引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展、汽車制造成本的持續(xù)下降以及國民可支配收入的日益提高，城市汽車擁有量急劇增加。為了充分利用有限的停車場資源來最大程度地滿足車輛停泊的需求，各種類型的停車場(例如機械式停車場、平面式停車場、智能立體停車場、遙控停車場等)不斷地涌現(xiàn)出來。傳統(tǒng)的停車場管理系統(tǒng)面對越來越大的停車場進行車輛進出管理、收費、車位查找等工作會變得越來越繁瑣復雜、費時費力，不僅管理效率低下，同時也存在一定的安全隱患。

隨著物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IOT)技術(shù)在最近幾年的飛速發(fā)展，基于無線傳感網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地應用到智能停車場管理系統(tǒng)中。本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能停車場管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用125kHz的激勵器來觸發(fā)載有2.4GHz高頻電子標簽以及語音播報模塊的車載單元,結(jié)合紅外線反射性傳感器和CC2530實現(xiàn)停車定位，同時利用ZigBee無線通信網(wǎng)絡作為主干網(wǎng)通信網(wǎng)絡，上傳車輛信息與下發(fā)停車誘導信息，以實現(xiàn)無障礙智能停車場管理，從而有效地降低了車載單元的功耗，也使停車場管理更加準確、便捷、高效。

1智能停車場系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

智能停車場系統(tǒng)主要需要解決以下幾個問題。第一,無障礙停車；第二，自動計算停車場內(nèi)的空閑停車位，并可視化顯示；第三，對進入停車場的車輛進行停車誘導，避免車輛在場內(nèi)無序流動，出現(xiàn)交通擁堵狀況；第四，自動對進出停車場的車輛進行收費；第五，自動分析停車場不同時期的車流量，指導優(yōu)化停車場管理與資源配置；第六，對停車場內(nèi)的車輛進行在位監(jiān)控。

現(xiàn)有的智能停車場系統(tǒng)主要以感應卡、IC卡或ID卡為載體，當車輛行駛到入口或出口時，將卡片靠近讀卡器，系統(tǒng)在獲取讀卡器上傳的持卡人信息后，按照預先寫好的程序?qū)囕v進行進出管理。這種方式可以實現(xiàn)停車場管理功能，但不能實現(xiàn)不停車收費，入口通行效率仍然較低，并且由于車輛進出時需要停車刷卡，駕駛?cè)藛T操作起來具有一定的難度，一旦沒有停好容易引發(fā)車輛刮擦事故。也有利用模式識別自動識別車牌，從而獲取車輛信息，進而實現(xiàn)停車場管理的停車場系統(tǒng),該方法不需要停車刷卡，減速即可進出停車場，但車牌識別的準確率會受到光照、天氣、車身污染程度等外在因素的影響,誤識別率較高。

針對目前智能停車場系統(tǒng)存在的弊端，本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能停車場系統(tǒng)方案，該方案利用125kHz激勵器來觸發(fā)載有2.4GHz高頻電子標簽以及語音播報模塊的車載單元，并結(jié)合紅外線反射性傳感器和CC2530實現(xiàn)停車定位，同時利用ZigBee無線通信網(wǎng)絡作為主干網(wǎng)通信網(wǎng)絡,以實現(xiàn)車輛和控制中心的交互，從而保證了系統(tǒng)的低功耗、高可靠性及實用性。

2智能停車場系統(tǒng)設計

本智能停車場系統(tǒng)主要由智能道閘、低頻喚醒模塊、ZigBee無線通信網(wǎng)絡、紅外線定位模塊以及控制中心服務器等幾個部分組成。其中低頻喚醒基站負責對進出車輛的車載單元進行喚醒，使其從休眠狀態(tài)進入工作狀態(tài)。而語音卡單元載有2.4GHz高頻射頻單元以及語音播報模塊，可以將車輛信息通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡上傳到控制中心服務器，同時語音播報停車誘導信息。ZigBee無線通信網(wǎng)絡作為整個系統(tǒng)的“信息高速公路”，主要實現(xiàn)車輛和控制中心的交互。本系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1智能停車場系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

系統(tǒng)的“信息高速公路”整個主干網(wǎng)由若干個主干網(wǎng)基站采用網(wǎng)狀ZigBee拓撲結(jié)構(gòu)組成，這些基站能夠自組網(wǎng)形成網(wǎng)絡,實現(xiàn)車輛和控制中心的信息交互，并具有路由功能。主干網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2主干網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖

