基于ZigBee技术的智能停车场管理系统设计
2014-05-30郑立玲谢锡锋
郑立玲 谢锡锋
摘要：基于ZigBee无线技术，设计了一种智能停车场引导管理系统，旨在加速用户找位泊车，提高停车场管理效率。选用ZigBee网状网作为通信网络，利用HC-SR04型超声波传感器和CC2430射频模块组成无线网络车位信息采集节点，基于最短路径算法提出了最优泊位模型，采用LED点阵显示完成信息显示和引导功能。
关键词：智能停车场；引导管理；ZigBee；超声波传感器
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）08-1790-03
隨着社会经济的发展，人民生活水平不断提高，越来越多的汽车走进平常百姓家，汽车市场的异常繁荣引发了停车难题，当前落后的停车场管理方式方法难以满足日益增长的车辆停放需求，日趋严重的“泊车难”问题成为城市交通中棘手问题，已经成为制约城市经济健康发展的“瓶颈”。如何充分利用有限的停车场车位资源来最大程度满足车辆的停车泊车需求，成了当前社会急需解决的问题，因此，对智能停车场管理进行深入研究并提出切实可行的解决方案具有重大意义。
1 总体设计方案
智能停车场系统总体设计方案如图1所示，主要由车位信息检测、无线传感网络、引导机制、信息发布等各模块组成，系统根据当前整个停车场车位占用状况为用户分配最优泊位，基于无线传感网络启动停车场内部引导显示牌，以方便用户泊车停至最优泊位。
整个智能停车场系统涉及到的模块有车位信息采集节点、区域控制器、入口主显示屏、引导显示屏、中央控制器等，各组成部分功能如下。
1） 车位采集节点：车位信息采集节点由超声波传感器和ZigBee模块构成，主要负责车位信息的实时采集，并通过ZigBee网络通信到中央控制器。
2）区域控制器：区域控制器主要负责停车场指定区域的车位信息管理，包括空位数以及空位号统计，将本区域的统计信息发送给中央控制器处理。
3）入口主显示屏：入口主显示屏安装在停车场入口处，受中央控制器无线控制，主要负责显示整个停车场空位占用情况、当前最佳车位、欢迎词等信息。
4）引导显示屏：引导显示屏安装在停车场内部十字交叉路口处，受中央控制器无线控制，主要起引导作用，显示用户车牌号和引导箭头，负责将用户车辆引导至系统计算出来的最佳车位上。
5）中央控制器：中央控制器负责处理区域控制器传过来的信息，统计整个停车场车位剩余总量并无线发送给车位信息显示屏显示，存储空位号并计算最佳车位分配给当前用户，并发送控制信息给引导显示屏，点亮引导显示屏显示当前用户车牌号和引导箭头。
2 车位信息采集节点设计
车位信息采集节点处在整个引导系统的最底层，负责将所有车位状态信息采集发送给区域处理器，采集效果的好坏关乎整个引导系统是否正常运转。采集节点由超声波传感器设备和ZigBee无线射频模块组成，根据系统需求采用性价比较高的HC-SR04型超声波传感器进行测距和CC2430射频模块进行传输。
2.1 HC-SR04型超声波传感器
HC-SR04型超声波传感器可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm，其内部已经集成了一个STC单片机用于控制超声波的产生和回波的检测，发射头处的MAX232芯片主要起功率放大的作用，该模块包括超声波发射、接收与控制电路。
HC-SR04型超声波传感器的工作原理简述如下：
1） HC-SR04型超声波传感器采用IO口TRIG触发测距，首先给触发信号输入引脚一个12us的TTL（脉冲触发）信号，传感器启动工作，该模块内部自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。
2）利用外中断0检测返回超声波信号，一旦检测到回波信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，回响输出引脚ECHO将输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
3）利用单片机编程捕捉ECHO引脚高电平持续的时间，并用公式[L=C×t/2]即可计算出距离，式中L为测量的距离长度，C为超声波在空气中的传播速度，t为测量距离传播的时间差（为发射到接收时间数值），由于超声波的传播速度受空气的密度所影响，而温度会影响空气的密度，因此，需要对传输速度进行修正，其修改公式为：C=C0+0.607×T℃，式中C0为零度时的声波速度332m/s，利用DS18B20温度传感器可以得到环境温度，补偿温度对声速的影响。
4）为了防止余波被接收头接收误判，两次测距时间间隔最少在60ms以上，通过定时器T0中断中发送超声波，超声波发送后延时一段时间后返回。
2.2 ZigBee无线传感网
智能停车场是一个庞大而复杂的系统，车位信息采集要求实时性好、抗干扰能力强，网络节点众多，因此要求所使用的网络具有低功耗、低成本、抗干扰能力强、高容量等特点，而ZigBee技术的特点使它与无线传感器网络完美地结合在一起，使得其性能正能满足智能停车场这方面的需求，本系统通信网络选用ZigBee无线传感网。
