基于物联网技术的停车场定位系统设计*

2014-03-21曹永健钱承山许强胡二猛

电子技术应用 2014年6期

曹永健，钱承山，许强，胡二猛

（南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京210044）

目前，随着国家经济的增长和人民生活水平的提高，汽车产业高速发展，城市的汽车拥有量急剧增加，然而城市停车场的问题也越来越严重，用户停车难的问题普遍存在。停车场变得越来越大，但停车位的查找也变得越来越难，一些用户由于不知道自己在场内的定位情况而浪费大量的停车时间，甚至会造成场内交通拥堵。大型停车场需要人工来引导车辆停放，增加了停车场的人工成本。同时存在停车场内的车位利用率低下等现象。这些问题都使得停车场管理繁琐，无法优化车位资源配置。

物联网技术近年来在高速地发展[1]，而物联网的无线技术也得到了越来越多的运用，本设计使用的ZigBee是一种新兴的介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，具有低速率、低功耗、低成本等无线网络技术特点[2]。ZigBee无线技术正逐渐成为无线传感网络技术的首选，在网络范围中，其组网方式灵活，传感器之间所需能量很少，无线通信效率相当高[3]，现已大量应用于嵌入式技术、工业监测、自动控制等领域。

1 系统概述

本文提出了基于物联网技术的停车场定位系统。该系统包括上位机软件、ZigBee组网模块与定位终端，其具体功能与要求为：定位终端通过ZigBee无线通信数据处理进行定位，上位机对定位终端的位置信息进行数据处理，并对停车场内的用户进行定位显示及管理。ZigBee组网模块在系统中起着组网的作用，使终端能在场内定位[4]。车辆驶入停车场时，工作人员根据用户车辆的大小和场内停车位情况分配相关停车位并分发定位终端，用户能借此在场内定位、在终端显示模块显示自己的位置信息，进而实现高效率停车；而上位机则对该用户进行定时计费，上位机界面能显示该用户在场内的所在位置，进而实现停车场更有效的管理。这种方法能提高用户的停车效率，减少工作人员的工作量，成本低，并能重复利用。

2 系统设计

整个系统由PC、协调器、ZigBee参考节点、定位终端等组成。系统的总体结构框图如图1所示。其中参考节点分布于停车场4个角落，主要任务是提供一个相应终端位置坐标信息的参考数据包；终端通过ZigBee无线通信收集参考节点的位置坐标信息和信号强度值，然后处理数据得到终端位置信息，同时传送数据给协调器；协调器节点通过RS-232串口与PC相连；上位机软件采用Visual Studio 2010进行设计，对终端部分进行计时计费，同时显示停车场内终端的所在位置等。

图1 系统总体结构框图

2.1 系统硬件设计

本系统协调器和参考节点采用的是以TI公司的CC2430芯片为核心的模块，终端节点采用的是以CC2431芯片为核心的模块。CC2430/CC2431芯片的片上系统(SoC)是高集成度的解决方案，高性能处理能力使其足以满足ZigBee为基础的波段应用。它由2.4 GHz的射频收发器和工业标准的增强型8051MCU[5]集合而成，在应用时只需很少的外围电路和辅助器件，具有成本低、功耗低、抗噪声和抗高频干扰等特点。CC2431与CC2430在ZigBee无线网络定位系统中的功能是不一样的，CC2431模块具有内置的硬件定位引擎，具有定位功能，本系统中CC2430模块用作参考节点和协调器，而CC2431模块作为终端节点使用。基本应用电路如图2所示。

2.2 系统软件设计

2.2.1 协调器程序设计

整个系统的ZigBee网络是由协调器组织建立的，采用的是CC2430模块，在整个系统中具有组网、数据传输等作用。初始化包括各硬件初始化、系统时钟初始化、协议栈的初始化等。协调器组建网络成功后，等待上位机的命令，同时等待终端节点的加入。协调器与PC之间采用RS-232串口进行连接，其作为PC与ZigBee网络之间通信的媒介，一方面接收上位机传来的指令或数据，发送至各节点；另一方面接收各节点的数据，进而传至上位机进行数据处理。程序流程图如图3所示。

图2 CC2430/CC2431芯片基本应用电路

图3 协调器程序流程图

2.2.2 参考节点程序设计

参考节点采用CC2430模块，在系统中具有重要的作用，是布置在停车场4个角落的静态节点，坐标值提前设定好。系统中至少有3个参考节点，本系统中采用4个参考节点。参考节点在初始化加入网络后，写入配置信息，检测终端的请求信号。其主要任务是将检测到的RSSI值等数据发送至终端[6]。程序流程图如图4所示。

2.2.3 终端程序设计

图4 参考节点程序流程图

终端是系统的关键部分之一，采用的是CC2431模块，其程序流程图如图5所示。在初始化后，加入协调器建立的网络，通过检测上位机的位置查询命令来发送/接收RSSI信号，同时根据信号传播系数和信号强度等参数进行实时的定位计算显示。终端在停车场内时主要有两个任务：(1)监控上位机通过协调器传送的命令信号，并做相应的处理；(2)通过显示模块显示终端在停车场位置信息，并将自身的ID和定位等数据包发送至协调器，再传送至上位机。

图5 终端程序流程图

2.3 上位机软件设计

上位机软件主要实现信息配置和定位数据处理的功能，可以对停车场的地图、参考节点的坐标等信息进行配置更新，对终端传送过来的定位数据信息进行处理，进而在上位机界面上显示车辆终端部分的位置情况。上位机与协调器之间采用串口通信，波特率为38 400 b/s，8个数据位[7]。上位机与下位机的通信协议格式如表1、表2所示。

Visual Studio是Windows平台目前最流行的应用程序开发环境，上位机软件是基于Visual Studio 2010、使用C#语言开发的应用程序[8]。系统进行测试时，分别对停车场的地图、参考节点进行配置，如图6所示。当用户持终端进入场内时，工作人员对该终端进行配置，随后对终端进行实时的定位监测，能直接查询相关车辆并对其进行计时、计费等管理，定位实验如图7所示。实验结果表明，该系统设备能实时定位，精度可靠稳定，能正常工作。