基于Zigbee的停车场空位检测系统毕业论文.doc

XX大学 毕业论文（设计）题 目 基于Zigbee的停车场空位检测系统院 系 自动控制系专 业 测控技术与仪器学生姓名 X X 学 号 指导教师 职 称 二一一年 五月三十日目录摘要1第一章 引言1 1.1课题来源及背景11.1.1课题来源11.1.2 停车场管理系统的现状与发展趋势21.1.3研究的目的及意义21.2 课题的主要研究内容3第二章 无线传感网络与Zigbee技术32.1无线传感网技术介绍32.1.1无线传感器网络概述32.1.2无线传感器网络的特点42.1.3 短程无线通信技术比较42.2ZigBee技术介绍及设计应用62.2.1 Zigbee网络节点的设计62.2.2 Zigbee网络数据传输系统的概述92.3停车场空位检测系统的网络节点设计102.3.1 停车位无线传感器网络拓扑结构研究102.3.2 停车位传感器的硬件设计技术11第三章 基于Zigbee的停车场空位检测系统的设计123.1 停车场管理系统构成123.1.1 入口管理系统设备及流程143.1.2 泊车引导系统163.1.3 出口通道系统193.2 停车场空位检测系统的实现213.2.1车位检测电路方案论证213.2.2 停车位检测器的设计213.2.3 超声波检测车位状态的原理及实现233.3 本章小结27结束语28参考文献28致谢29ABSTRACT30附录31基于ZigBee的停车场空位检测系统姚洁南京信息工程大学滨江学院测控技术与仪器专业，南京210044摘要：随着社会经济发展，各城市汽车拥有量持续增长，停车难的问题日益突出。本论文基于ZigBee技术和超声波检测技术，提出了一种新的智能化的停车场空位检测系统的设计与实现方案。论文首先介绍了无线传感网技术并进行比较，分析了基于ZigBee组建无线传感器网络的优势，然后论述了所设计的停车场空位检测系统的各功能模块的组成和功能，以及系统实现的关键技术和节点的软硬件设计。本系统采用CC2430芯片和超声波模块设计停车位传感器节点，通过各停车位传感器节点、路由器组建ZigBee网络，并由其协调器通过RS-232串口连接主控计算机，实现数据采集。关键词: ZigBee;空位检测系统;超声波传感器。第一章 引言1.1课题来源及背景1.1.1课题来源近几十年来，我国的经济快速腾飞，日益突出一种新的问题“停车难”，尤其是商业城、娱乐区等人口密集地带的车辆停放成为急需解决的问题，可是目前的停车管理手段相对落后，因此实现停车场快速有效的智能管理成为解决问题必然选择。在人口密集的地区泊车者因为寻找停车场或停车位而形成的路面交通量被称为无效交通流，如果能避免这部分交通流的发生，则能有效地改善城市的交通状况。可是现在大部分城市的停车设施建设却相对滞后，满足不了城市交通发展的要求，凸显了汽车发展和与之配套的基础设施的矛盾，停车问题在我国各大城市已经成为亟待解决的难题。停车难的现状是由很多因素决定的，包括:停车泊位严重短缺，导致车位供需失衡;车位供需能力分布不均;室内公共停车场泊位利用率低;车位配建出现很多侵占挪用的现象;部分停车场的划定及停车位的设计不合理;缺乏停车场建设与发展的产业政策;使用者守法停车的意识淡薄;缺乏合理的停车位经营管理模式等。这些问题又会引发行驶不便、交通堵塞、损毁绿化、威胁大众安全等问题，从而影响生活质量，提高生产成本，阻碍社会经济的正常发展。因此，随着汽车持有的普遍，对城市道路建设提出很高要求，也给城市停车业带来巨大的挑战，而建设现代化的停车场，增加城市有效停车位可以有助于城市交通的畅通，可以帮助现代城市的可持续发展。1.1.2 停车场管理系统的现状与发展趋势目前，各国已经开始运用先进的技术，例如：信息技术、数据通讯传输技术以及计算机技术来建立相应的停车诱导系统( Parking Guidance System)和停车场智能管理系统。交通管理部门通过停车服务热线、停车诱导显示屏、停车服务网和交通广播网等载体发布停车信息，使泊车者能可靠、高效地找到合适的车位，同时也可以对不熟悉该地区的驾驶员提供服务，从而有效减少乱停乱放、占用非停车用地的现象，同时停车需求在时间和空间上分布的不均匀的矛盾也得到缓解，避免由于寻找停车场而产生的无效交通流以及由此带来的公共安全危害，使人们拥有一个安全有序的出行环境。