為了增強主干網(wǎng)基站的處理能力，每個基站搭載一顆32位微處理器STM32F103RDT6作為整個電路控制和數(shù)據(jù)處理的主控芯片，同時還搭載3個支持ZigBee通信協(xié)議的CC2530作為數(shù)據(jù)通信芯片，采用異步串口通信方式(UART)實現(xiàn)MCU與RF的數(shù)據(jù)通信，根據(jù)各個電路模塊的電壓需求的不同選用2級穩(wěn)壓電源模式。圖3所示為其電路結(jié)構(gòu)簡圖。

系統(tǒng)中的射頻模塊CC2530以IEEE802.15.4標準為ZigBee通信協(xié)議，可支持2.4GHz工作頻段，其內(nèi)部集成了RF收發(fā)器、增強型8051CPU、可編程閃存等強大功能。此外,為了使主干網(wǎng)可以應用于多個物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)，主干網(wǎng)基站集成有多個RF芯片。由于CC2530的控制處理能力不是很強，系統(tǒng)中還嵌入了一個STM32F103RDT6作為電路的主控芯片。

2.1基于ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡

ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的通信技術(shù)。它是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡技術(shù)o要實現(xiàn)隨時隨地傳輸車輛信息與停車誘導信息,首先需要搭建覆蓋停車場范圍的ZigBee無線通信網(wǎng)絡來作為圖3主干網(wǎng)基站的電路結(jié)構(gòu)簡圖

2.2低頻喚醒模塊

低頻喚醒模塊用于車載單元與喚醒基站之間。為了省電，車載單元在遠離停車場范圍時處于休眠狀態(tài)，當車輛進入喚醒區(qū)域后，才被喚醒進入工作狀態(tài)。本系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)工作在2.4GHz超高頻段，而系統(tǒng)則采用一種125kHz的低頻激勵器來喚醒車載單元。

車載單元搭載有半主動式電子標簽(EM4100)、高頻RF模塊(CC2530)、感應線圈以及語音播報模塊。電子標簽采用EMMICROELECTRONIC公司的非接觸式識別設備EM4100,EM4100可支持100~150kHz的工作頻段，通過外部天線與作為閱讀器的喚醒基站通信，實現(xiàn)射頻信號的傳遞。天線采用Createmax公司的繞線天線CM-3D15N0600J,這是專門為123kHz和134kHz工作頻段設計的一種無匙門禁系統(tǒng)天線線圈。具有體積小(17.5mmX15.5mmX3.8mm),可工作在-40~+125°C,以及各向同性等特點。

采用EMMICROELECTRONIC公司的EM4095作為喚醒基站內(nèi)的閱讀器芯片時，主要應用于100~150kHz頻段的RFID系統(tǒng)，該閱讀器芯片與MCU的接口簡單，并且具有睡眠模式［沖。工作時，控制模塊將跳頻表、激勵器ID等信息以OOK調(diào)制方式調(diào)制在125kHz載波上形成激勵信號，并不間斷地向外發(fā)送，當有電子標簽進入其激勵區(qū)時即被喚醒。激勵器的設計原理圖如圖4所示。

圖4低頻激勵器設計原理圖

當車載單元進入喚醒基站的掃描范圍(5~7m)后，車載單元處于125kHz交變電磁場中，卡內(nèi)的EM4100將獲得能量驅(qū)動，并從被動態(tài)變?yōu)橹鲃討B(tài)?？ㄆ系母袘€圈與喚醒基站發(fā)出的電磁波以電感耦合的方式產(chǎn)生感應電流，從而激活車載單元上高頻RF模塊，以實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收發(fā)功能。

同時，系統(tǒng)選用了深圳思沃智能科技有限公司開發(fā)的思沃智能道閘，因而具有手控、遙控、防砸車自動落閘、停電自動解鎖等功能，并且可方便地與ZigBee無線通信網(wǎng)絡集成，使得控制中心可以遠程控制道閘的升、降、停。這種多種控制方式相結(jié)合的設計方案，保證了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

2.3停車誘導與定位

當車輛進入停車場后，車主可以根據(jù)誘導信息自主選擇車位停車。誘導信息主要包括空閑車位顯示與語音誘導信息。空閑車位由入口處的顯示屏顯示，系統(tǒng)實時更新。語音誘導停車是指控制中心服務器將當前的空閑車位分布信息通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡以語音的形式下發(fā)到車載單元，使得車主可以根據(jù)提示迅速找到空閑車位進行停車，避免出現(xiàn)停車擁擠的情況。

