基于ZigBee技术的智能停车场系统研究

引言

随着汽车产业的高速发展、汽车制造成本的持续下降以及国民可支配收入的日益提高，城市汽车拥有量急剧增加。为了充分利用有限的停车场资源来最大程度地满足车辆停泊的需求，各种类型的停车场(例如机械式停车场、平面式停车场、智能立体停车场、遥控停车场等)不断地涌现出来。传统的停车场管理系统面对越来越大的停车场进行车辆进出管理、收费、车位查找等工作会变得越来越繁琐复杂、费时费力，不仅管理效率低下，同时也存在一定的安全隐患。

随着物联网(InternetofThings，IOT)技术在最近几年的飞速发展，基于无线传感网络的物联网技术越来越多地应用到智能停车场管理系统中。本文提出了一种基于ZigBee技术的智能停车场管理系统，该系统利用125kHz的激励器来触发载有2.4GHz高频电子标签以及语音播报模块的车载单元,结合红外线反射性传感器和CC2530实现停车定位，同时利用ZigBee无线通信网络作为主干网通信网络，上传车辆信息与下发停车诱导信息，以实现无障碍智能停车场管理，从而有效地降低了车载单元的功耗，也使停车场管理更加准确、便捷、高效。

1智能停车场系统的研究现状

智能停车场系统主要需要解决以下几个问题。第一,无障碍停车；第二，自动计算停车场内的空闲停车位，并可视化显示；第三，对进入停车场的车辆进行停车诱导，避免车辆在场内无序流动，出现交通拥堵状况；第四，自动对进出停车场的车辆进行收费；第五，自动分析停车场不同时期的车流量，指导优化停车场管理与资源配置；第六，对停车场内的车辆进行在位监控。

现有的智能停车场系统主要以感应卡、IC卡或ID卡为载体，当车辆行驶到入口或出口时，将卡片靠近读卡器，系统在获取读卡器上传的持卡人信息后，按照预先写好的程序对车辆进行进出管理。这种方式可以实现停车场管理功能，但不能实现不停车收费，入口通行效率仍然较低，并且由于车辆进出时需要停车刷卡，驾驶人员操作起来具有一定的难度，一旦没有停好容易引发车辆刮擦事故。也有利用模式识别自动识别车牌，从而获取车辆信息，进而实现停车场管理的停车场系统,该方法不需要停车刷卡，减速即可进出停车场，但车牌识别的准确率会受到光照、天气、车身污染程度等外在因素的影响,误识别率较高。

针对目前智能停车场系统存在的弊端，本文提出了一种基于ZigBee技术的智能停车场系统方案，该方案利用125kHz激励器来触发载有2.4GHz高频电子标签以及语音播报模块的车载单元，并结合红外线反射性传感器和CC2530实现停车定位，同时利用ZigBee无线通信网络作为主干网通信网络,以实现车辆和控制中心的交互，从而保证了系统的低功耗、高可靠性及实用性。

2智能停车场系统设计

本智能停车场系统主要由智能道闸、低频唤醒模块、ZigBee无线通信网络、红外线定位模块以及控制中心服务器等几个部分组成。其中低频唤醒基站负责对进出车辆的车载单元进行唤醒，使其从休眠状态进入工作状态。而语音卡单元载有2.4GHz高频射频单元以及语音播报模块，可以将车辆信息通过ZigBee无线通信网络上传到控制中心服务器，同时语音播报停车诱导信息。ZigBee无线通信网络作为整个系统的“信息高速公路”，主要实现车辆和控制中心的交互。本系统的整体架构图如图1所示。

图1智能停车场系统整体架构图

系统的“信息高速公路”整个主干网由若干个主干网基站采用网状ZigBee拓扑结构组成，这些基站能够自组网形成网络,实现车辆和控制中心的信息交互，并具有路由功能。主干网的拓扑结构如图2所示。