与此同时，国内很多停车场的管理还是依靠最简单的手工作业方式，而这种传统的数据管理仍采用人工簿册式的管理方式，查阅不方便，无法有效管理，工作效率低，检索和使用困难，而且信息的分析处理也是以定性分析为主，无法合理有效地规划停车场的位置、车位数、合理性。在目前国内停车场管理中发现以下问题:泊车排队等候的时间长;人工现金收费的漏洞较大，收费的透明度低，不利于管理;不合理的车位规划导致车辆进出难度提高；经常出现车位抢占的问题等等。停车场管理发展的必然趋势包括：在道路路口实时发布车位有关信息，在停车场内实现停车诱导，实现真正的智能管理。因此停车场管理系统的方向就是提高系统的智能化程度，增加对车位的监控，实现泊车的层层诱导，更加人性化满足车主的需求。1.1.3研究的目的及意义停车位供需严重不平衡和停车场设备老旧、管理系统的滞后，使停车资源更加紧缺，但也带来“停车经济”的无限商机。目前，在一些发达国家和地区，停车系统己实现了产业化。如在美国，停车业每年带来的经济效益约为260亿美元，可以提供100万个就业机会，可见研究智能停车场具有巨大的经济效益。一个好的停车场管理系统只需要少量的人力，即可提供真正的泊车诱导，使停车变得方便快捷，无需等候;使停车场和停车位得到最大的利用; 进一步提高车辆停放的安全性和可靠性，为公众提供更安心的服务。而停车场有效管理的关键就在于能否成功的对停车位进行监控，有效管理停车位。而停车诱导的有效运行，能提高城市交通的舒畅率，活跃城市的生命力，有助于城市和社会的可持续发展。因此，研究具有停车位空位检测系统的智能停车场具有十分重要的意义。车位检测系统是大型室内专业停车场实现车位自动化定点管理的基础。本系统主要使用了ZigBee技术，ZigBee传感网的低功耗，低速率，低成本，低复杂度，高安全性和自组织网络的优势使停车场管理实现了真正的无线管理，省去了昂贵的布线成本，降低的成本，并且管理的可靠性得到很到提高，因此基于这种技术的停车场管理系统已成为了目前研究的一个发展方向。1.2 课题的主要研究内容本次课题为停车场空位检测提供了依据，有助于停车场的管理和发展。本文分析了当前停车场智能管理系统的发展现状和停车位监控的主要实现方式，并介绍无线传感器中的ZigBee标准的协议，并基于ZigBee协议，采用CC2430芯片和超声波测距模块，设计一个停车位空位检测系统，并且增加显示停车场所有车位的空闲与否的显示屏，实现停车场内停车诱导，增加停车位与所停车辆的匹配。 内容包括基于ZigBee网络技术的停车场空位检测系统结构框图和检测器的安装位置图，车位检测的硬件电路，以及整个系统和各个部分的介绍，ZigBee无线网络节点，ZigBee无线数据传输的相关内容。本系统采用ZigBee无线网络连接，各个子系统通过ZigBee网络进行通信，省去了昂贵的布线成本，满足了己有停车场不停业改造的需求，填补了市场空白。本系统可帮助泊车者方便快捷地找到车位，提高车场车位管理的规范程度，提高车位利用率。降低管理人员成本，消除车主寻找车位的烦恼，出行愉快，使停车场形象更加完美。第二章 无线传感网络与Zigbee技术2.1无线传感网技术介绍 2.1.1无线传感器网络概述无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Network)，是一个自组织的多跳的网络系统，由大量微型传感器节点组成，以无线通信方式协作地感知、采集和处理监控区域内的被感知对象的信息，并发送给观察者。观察者、传感器和感知对象构成了无线传感器网络的三个要素。 传感器节点可进行数据采集、事件检测、事件标识、位置监测和节点控制,而且是无间断的，连续的。这种特性和其无线连接的方式使得无线传感器网络能够广泛应用于军事、空间探索、环境监测和预报、城市交通、建筑物状态监控、机械监控、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测、智能家居等领域16。2.1.2无线传感器网络的特点1.大规模： 为获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，数量成千上万，甚至更多。可能分布在很大的地理区域内，如在原始森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测;也可能是大量的传感器节点密集部署在较小的氛围内。 