无线模块采用的无线收发器是CC2430，CC2430是TI公司（德州仪器）生产的一款专用于Zigbee协议通信和IEEE 802.15.4的片上系统解决方案，它结合一个高性能2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一个工业级小巧的8051控制器，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、4个定时器（16位Timer1、MAC定时器（Timer2），8位Timer3和Timer4）、一个DMA控制器、上电复位电路（Power On Reset）、32KHz晶振的休眠模式定时器、协同处理器、掉电检测电路（Brown out detection）、看门狗定时器（Watchdog timer），具有21个可编程的I/O口引脚， P2端口只有5个引脚，P0、P1端口是全的8位的。通过软件配置相关SFR特殊功能寄存器，可使引脚作为通用输入输出引脚、片内外设使用引脚或外部中断使用引脚。CC2430芯片采用0.18[μm]CMOS工艺生产，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。本系统的设计中应用的CC2430就是在IAR Embedded Workbench for MCS-51集成开发环境里进行开发，Zigbee网络节点软件系统采用的协议栈为TI的ZStack-2.3.0-1.4.0，通过更改协议栈的配置，可以把协议栈配置为协调器（Coordinator）、终端（Enddevice），整个协议栈采用中断事件调用机制，任务添加函数osalTaskAdd（）将各层初始化函数指针、各层事件处理函数指针以及各层任务优先级添加到任务表，然后通过中断添加响应事件（events）。超声波车位信息采集节点程序流程图如图2所示。
1）对CC2430初始化，完成后各模块向Zigbee协调器发送包含其物理地址的信号数据包，等待协调器为其分发网络地址，节点加入星型网络中，Zigbee协调器收到各完成初始化的CC2430模块发送的信号后，跟据星型网的组网规则，为其分配网络地址，将他们组成一个星型网络。
2）网络组建好后，各CC2430模块进入待命状态，CC2430的P1.4引脚产生一个10 左右的脉冲信号触发HC-SR04超声波传感器开始工作，产生8个40KHz的脉冲信号。
3）反复检测CC2430的P1.1引脚是否变为高电平，即是否有回波返回，如果检测到回波返回，则开启定时器0记录高电平持续的时间。
4）将定时器0的定时值t取出，利用公式[L=C×t/2]计算车身上表面距离超声波传感器探头的距离。
5）设定一个距离值，此距离值为车位上最矮的一辆车到达超声波探头的距离，通常设置2m左右，若测量距离小于设定值，则该车位被占用，若测量距离大于设定值，则车位空闲。
6）待協调器收到CC2430模块回传的数据之后，将数据进行相应的打包之后，数据通过串口USART进入CC2430的DATA内存区，然后再使用DMA传输方式将内存区中的数据传送到Radio的先进先出缓存器TXFIFO，在TXFIFO中经过一系列的硬件处理，最后通过天线向发射无线信号。
3 最优泊位算法
最优泊位模型描述为：
[min（d1，d2，...，dn）]
[di=path（I，pi）+path（pi，O）+δi（i=1，2，...，n）]
其中，[di]用于描述[pi]车位优越性模型，I为停车场入口，O为出口， [pi（i=1，2，...，n）]为车位，车位[pi]到入口I的最短路径距离为 [path（I，pi）]，出口O到车位[pi]的最短路径距离为[path（pi，O）]，车位[pi]距离附近最近一个监控器的距离为[σi（i=1，2...，n）]。[di]越小，则车位越优越，在系统自动分配的过程中就越先被分配，最优泊位模型用于综合性评价车位的好坏，使行驶距离、步行距离、安全性三者得到很好的协调。
经典的最短路径算法有Dijkstra算法、Floyd算法、Bellman-Ford-Moore算法、启发式搜索（Heuristic Search）算法、[A*]算法等等，系统采用Dijkstra算法，Dijkstra算法是典型最短路算法，其是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止，主要用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径，算法具体步骤：
1）初始化时，[S]只包含源点，令[S={v0}]，[T]={其余顶点}，设[d（v0，vi）]为弧[
2）从[T]中选取一个其距离[v0]值为最小的顶点[w]且不在[S]中，加入[S]（该选定的距离就是[v0]到[w]的最短路径长度）；
3）对[T]中顶点的距离值进行修改，若加进[w]作中间顶点，从[v0]到[vi]的距离值比不加[w]的路径要短，则修改此距离值；
重复上述步骤2、3，直到S中包含所有顶点，即[S=T]为止。
4 结束语
基于ZigBee无线传感网设计了智能停车场引导系统的总体构架，介绍了智能停车场引导系统的车位信息采集、无线通信网络两个子系统，采用Dijkstra算法对最优泊位模型进行了求解，确定最佳的路径，对今后智能停车场的建设具有一定的参考价值。
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