图2主干网网络拓扑结构图

为了增强主干网基站的处理能力，每个基站搭载一颗32位微处理器STM32F103RDT6作为整个电路控制和数据处理的主控芯片，同时还搭载3个支持ZigBee通信协议的CC2530作为数据通信芯片，采用异步串口通信方式(UART)实现MCU与RF的数据通信，根据各个电路模块的电压需求的不同选用2级稳压电源模式。图3所示为其电路结构简图。

系统中的射频模块CC2530以IEEE802.15.4标准为ZigBee通信协议，可支持2.4GHz工作频段，其内部集成了RF收发器、增强型8051CPU、可编程闪存等强大功能。此外,为了使主干网可以应用于多个物联网子系统，主干网基站集成有多个RF芯片。由于CC2530的控制处理能力不是很强，系统中还嵌入了一个STM32F103RDT6作为电路的主控芯片。

2.1基于ZigBee技术的无线通信网络

ZigBee技术是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术o要实现随时随地传输车辆信息与停车诱导信息,首先需要搭建覆盖停车场范围的ZigBee无线通信网络来作为图3主干网基站的电路结构简图

2.2低频唤醒模块

低频唤醒模块用于车载单元与唤醒基站之间。为了省电，车载单元在远离停车场范围时处于休眠状态，当车辆进入唤醒区域后，才被唤醒进入工作状态。本系统中，ZigBee网络数据收发工作在2.4GHz超高频段，而系统则采用一种125kHz的低频激励器来唤醒车载单元。

车载单元搭载有半主动式电子标签(EM4100)、高频RF模块(CC2530)、感应线圈以及语音播报模块。电子标签采用EMMICROELECTRONIC公司的非接触式识别设备EM4100,EM4100可支持100~150kHz的工作频段，通过外部天线与作为阅读器的唤醒基站通信，实现射频信号的传递。天线采用Createmax公司的绕线天线CM-3D15N0600J,这是专门为123kHz和134kHz工作频段设计的一种无匙门禁系统天线线圈。具有体积小(17.5mmX15.5mmX3.8mm),可工作在-40~+125°C,以及各向同性等特点。

采用EMMICROELECTRONIC公司的EM4095作为唤醒基站内的阅读器芯片时，主要应用于100~150kHz频段的RFID系统，该阅读器芯片与MCU的接口简单，并且具有睡眠模式［冲。工作时，控制模块将跳频表、激励器ID等信息以OOK调制方式调制在125kHz载波上形成激励信号，并不间断地向外发送，当有电子标签进入其激励区时即被唤醒。激励器的设计原理图如图4所示。

图4低频激励器设计原理图

当车载单元进入唤醒基站的扫描范围(5~7m)后，车载单元处于125kHz交变电磁场中，卡内的EM4100将获得能量驱动，并从被动态变为主动态。卡片上的感应线圈与唤醒基站发出的电磁波以电感耦合的方式产生感应电流，从而激活车载单元上高频RF模块，以实现ZigBee网络数据收发功能。

同时，系统选用了深圳思沃智能科技有限公司开发的思沃智能道闸，因而具有手控、遥控、防砸车自动落闸、停电自动解锁等功能，并且可方便地与ZigBee无线通信网络集成，使得控制中心可以远程控制道闸的升、降、停。这种多种控制方式相结合的设计方案，保证了系统的可靠性和安全性。

2.3停车诱导与定位

当车辆进入停车场后，车主可以根据诱导信息自主选择车位停车。诱导信息主要包括空闲车位显示与语音诱导信息。空闲车位由入口处的显示屏显示，系统实时更新。语音诱导停车是指控制中心服务器将当前的空闲车位分布信息通过ZigBee无线传感网络以语音的形式下发到车载单元，使得车主可以根据提示迅速找到空闲车位进行停车，避免出现停车拥挤的情况。