大规模性有如下优点:大量冗余节点使系统具有很强的容错性;分布式处理采集信息允许降低对单个节点的精度要求;更大的信噪比;减少洞穴或者盲区。 2.动态性： 新节点的加入;传感器、感知对象和观察者的移动;节点因电能耗尽或环境造成故障或失效;无线通信链路因环境的改变而带宽变化甚至时通时断等诸多因素都可能导致网络拓扑结构的改变，这要求传感器网络系统具有动态的系统可重构性。 3.自组织： 传感器节点被放置的位置通常不能预先精确设定，不能确定节点间的相互邻居关系，没有基础结构。因此要求传感器节点能自动进行配置和管理，自组织成多跳无线网络系统。 4.以数据为中心： 传感器网络是一个任务型的网络。采用编号标识传感器网络中的节点。传感器节点随机部署，节点编号与传感器之间的对应关系可以是完全动态的，即节点编号与节点位置没有必然联系。无线传感器网络是一种任务型、与实际应用关系密切的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器节点的编号与节点的位置没有必然的联系，实际上节点之间的关系也是动态的。用户使用无线传感器网络的时候，只关心目标数据出现在哪个时空区，而并不关心这些数据是哪个节点传回来的16。2.1.3 短程无线通信技术比较 无线传感器节点主要由四部分组成： 1.传感器模块:传感器、信号调整、A/D转换器。采集监测区域内的信息和数据转换。 2.处理器模块:微处理器、存储器。存储处理本节点采集的数据以及其他节点转发的数据，负责整个传感器节点的操作的控制。 3.无线通信模块:收发器、MAC。与其他节点无线通信，收发采集数据和交换控制信息。 4.能量供应模块:电源、AD-DC。多为太阳能电池或干电池。提供节点运行所需的能量。图2.1 无线传感网节点典型组成一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。如何解决无线信道的多变性和易丢失性，以及节点的能源限制是关键。长距离数据传输时，能耗情况会十分严重，对能量有限的系统来说，会造成节点过早死亡20。目前，使用较广泛的短程无线通信技术有蓝牙(Bluetooth)、无线局域网802.11(Wi-Fi)、红外数据传输(IrDA)、ZigBee、超宽频(Ultra WideBand)、短距通信(NFC）、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。传感器网络中常用的几种无线通信技术有:蓝牙、Wi-Fi、UWB、ZigBee等。1.蓝牙技术蓝牙技术的实质是为移动或固定设备之间的通信环境建立通用的近距离无线接口。是一种语音通信和无线数据的开放性全球规范。工作频率2.4GHz。具备一定的QoS(服务质量)特性，且完整保持后向兼容性。而蓝牙技术的障碍是价格昂贵，芯片大小和价格无法降低。同时，网络规模有限、传输距离在10米以内、抗干扰弱、信息安全问题等。2. Wi-Fi技术Wi-Fi是目前WLAN的主要技术标准。工作频率2.4GHz。随着新版本如802.11 a和802.11 g的先后推出，Wi-Fi的应用将越来越广泛。802.11g的理想速率达54Mb/s，有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。3. UWB技术超宽带技术UWB (Ultra Wideband)是一种利用纳秒级的非正弦波罕脉冲传输数据的无线载波通信技术，占用的频谱范围很宽。UWB技术的优点是定位精度高，抗干扰能力强，系统复杂度低，适用于短距离密集多径的高速无线接入，可应用在小范围、高分辨率的雷达和图像系统中。由于UWB数据传输速率高(大于100Mb/s)，视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PANs)将成为UWB最具特色的应用。但UWB未来的前途还要取决于各种无线方案的技术发展、用户使用习惯、成本和市场成熟度等多方面的因素。4. HomeRF一种专门为家庭用户设计的小型无线局域网技术。它应用调频扩频(FHSS)技术，通过家中的一台主机在移动电话和移动数据设备之间实现通信。既可以通过时分复用支持话音通信，又可以提供数据通信服务。