基于ZigBee网络的停车场管理系统

摘要：在大型停车场如何快速停车是管理者与停车者之间存在的最大的难题。为了解决这个困扰社会管理的难题，文中提出了一种基于ZigBee与S3C2440的大型停车场管理系统解决方案。该系统采用CC2430和超声波传感器采集与传输停车场车位信息，并用S3C2440和MFRC522模块解决停车场收费问题，用LED点阵屏实时显示停车场车位信息以及引导停车者快速停车。整个系统能够智能地管理与引导停车者快速停车。
关键词：ZigBee；停车场管理；嵌入式；无线传感网

0 引言
    随着我国城市现代化、国际化的发展，城市居民汽车拥有量急剧增加，车辆的管理控制也显得越发重要。在拥挤的市区里，汽车与停车位之间的矛盾越来越突出。对于各类停车场控制管理也有着更高的要求，不仅要求可以实现对车辆的收费和停泊管理，而且要求车辆进出都可以快速进行，缩短停车时在出入口的平均逗留时间，提高停车效率。为了提高停车场的信息化、智能化管理水平，给车主提供一种更加安全、舒适、方便、快捷和开放的环境，实现停车场运行的高效化、节能化、环保化，本文设计了一套基于ZigBee网络的停车场管理系统。

1 系统硬件设计
    当停车者根据点阵屏上显示的车位信息进入停车场时，按键，射频卡自动弹出，内部自动进行第一次刷卡，系统记住刷卡时间。车位信息由ZigBee系统采集与传输。终端节点将采集到的车位信息通过路由器发送给协调器，协调器处理之后，通过串口发送给LED点阵控制器，最终LED控制器控制点阵显示停车场车位信息。当司机离开停车场时再次刷卡，系统通过两次刷卡的时间差与标准计费对比进行收费。
    本系统主要由三部分组成：第一部分是无线传感网络，它由ZigBee协调器、路由器以及带有超声波传感器的终端节点组成；第二部分是射频计费，由S3C2440和MFRC522射频模块组成；第三部分是信息显示系统，由AVR单片机和点阵显示屏组成。图1所示是系统的设计结构图。
    ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW。在通信状态下，ZigBee终端耗电为几十毫瓦；在省电模式下，耗电仅仅几十微瓦。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。在本设计中，终端节点采用中断唤醒睡眠模式。当超声波传感器的电平不发生变化时，CC2430处于休眠模式；当超声波传感器的电平跳变时，51单片机发信号唤醒CC2430工作。这样，本设计在功耗方面可以降到最低，这也是本设计采用ZigBee网络的主要理由。

    ZigBee无线网络是本设计的主要部分。整个系统通过ZigBee无线网络采集与无线传输超声波传感器实时对车位是否被车辆占用发送监测信息。最后由协调器发往监控中心，在LED点阵显示屏显示车位剩余信息以及空车位所在的具体位置。理论上每个ZigBee协调器可容纳65 000多个节点，而且随着停车场大型化趋势的发展，可以通过增加路由器对大型停车场的节点进行分区管理，一个协调器放在监控中心对几个分区进行监控。
    本设计中的终端节点由CC2430模块、超声波传感器与51单片机组成。超声波传感器的发送和接收端与51单片机的P1．0和P3．2相连，51单片机信息输出端再与CC2430模块的中断接口相连。图2所示是终端节点的连线图。

    将终端节点放置在停车场车位下部。超声波传感器在未检测到障碍物时，输出端发送的是连续的高电平；检测到障碍物时，输出端发送低电平；当检测到障碍物稳定时，超声波传感器持续输出低电平。由于一般轿车底盘是20～50 cm，可以在软件程序里设置超声波传感器的检测距离来判断车位是否有汽车存在。超声波传感器实时工作，当输出端有电平跳变时触发51单片机，当电平跳变到一个值趋于稳定时，说明该车位的车位信息就会变化，51单片机将信息发送给CC2430。终端节点通过以上过程采集车位信息，终端节点采集到的车位信息通过路由器传给协调器。协调器把采集到的车位信息进行分析与处理，发送给点阵显示屏的控制器。协调器通过串口与点阵显示屏的控制器相连。点阵屏将车位信息实时显示，以文字与标号结合的方式为停车者提供参考。
    射频计费部分采用的是S3C2440和MFRC522模块组成的刷卡计费器。主控芯片使用S3C2440处理器，它是一款32位的高速处理器，能够实现数据的快速处理与传输。它主要有以下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；大量使用寄存器，指令执行速度更快；寻址方式灵活简单，执行效率高。本设计选用非接触型IC卡，即射频IC卡。射频IC卡避免了接触型IC卡与读卡器之间的物理接触，减少了卡的磨损，故本设计采用PHILIPS公司的Mifarel卡和本射频卡配套的MFRC522芯片。由于MFRC522兼容SPI的通信方式，本设计在S3C2440上模拟了SPI的接口供其与MFRC522通信，在SPI通信中MFRC522模块用作从机。SPI时钟SCK由主机产生。数据通过MOSI线从主机传输到从机；数据通过MISO线从MFRC 522发回到机。
    本设计采用AVR单片机控制LED点阵显示屏。因为AVR单片机处理指令的速度比其他单片机较快，抗干扰能力相对较强，作为点阵显示屏的控制器，可以显示比较好的效果，所以，本设计使用AVR ATmega16单片机为LED点阵控制器。点阵显示屏可以直观地将停车场的车位信息显示，为停车者提供参考，供停车者快速便捷地停车，节省大量时间。


