等待定时中断唤醒，进行下一次的数据采集。

路由器结点的主程序流程图如图6所示，若接收到终端结点发送的车位状态变化信息，则产生外部中断，从休眠状态回到正常状态。然后以循环覆盖的方式存入CC3530内部的FLASH。接着将车位状态变化的信息发送给协调器结点，并等待协调器结点的反馈。若在规定的时间内没有收到反馈，则进行重发；否则，向终端结点转发协调器结点发送的反馈，之后进入休眠状态，等待外部中断唤醒。

图5 终端结点的主程序流程图Fig.5 Flow chart of the terminal node’s main program

图6 路由器结点的主程序流程图Fig.6 Flow chart of the router node’s main program

5 实物展示及模拟运行结果

图7为所开发出的测试系统的实物展示图。在图7的中上部，左边是协调器结点的LPC11C14板，右边是协调器结点的CC2530板。在LPC11C14板中，左边带有天线的部分是商品化的GPRS模块。在CC2530板中，中上部带有天线的部分是商品化的Zigbee射频模块。由于这两部分的频率均处于微波频段，因此为保证可靠性采用商品化的成熟模块。在图7的中下部，左边是路由器结点，右边是终端结点。为保证测试效果，这两个结点在测试时均采用的是商品化的Zigbee模块，测试通过后可将底板替换为自己开发的底板（即：目前协调器结点中CC2530板所用的底板）。

图7 测试系统的实物展示图Fig.7 Photograph of the developed test system

为测试区域性Zigbee网络软、硬件设计的有效性，事先在LPC11C14板的嵌入式数据库中存入如表1所示的测试数据。之后，利用手机发送短信向LPC11C14板的GPRS模块提出停车请求。接下来，LPC11C14运行停车位寻优算法。根据表1中的数据，经计算后得出结论：005号车位最佳。然后，LPC11C14的GPRS模块向手机回复短信。短信的发送和接收界面如图8所示。根据计时结果，从触发短信发送按钮到收到反馈的时间不超过10秒。

图8 手机发送和接收短信的显示界面Fig.8 Photograph of the short messages displayed on the mobile phone

表1 LPC11C14板嵌入式数据库中存入的测试数据Tab.1 Test data stored in embedded database running on circuit board with LPC11C14 as core chip

6 结论

以嵌入式芯片LPC11C14和Zigbee通信芯片CC2530为主要部件，设计了一套用于停车诱导的区域性Zigbee网络的硬件电路，同时开发了协调器、路由器和终端三类节点的控制和通信程序。测试实验表明，所设计的Zigbee网络可准确接收用户的停车请求，并能及时反馈最佳车位信息，从用户请求到收到反馈的时间不超过10 s。

[1]傅盈.城市停车诱导系统设计与管理研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

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[3]季彦婕,王炜,邓卫.停车场内部泊车行为特性分析及最优泊位选择模型[J].东南大学学报：自然科学版,2009,39(2):399-403.JI Yan-jie,WANG Wei,DENG Wei.Inside the parking lot parking behavior characteristics analysis and selection of the optimal berth model [J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition,2009,39(2):399-403.

[4]刘智,端木京顺,王强,等.基于熵权多目标决策的方案评估方法研究 [J].数学的实践与认识,2006,35(10):114-119.LIU Zhi,DUANMU Jing-shun,WANG Qiang,et al.The multi-objective decision based on entropy weight scheme evaluation method research [J]. The Practice and Understanding of Mathematics,2006,35(10):114-119.

[5]王风.基于CC2530的Zigbee无线传感器网络的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学,2012.

[6]李季黄.Zigbee无线传感器网络节点的设计与应用 [D].武汉:华中科技大学,2012.