同時，系統(tǒng)采用低成本的紅外線反射性傳感器與CC2530相結(jié)合的辦法來實現(xiàn)車輛定位，以得到空閑車位分布信息。由于在每個車位上都放置有紅外線反射性傳感器與CC2530芯片定位模塊，因此，當車輛進入停車位后，CC2530芯片將紅外線反射性傳感器感應到的車輛停車信息通過ZigBee網(wǎng)絡無線上傳到控制中心，控制中心根據(jù)預先存儲的數(shù)據(jù)即可得到車位被占的信息，進而實時更新停車場的車位信息。而當車輛離開車位時，CC2530芯片又將車位空閑的信息上傳到中央控制機，系統(tǒng)將再次更新停車場的車位信息。

3控制中心服務器設計

本系統(tǒng)控制中心部分采用C/S結(jié)構(gòu)和.net4.0開發(fā)平臺,SQLServer2008作為數(shù)據(jù)中心，C#語言作為開發(fā)語言，并采用WCF(WindowsCommunicationFoundation)通信框架實現(xiàn)停車場客戶端與控制中心的通信。具體的停車場管理流程如圖5所示。

(a)車輛進入停車場流程圖

(b)車輛離開停車場流程圖

圖5停車場管理流程圖

對系統(tǒng)注冊用戶，可以不停車直接進入停車場。而對于臨時用戶，則需要在入口處取卡進入，在出來時由管理人員根據(jù)系統(tǒng)計算的金額進行停車收費，并收回車載單元。當車輛靠近停車場入口準備進入時，位于人口的低頻喚醒基站喚醒車上的車載單元，車載單元通過RF模塊將車輛信息與低頻基站信息通過ZigBee主干網(wǎng)發(fā)送到上位機，上位機收到相應的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行解析處理。首先判斷用戶余額是否充足,如果不足，則語音提示用戶充值；然后判斷停車場內(nèi)是否還有空閑車位。如果沒有，則下發(fā)語音提示信息，告知車主車位已滿，請另選停車場停車;如果有空閑車位，則下發(fā)抬桿命令,開閘放入車輛，當車輛完全駛?cè)胪＼噲龊螅馗芯€圈控制道閘降落，防止砸到車輛。車主根據(jù)入口處顯示屏幕提示的空閑車位位置信息，就可以方便地找到空閑車位進行停車，同時,上位機也可以下發(fā)相應的空閑車位信息給車載單元，進行停車誘導。當車輛停穩(wěn)后，紅外線定位模塊上傳車輛停車位置信息,系統(tǒng)更新空閑車位信息，停車過程結(jié)束。

當車輛離開停車位后，車位上的CC2530芯片將紅外線反射性傳感器感應到的車位空閑信息發(fā)送到上位機，系統(tǒng)實時更新空閑車位信息。在車輛靠近出口時，位于出口的低頻喚醒基站將車輛上的車載單元喚醒，上位機獲取到車輛即將離開的信息，發(fā)送抬桿命令開啟道閘，讓車輛通過，車輛完全離開道閘后，地感線圈控制道閘落下。對于臨時用戶，控制中心語音發(fā)送停車費用金額到語音卡，車主根據(jù)提示進行繳費,管理人員對車輛進行收費，并收回車載單元。而對注冊用戶,控制中心對車輛進行自動收費，從而實現(xiàn)不停車離開停車場。同時，控制中心服務器將存儲海量停車數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心，并定時對停車數(shù)據(jù)進行分析，以便進一步優(yōu)化停車場的設計。

4結(jié)語

本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能停車場系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)無障礙出入停車場、自動收費、車位管理、停車誘導等功能，可大大提高停車場的智能化管理水平。車輛進出停車場時，利用125kHz低頻激勵器喚醒車載單元上的2.4GHz高頻電子標簽，使得車載單元在遠離停車場范圍時處于休眠狀態(tài)，從而大大降低車載單元的功耗，延長車載單元的使用壽命。在車輛停好后，利用紅外線反射性傳感器與CC2530相結(jié)合進行車輛定位，可以實時更新停車場內(nèi)空閑車位的實際分布情況。車輛上行信息與控制中心下行信息均通過ZigBee主干網(wǎng)進行發(fā)送，故可保證信息的雙向交互。通過實地測試表明，該系統(tǒng)具有低成本、高可靠性和高實用性，但也存在一些尚待改進的地方。比如，采用更精確的方式實現(xiàn)車輛在位實時監(jiān)控、解決臨時用戶需要停車進出的問題等，這將是以后研究工作的重點。

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