并且通过与TCP/IP(即IP)良好的集成，支持广播、多播和48位IP地址。Home RF的工作频率为2.4GHz。原来最大数据传输速率为2Mbit/s，2000年8月，美国联邦通信委员会(FCC)批准了Home RF的传输速率可以提高到8-11Mbit/s。Home RF可以实现最多5个设备之间的互联。5. ZigBee技术(IEEE 802.15.4 ) Zigbee联盟成立于2001年8月，负责制定网络层以上协议。IEEE 802.15.4工作组则负责ZigBee物理和媒体控制层技术标准。ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。与蓝牙同属802.15。主要使用2.4GHz波段，采用跳频技术。成本低。在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域广泛应用。Zigbee的优点：1） 省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式，因此ZigBee技术可以确保2节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用说明。不同的应用对应的功耗自然是不同的。2） 可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。3） 成本低。模块价格低廉，且ZigBee协议是免专利费的。4） 时延短。针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值是30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。5） 节点通信设备易于配置。6） 网络容量大。ZigBee可以采用星形、网状、串状结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构。从理论上讲，其可连接的节点多达64000个。一个ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。7） 安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。8） 全球通用性和完好的开放性。ZigBee标准协议，使ZigBee设备间的通信成为轻而易举的事情。表2.1 各种无线通信技术的性能比较Zigbee蓝牙HomeRFWi-Fi使用频段/GHz2.42.42.42.4调制技术BPSK.OQPSKGFSKFSKQPSK最大速率/Mb/s0.2511.61功耗极低中等中等高复杂性简单复杂复杂很复杂覆盖距离/m100105050网络节点255812750使用成本低中等中等中等安装难度简单简单简单简单通过比较可知，ZigBee与Wi-Fi(IEEE802.11), Bluetooth(IEEE802.15)等同使用2.4Ghz频段的技术相比，用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列更适合于大型无线传感器网络的组建3。2.2 ZigBee技术介绍及设计应用2.2.1 Zigbee网络节点的设计节点是网络的基本单元,节点的稳定运行是整个网络可靠性的基本保证，ZigBee无线通信节点通常是一个微型的嵌入式系统，从网络功能上看，每个节点兼顾传统网络节点的终端和路由双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。目前节点的软硬件技术是ZigBee网络研究的重点12。网络的基本单元是节点，单一网络最多可设65535个节点。按功能区分，有简化功能设备（RFD）和全功能设备（FFD）。前者按最少RAM和ROM资源实现的，设计成网络中简单的收发节点。它能搜索现成网络，必要时传输应用数据，想网络协调器请求数据，多数时间处于休眠状态以节省电池功耗。后者可用作网络协调器，连接协调器或另一个通信设备。在具体网络中，可分为终端节点(ep)、路由器节点(rp)和协调器节点(cp)3种。其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，可启动网络、管理网络节点、存储节点信息。