基于ZigBee无线通信的智能停车诱导系统设计研究

刘远仲，张强，杨嘉，李和霖，邱拓

（南充职业技术学院，四川南充，637131）

0 引言

近年来，随着国家经济繁荣发展，拥有私家车已成为民众一件很普通的事，这也使得城市汽车保有量大幅提升。开车出门虽然方便了人们的出行，但在城市停车难却一直是让车主们头痛的事，尽管很多城市建立了一定数量的停车场，但仍然不够用。究其原因分析可发现有以下几个主要原因，一是大部分停车场处于人工管理状态，管理效率低；二是车主想停车时不清楚该停车场是否还有空余车位，车位使用率低；三是车主进入停车场停车时全凭自己感觉找车位，停车耗费时间长、效率低，所以设计一个停车诱导系统来提升停车场管理效率，减少停车耗费时间，满足车主们快捷、舒适停车，十分有必要。本文结合ZigBee无线通信技术优势，研究设计了一个智能停车诱导系统用于停车场高效、智能化的管理。

1 系统总体设计

智能停车诱导系统以ZigBee无线通信技术为基础组建通信网，以嵌入式芯片STM32F407为控制核心来处理各采集器的终端数据信息。系统主要由停车场车位信息发布、车辆数据采集，终端无线信号传输与处理、停车诱导等几部分构成，停车诱导系统组成框图如图1所示。工作原理：当停车场有空余车位时将通过信息公告牌向外发布信息，车主进入停车场入口，数据采集系统采集车辆信息并做好记录，采集到的数据通过ZigBee节点传输到嵌入式系统进行信号分析、处理，最后由上位机软件调动监控显示功能发送停车诱导信息至显示屏，并以距离最短、停车最方便的方式引导车主完成停车。

图1 智能停车诱导系统组成框图

2 系统硬件设计

■2.1 ZigBee组网技术

ZigBee无线通信技术以IEEE802 15 4协议栈为标准，使用频段为2 4GHz，数据传输速率约250Kbps，有效组网距离为100~2000米，且支持点对点、星型、链状以及网状等多种组网形式，它具有成本低、功耗低、多节点和网络性能稳定等特征。ZigBee无线通信网络组建包含的主要设备有路由器，协调器和多个终端设备，建网过程可分为，一是以协调器为中心建立无线通信网络，二是节点申请加入控制网络进行通信。系统上电后，其中的网络协调器会选择一个最优通信信道建立网络标识PAN ID，成立通信网络，并允许终端节点设备入网，当节点申请加入通信网时可通过两种方式入网，一是直接通过协调器加入网络，二是通过父节点入网。当节点首先扫描周围的ZigBee网络，找到网络协调器或父节点后向其发送入网请求，如果被批准网络将为其分配一个16位网络短地址代表入网成功，此后数据将通过此通道进行数据传输通信。ZigBee网络结构类型主要有星型，树族型，网状型，本系统考虑到停车场低功耗的需要，采用树族型网络结构，树族型网络布局结构图如图2所示。布点时为防止父节点传输数据压力过大，我们以黑点为中心作为无线区域接收数据装置，然后选择合适位置布置中继路由器延长信号的传输距离，为了提升网络抗干扰能力，节点布置时单个路由子节点数量控制在16个以内。

图2 ZigBee组网拓扑结构

■2.2 车位定位数据采集设计

电路设计中数据采集系统使用芯片CC2431作为ZigBee通信网络采集数据的核心。CC2431是一个具有低功耗、高速数据收发处理、内核为增强型8051的微控制芯片，它可以实现非常低的材料成本建立强大的ZigBee网络节点，系统采用RSSI(Received Signal Strength Indication)技术来检测与定位空余车位位置，当ZigBee完成组网后，通过计算节点RSSI均值来确认车位所在确定位置，完成空余车位精准定位，进行最佳路径提示规划。无线网络芯片的外部接口主要包含接收串行数据接口RXD，发送串行数据接口TXD，复位信号RST，主机输出从机输入接口MOSI与主机输入从机输出接口MISO，组和序列CSN等主要接口。终端节点与主机通信采用标准的I2C总线协议和串口通讯技术将采集到的数据发送到主微控制器。CC2431的ZigBee无线网络系统电路设计图如图3所示。