同时，系统采用低成本的红外线反射性传感器与CC2530相结合的办法来实现车辆定位，以得到空闲车位分布信息。由于在每个车位上都放置有红外线反射性传感器与CC2530芯片定位模块，因此，当车辆进入停车位后，CC2530芯片将红外线反射性传感器感应到的车辆停车信息通过ZigBee网络无线上传到控制中心，控制中心根据预先存储的数据即可得到车位被占的信息，进而实时更新停车场的车位信息。而当车辆离开车位时，CC2530芯片又将车位空闲的信息上传到中央控制机，系统将再次更新停车场的车位信息。

3控制中心服务器设计

本系统控制中心部分采用C/S结构和.net4.0开发平台,SQLServer2008作为数据中心，C#语言作为开发语言，并采用WCF(WindowsCommunicationFoundation)通信框架实现停车场客户端与控制中心的通信。具体的停车场管理流程如图5所示。

(a)车辆进入停车场流程图

(b)车辆离开停车场流程图

图5停车场管理流程图

对系统注册用户，可以不停车直接进入停车场。而对于临时用户，则需要在入口处取卡进入，在出来时由管理人员根据系统计算的金额进行停车收费，并收回车载单元。当车辆靠近停车场入口准备进入时，位于人口的低频唤醒基站唤醒车上的车载单元，车载单元通过RF模块将车辆信息与低频基站信息通过ZigBee主干网发送到上位机，上位机收到相应的数据后，对数据进行解析处理。首先判断用户余额是否充足,如果不足，则语音提示用户充值；然后判断停车场内是否还有空闲车位。如果没有，则下发语音提示信息，告知车主车位已满，请另选停车场停车;如果有空闲车位，则下发抬杆命令,开闸放入车辆，当车辆完全驶入停车场后，地感线圈控制道闸降落，防止砸到车辆。车主根据入口处显示屏幕提示的空闲车位位置信息，就可以方便地找到空闲车位进行停车，同时,上位机也可以下发相应的空闲车位信息给车载单元，进行停车诱导。当车辆停稳后，红外线定位模块上传车辆停车位置信息,系统更新空闲车位信息，停车过程结束。

当车辆离开停车位后，车位上的CC2530芯片将红外线反射性传感器感应到的车位空闲信息发送到上位机，系统实时更新空闲车位信息。在车辆靠近出口时，位于出口的低频唤醒基站将车辆上的车载单元唤醒，上位机获取到车辆即将离开的信息，发送抬杆命令开启道闸，让车辆通过，车辆完全离开道闸后，地感线圈控制道闸落下。对于临时用户，控制中心语音发送停车费用金额到语音卡，车主根据提示进行缴费,管理人员对车辆进行收费，并收回车载单元。而对注册用户,控制中心对车辆进行自动收费，从而实现不停车离开停车场。同时，控制中心服务器将存储海量停车数据到数据中心，并定时对停车数据进行分析，以便进一步优化停车场的设计。

4结语

本文提出了一种基于ZigBee技术的智能停车场系统，该系统可实现无障碍出入停车场、自动收费、车位管理、停车诱导等功能，可大大提高停车场的智能化管理水平。车辆进出停车场时，利用125kHz低频激励器唤醒车载单元上的2.4GHz高频电子标签，使得车载单元在远离停车场范围时处于休眠状态，从而大大降低车载单元的功耗，延长车载单元的使用寿命。在车辆停好后，利用红外线反射性传感器与CC2530相结合进行车辆定位，可以实时更新停车场内空闲车位的实际分布情况。车辆上行信息与控制中心下行信息均通过ZigBee主干网进行发送，故可保证信息的双向交互。通过实地测试表明，该系统具有低成本、高可靠性和高实用性，但也存在一些尚待改进的地方。比如，采用更精确的方式实现车辆在位实时监控、解决临时用户需要停车进出的问题等，这将是以后研究工作的重点。

20210916_6142d273dcf37__基于ZigBee技术的智能停车场系统研究