路由器节点支撑网络链路结构，可与网络中成对节点的消息路由，完成数据包的转发。终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集，不能传输消息，不能连接其他节点。这就要求Zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者3种角色14。图2.2 无线传感网网络节点本次设计的无线通信模块采用的是射频芯片CC2430。该款芯片以强大的集成开发环境为支持 ,内部线路的交互式调试遵从 IDE的IAR 环境。它是 Chipcon 公司推出的用来实现嵌入式 ZigBee 应用的片上系统 ,它支持2.4GHz IEEE 802.15.4协议 ,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颗工业级小巧高效的8051控制器。并具有以下特点： 高性能和低功耗的8051 微控制器核; 集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的 RF 无线电收发机;优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性; 在休眠模式时仅0.9A 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统;在待机模式时少于0.6 A 的流耗，外部的中断能唤醒系统; 硬件支持CSMA/CA 功能; 较宽的电压范围（2.03.6 V）; 数字化的RSSI/LQI 支持和强大的DMA 功能; 具有电池监测和温度感测功能; 带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802.15.4 规范的MAC 计时器，1个常规的16 位计时器和2个8位计时器12。 1. Zigbee网络节点的硬件设计Zigbee无线网络节点的硬件系统由CC2430器件模块和无线收发模块组成，CC2430射频器件模块由CC2430器件和相关外围电路构成。虽然CC2430内部集成有无线收发器和8051内核，可以简化电路设计，在单片机和无线收发器之间不加接口电路也能通信，但通信距离有限。经测量发现，两个网络节点在空旷地面的通信距离是10-100 m，这个距离有时不能满足应用需要,在CC2430器件与天线之间加一级接口电路即无线收发模块，用来放人接收和发送信息的功率，从而加人数据传送距离。2. Zigbee网络节点的软件设计. Zigbee协议栈ZigBee协议由一组子层构成、每层为其上层提供一组特定的服务;数据实体提供数据传输服务;管理实体提供全部其他服务)每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供一系列基木服务指令来完成相应的功能。ZigBee协议栈的体系结构包括:ZigBee应用层、ZigBee网络层、IEEE.802.15.4 MAC层和IEEE802.15.4 PHY层。IEEE.802.15.4 2003标准定义最下面的2层:物理层(PHY)和介质接入控制层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中应用层框架主要包括3部分:应用支持子（APS) ,ZigBee设备对象（ZDO)和由制造商制定的应用对象。. Zigbee信道分配ZigBee的通信频率在物理层规范，在小同的国家或区域ZigBee提供了小同的工作频率范围，其所使用的频率范围为2.4 GHz和816/915MHz。因此，在ZigBee中定义2.4 GHz和816/915 MHz 2个物理层标准，它们都基于直接序列扩频(DSSS)技术。这里采用全球统一的2.4 GHz波段，无须申请ISM频段，适合ZigBee设备推广及降低生产成本。2.4 GHz物理层采用16相调制技术，能够提供250kb/s的传输速率，提高数据吞吐量，缩短通信时延和数据收发时间，降低功耗。. 网络的建立与加入ZigBee设备通过NLME-NETWORK-FORMATION.request原语来启动一个新网络的建立过程。