图3 ZigBee无线网络节点原理图

■2.3 STM32信号处理设计

在物联网控制系统中，信息处理技术是整个ZigBee无线通信网络系统中最为关键的技术。STM32F407是一款性价比高、资料丰富、功能强大的嵌入式信号处理芯片，因此本系统采用STM32F407作为信息处理的核心，它在系统中承担了系统感知层的大脑，工作原理可简述为，主控芯片首先把各个节点感知到的数据搜集起来统一分析，然后向各个节点或相关设备发送数据，最后让每个终端部分按规定要求动作。实际运行时，STM32F407将ZigBee节点采集到车辆牌照与空余车位等信息收集处理分析，然后向显示屏发出剩余车位信息和最佳停车路径显示，完成引导车主快捷、方便停车。STM32F407工作时的外围电路设计，主要包含有芯片测试JTAG接口设计，复位电路设计，时钟芯片设计，FLASH闪存结构设计，电源电路设计，晶振设计等。系统主控芯片电路设计图如图4所示。

图4 系统主控芯片电路设计

3 系统软件设计

停车诱导系统的软件设计部分主要包含了下位机软件设计和上位机软件设计。下位机软件设计主要实现无线传感网络数据的收发，完成终端节点数据的采集与转换；上位机软件设计主要服务于嵌入式信号处理，完成远程节点传送过来的数据计算分析和处理，通过显示屏提示车主高效、快捷停车，完成停车诱导功能。

■3.1 下位机软件设计

本系统下位机软件设计流程如图5所示。

图5 ZigBee无线网络车位信息检测流程图

下位机软件工作流程为，首先启动停车场的车位检测点ZigBee终端设备，终端设备上电后初始化协议栈，为组建无线通信网络做好准备，协调器组建ZigBee网络，等待各终端节点加入，协调器判断是否有节点加入，当有节点加入时则允许终端节点加入并分配PAN ID通道，当没有时则判断是否有数据传入，节点加入后随即检查是否与数据传入，当有数据传入时便通过数据库系统储存每个节点位的数据，建立好停车场车位详细信息数据库系统，如果没有数据则返回到节点请求加入处继续监测节点数据的加入，循环监测停车场车位数据的变化，当有车位已停车或不能使用时终端则发送新信息到协调器及时更新数据系统。

■3.2 无线通信数据格式

当ZigBee终端需要向主机发送信息必须设定好数据通信编码格式。停车场终端向数据返回数据为了保持准确，数据通信传输码格式为，数据首先发送引导码，确认是哪个终端在发送数据，然后传送字符的类型，说明是字符型还是整型类别，继续发送数据长度标识表明数据长度为8/10/12bit，接着发送车位标识表明是哪个车位的详细信息，继续发送车位目前的状态，在这里我们将车位的状态主要归纳为5个类别，1表示车位已停车，2表示车位空置，3表示终端电量低，4表示终端已掉线，5表示设备出现故障需检查。紧接着发送的是我们数据的校验位与结束标志。无线数据通信编码格式如表1所示。

表1 无线网络通信数据编码格式

■3.3 上位机软件设计

上位机软件处理中心为具有跟踪监控服务的计算机，采用具有强大的数据处理与存储的SQL2012软件，开发语言使用VC++6 0开发，上位机软件开发主要围绕数据库处理模块，无线通信模块，显示诱导功能模块来编写主控程序，网络通信采用标准的RS232接口连接主机。软件工作流程为，数据中心储存好停车场所有车位信息数据，建立好数据库，当有车主进入车场需要使用车位时，主控芯片将接收到车位ZigBee节点发送过来的详细信息，进行计算分析处理后送LED显示中心提示车主车位信息、最佳停车路径等信息，完成诱导停车。

4 结束语

系统采用基于ZigBee的无线通信方式管理停车场，克服了有线通信方式需要布线，安装复杂等缺陷，大大提升了停车场管理的环境适应性。随着现在智能手机的普及，系统还可以通过直接开发的智能停车APP软件导入停车场相关数据，方便了人们对停车场的远程监控、操作和管理。当城市交通系统需要采集车位或车辆信息时也可通过socket接口下载或上传数据到数据库查找信息，对城市发展智能交通也具有十分重要的参考意义。