2 系统软件设计
    ZigBee通信协议采用分层结构，节点通过在不同层上的特定服务来完成所要执行的各种任务。本设计采用TI公司提供的ZigBee 2006 Z—Stack协议栈，其在IEEE 802．1 5．4标准物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)基础上增加了网络层、应用层和安全服务规范，是一种较好的无线传感网络组建方案。ZigBee设备类型按网络功能分为三种：协调器、路由节点和终端节点。
    ZigBee网络是由协调器建立的，任何一个节点想建立一个网络必须满足两个条件：第一，节点是具有协调器功能的全功能设备(FFD)节点；第二，节点没有和其他网络连接，一个网络只允许有唯一一个协调器，如果此节点与其他网络连接，那么此节点只能作为该网络的子节点，而不能建立自己的网络。
    协调器是整个ZigBee网络的核心，它也是网络的第一个设备。它主要负责网络的建立、节点成员的加入、网络地址分配、网络链接表的更新、信息的收集与转发等。此外，在本设计中协调器通过串口与AVR单片机模块进行通信，因此需要在协议栈中编写ZigBee串口应用程序。图3为ZigBee无线网络搭建流程图。

    ZigBee路由节点在本设计中主要实现路由传输终端节点数据信息功能，所以程序设计相比协调器和终端节点较简单。
    终端节点主要负责车位信息采集与发送。终端节点实时采集各个传感器的输出车位信息，并将车位信息通过无线网络发送给协调器；同时也实时准备接收协调器发送的控制命令，收到控制命令执行相应的操作。所以终端节点的软件设计主要包括无线网络的加入、传感器数据采集、无线数据的发送和接收。
    本设计中分配给每个终端节点不同的物理地址，将物理地址作为判断该终端节点所在的车位是否有汽车的依据。当车位被占时，将该车位终端节点的物理地址的后两位"XX"(XX代表每个终端节点的物理地址的后两位)发送到协调器；当车位空时，车位终端节点发送"00"到协调器。协调器将收到的车位信息通过串口发送到单片机，存储到单片机的串口存储缓冲器中，点阵显示判断程序通过判断存储缓冲器的数据，进行相应的车位信息显示。

3 实验结果
    终端节点是由CC2430、51单片机和超声波传感器为一体的采集节点组成的。由于一般的轿车底盘是20～50 cm，通过在程序里设置超声波传感器的检测距离来检测车位是否有车。当车位被占时，超声波传感器采集到低电平发送给CC2430；当车位空着时，超声波传感器采集到高电平发送给CC2430。系统通过电平差来判断车位是否有车的存在。本设计中车位1的终端节点的后两位的物理地址为20，车位2的终端节点的后两位的物理地址为40。由于采用两个终端节点，每次两个节点的车位信息一起发送，即四位一起。图4所示是两个节点发送车位占满与全空的示意图。当终端节点采集到车位1和车位2都被占时发送"2040"；当终端节点采集到两车位都空着的信息时，协调器发送"0000"。

    图5所示是车位有一个被占时的界面示意图。当终端节点采集到车位2空着，车位1被占时发送"2000"；当终端节点采集到车位1空着，车位2被占时发送"0040"。

4 结语
    本设计综合了ZigBee无线网络的优点，设计了一套基于ZigBee无线网络的停车场管理系统，该系统能够准确地判断车位信息，并用LED点阵屏显示位信息，以引导停车者快速、便捷地停车。本设计能够有效地克服大型停车场布线难的问题，同时节省成本，同时，ZigBee通过功放可在低功耗的条件下实现1 000 m以上的通信距离，在停车场中基本可实现全覆盖。但是，本设计还有一些不足，比如超声波传感器的能耗问题，还有加入更多的终端节点该怎么判断等问题。因此，以后还需要进一步研究，以让本设计更充分体现它的价值作用。