仅当具有ZigBee协调器能力且当前无与网络连接的设备，才可尝试建立一个新网络。如果此过程由其他设备开始，则网络层管理实体将终止该过程，并向其上层发出非法请求报告。该步骤通过发出状态参数为INVALID_REQUEST的NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原语来完成、只有当设备为ZigBee协调器或路由器时，才能试图允许设备与网络的连接。可通过NLME-PERMIT-JOINING.request原语允许连接。. 数据的发送与接收发送数据时，首先按照协议中规定的帧形式构建帧数据。帧数据包括帧头和帧内容。其中帧头包括帧类型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID等信息。帧构建好后调用MAC层的原语MCPS-DATA.request，并将接收到的结果通过MCPS-DATA.confirm返回。在Z-Stack中，数据的发送和接收都必须通过应用层调用。图2.3 数据的发送和接收流程2.2.2 Zigbee网络数据传输系统的概述Zigbee网络通过网络节点将采集数据以多跳变的方式传送到Zigbee汇节点，汇节点将数据发送到网关，网关进行Zigbee数据包解析，从数据包中提取有效信息数据，进行协议转换和数据包重新打包成TCP/IP数据包，经过以太网传输将数据送到控制中心，完成整个网络的数据传输。一个完整的数据传输系统硬件系统由微处理器、存储器、网络接口等硬件组成。微处理器负责整个系统的运行和管理，存储器用来存储程序、代码和数据，网络接口实现与网络的连接。网关是建立在传输层以上的协议转换器，是网络传输的纽带，连接Zigbee和以太网两个互相独立的网络，实现Zigbee和以太网之间的数据传输15。2.3停车场空位检测系统的网络节点设计2.3.1 停车位无线传感器网络拓扑结构研究ZigBee网络层支持星型、点对点、群集和Mesh网络类型的配置(如图所示)。图2.4 zigbee网络拓扑结构消息从一个节点如何路由至另一个节点完全取决于网络拓扑。星形网络有一个中心节点，所有消息都由它传输。簇树形网络有一个顶端节点，下面有枝有叶，消息先上行在下传。网形网络与簇树形相似，但它的某些枝叶可直接连接。星型网络最容易实现，对资源要求低,但不支持路由，节点数在50个左右。树形网络所能支持节点数有限。Mesh网络是最复杂的，允许路由且路由的路径是自动计算出来的最佳路径，而且网络建立后，任何一个设备失效，网络中的设备会重新计算路由的路径，使得不影响网络其他设备正常通讯。不过相对来说，mesh网络需要更多资源，规模越大，延时也会变大7。本系统采用Mesh拓扑结构构建网络。每个区设置一个ZigBee路由。每个路由管理该区的数十个车位无线传感器终端。整个Mesh网络由一个协调器来协调，并与中央监控系统交换信息。停车场的各个节点的拓扑结构如图所示。图2.5 停车场各节点拓扑图2.3.2 停车位传感器的硬件设计技术 在传感器网络中，全功能器件(FFD)具有控制器，可建立并形成网络，能连接其它FFD或RFD。提供信息双向传输。精简功能器件(RFD)只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。FFD节点可作为协调器、路由器以及终端节点。RFD节点只可做终端节点。 网络中只能有一个协调器，管理整个网络14。 每个独立网络的网络号(Personal Area Network ID，个域网ID)都是唯一的。本系统中，停车位的传感器作为终端节点，选用CC2430芯片。 CC2430为FFD器件， CC2430芯片采用7mm×7mm QLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/0端口线引脚(21个)、控制线引脚和电源线引脚。基于CC2430的超声波接收模块设计如图所示：图2.6 超声波接收模块第三章 基于Zigbee的停车场空位检测系统的设计3.1 停车场管理系统构成本系统可分为4个模块：入口管理、泊位管理、车位管理和出口管理。该方案主要由停车场内系统和泊车引导子系统组成。停车场内系统是整个停车场管理系统的核心，也是该管理系统的特色所在，用车位检测的方法给泊车引导提供了更迅速、更真实的信息，减少了车辆寻找车位的时间;利用车辆信息查询技术确保了客户快速找到自己的停车位，满足了客户的需求，从而显得更加人性化。图3.1停车场管理系统框图本文提出了一种基于ZigBee无线网络技术的停车场空位检测系统设计方案。采用Zigbee无线收发装置实现停车场的车位检测及智能管理。在停车场的每一个车位上方安装超声波探头。这些探头能够将整个停车场的车位占用情况通过节点控制器准确地传送到中心控制器，中心控制器通过对这些信息进行分析、处理，分别将相关指令传送给车位引导牌，满位显示牌，司机只要按照引导牌的指示行驶，就可以顺利地停车入位或驶离停车场。中心控制器还将综合分析得出的信息，传送到设在监控室内的系统计算机和停车场动态显示屏。监控人员可以利用计算机上的专业软件对该车场的各种数据、图像、历史纪录以不同的条目进行管理和查询。车位动态显示屏可以使管理人员直观查看停车场使用情况。系统结构如图所示：图3.2 停车场系统结构图车位管理的工作流程如下:当汽车泊入车位，安装在车位上的无线探测终端超声波传感器利用超声波的回波探测到车辆，无线探测终端通过查询方式接收到车位有车的信息，通过嵌入式串口通信模块发送相关数据到中心处理节点，从而完成数据处理及信息显示功能，并返回相对应的操作指令。通过系统运行和显示完成停车场的信息采集和自动管理。系统工作原理如图所示：图3.3 空位检测系统工作原理图3.1.1 入口管理系统设备及流程入口部分主要由ZigBee路由器、发卡机(或管理员)、车位显示屏、摄像头、电动栏杆、挡车器组成。其控制原理如图所示。图3.4 入口控制原理图首先，车辆经过检测器时，车辆检测器A检测汽车，记录车辆特征，然后核对该车是不是停车场的固定用户。如果是固定用户就由读写器A完成对此用户的时间信息登记，车辆检测器B检测到车辆后打开道闸机并拍摄图像，当车辆检测器C检测到车辆后就关闭道闸机。如果是临时用户就关闭读写器A同时语音播放通知客户取卡，并打开读写器B等待临时客户的信息登记。临时客户就由读写器B对其进行时间信息登记并打开道闸机和拍摄图像，等车辆检测器C检测到车辆后就关闭道闸机22。3.1.2 泊车引导系统泊车引导系统很重要，作用就是帮助司机迅速找到合适的空余车位。泊车引导子系统由通道上的引导显示牌组成。引导显示牌主要安装在道路岔口处，指示停车场中左方、右方和前方剩余车位的数量。1. 泊车引导系统工作流程通过车位探测器可以实时采集停车场的各个停车位的停车情况，区域控制器按照轮询的方法对停车场各个车位的相关信息进行收集，并按照一定规则将数据压缩编码后反馈给主控制器，由主控制器对整个车场的车位停放信息进行分析处理后，发送给停车场内各指示牌、引导牌等提供信息，指导车辆进入相关车位，并同时将数据传送给计算机，由计算机将数据存放到数据库服务器，计算机系统提供数据查询接口。2. 系统安装分布详细解读停车场各个入口 停车场的每个入口均应该安装入口车位信息总显示屏，用于显示停车场内车位信息。显示屏由高亮度户外LED模块、驱动电路、控制电路、支架等部分组成。它接收中央控制器的车位统计信息，用数字和文字形式实时显示当前停车场空闲车位数量，提示准备入场的车辆司机。安装效果如图： 图3.5 入口车位信息总显示屏户外显示屏： 工作电压： AC 110-240V 功率：40W 通讯方式：RS485 通讯速率：4800 辉度：500cd/ 停车场内部岔道口 停车场内部重要的岔道口需安装车位引导显示屏，显示屏由高亮度户外LED模块、驱动电路、控制电路、支架等部分组成。它接收中央控制器的输出信息，用数字、箭头和文字等形式显示车位方位，引导司机快速找到系统分配的空车位。停车场中央控制器通过网络可以实现每个路口的任意方向的引导，从而将车流分配到停车场最适合的位置，保证停车场的畅通和充分利用车位。安装效果如图： 图3.6 车位引导显示屏室内空位显示屏： 工作电压： AC 110-240V 功率：30W 通讯方式：RS485 通讯速率：4800 辉度：300 cd/ LED点阵：点阵64*24每个停车位每个停车位上均需安装一个车位探测器和一个车位指示灯。车位指示灯直接从车位探测器上接线，施工方便。对每个车位的占用和空闲情况进行可靠检测。在每个车位上方安装超声波探测器即可探测到有无车辆停泊在车位上。如果有车，探测器控制车位指示灯显示红色，否则显示绿灯。安装效果图：图3.7 停车位指示灯车位指示灯： 工作电流：20MA LED辉度（绿/蓝）：9000mcd LED辉度(红)：5000mcd LED灯珠数量：6红 6绿/蓝 工作温度：-50+80 可视距离：50m区域控制器区域控制器，专业上又叫节点控制器。区域控制器对保证泊车引导系统的安全、可靠与高效有重要作用。区域控制器循环检测所接探测器的状态，并将有关信息传到中央控制器。每一个区域控制器连接控制约40个车位探测器，用于连接中央控制器和车位探测器、显示屏、引导箭头等。还解决了长距离通信不可靠的问题、网络节点数扩展问题、分组管理问题等22。区域控制器： 工作电压： AC110240V 通讯方式： RS485 通讯速率： 4800 容量： 小于60,40最佳图3.8 区域控制器图3.9 区域控制器（协调器）软件工作流程中央控制器中央控制器负责整个停车场引导系统的采集与控制，是系统核心。中央控制器采用Motorola公司的DSP实现综合控制，主频速度达到80MPIS，性能卓越，能够承担高达8000个车位的停车场管理功能。停车场引导系统的核心功能是进行车位引导，该功能主要由中央控制器完成。3.1.3 出口通道系统出口通道系统由车辆检测、低频唤醒、监控摄影机部、监控中心和自动道闸机组成。出口流程如下:1、由车辆检测器D检测到汽车，记录车辆特征并通知控制中心，由控制中心打开摄像装置;2、通信并确认车辆是否与进来的是同一辆车，如果不是则扣留车辆，如果是则判断是固定还是临时用户;3、如果是固定用户则由道闸机自动放行，如果是临时用户则收卡并收费后放行;4、当车辆检测器E检测到车辆离开后，放下自动道闸机21。图3.10 出口通道流程图3.2 停车场空位检测系统的实现在商业城、娱乐区等车辆密集的地带，只有高效率的停车场管理系统才能适应现代停车场的需求。其中车位的检测是停车场管理系统的一项必不可少的指标。停车场对车位检测的准确度和稳定性提出了很高的要求，因为车位检测的失误会造成车辆的拥挤，并可能使停车场陷于瘫痪状态。3.2.1车位检测电路方案论证 触发类型的选择是实现车位状态检测的关键技术。触发类型的选择可以看作是传感器类型的选择。下面对传感器的性能进行仔细的对比。1、红外线传感器当有车驶入某车位时，红外探头对射感应并把车位状态上报给控制中心。红外探测具有价格低廉、应用范围广的优点，并且由于开发较早，技术相对成熟。但是红外也有很多不利因素：1)容易受各种热源、光源、电磁和其他人员的干扰，在停车场的复杂环境里会导致的误报；2)容易造成多次触发，车位检测要求有一个确定的触发状态，尤其是在车位进出时车位的时候，给车位实时监测带来难度，所以不能满足设计要求;3)无法实现车位状态的主动查询。2、超声波传感器超声波传感器一般是用来测距的，根据声波在空气中传输的时间来得到距离。根据使用环境，计算出最大误差值，当某车位无车时，超声波传感器测得的距离大于门限值;当有车时，测得的距离小于门限值。这样可以清晰显示车位的状态，而且控制中心可以随时主动查询车位状态的信息。当然，超声波传感器也有缺点：1)周围环境产生40kHz左右的噪音时会导致超声波传感器接收错误;2)一个超声波传感器发射接收容易受干扰，两个相近的物体可能引起超声波传感器的接收错误;3)不能适应多风的场合，风不能大于六级。能否主动获取车位状态信息是车位状态检测的一项基本要求，因此在停车场中超声波传感器的缺点基本可以避免。经综合考虑以上方案，最终选择超声波传感器19。3.2.2 停车位检测器的设计停车场的环境比较复杂，红外线传感器构成的车位检测器易受灰尘影响，并且安装不便，所以并没有得到普遍应用。本次设计将超声波车位传感器安装在车位的正上方，向下发射超声波，超声波经过地面或车辆顶部反射又由传感器接收，即可获取超声波传输的时间，从而计算超声波传输的距离。当车位有车时，其所得距离与无车时的距离是不一样的，由此判断车位上有无泊车。本次设计采用的是TGWH636超声波传感器，具有防误检功能，如防相邻车位误检、人员在停车位上误检、障碍物误检等，本探测器是停车场车位检测系统首选探测器。探测器工作稳定可靠，技术成熟，已经装备了多个国家重要部门的停车场，占有国内大部分市场。探测器外形美观，实时状态灯显示车位，现场安装、调试、维修方便。 探测器安全可靠，保证全部接线与外部