基于ZigBee无线通信的智能停车诱导系统设计研究_刘远仲.pdf

wwwele169com|45信息工程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。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 1002000 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）基金项目：南充职业技术学院院级科研课题（ZRB202109）；南充职业技术学院教改研究项目（nzjgy2121）；南充市社科研究“十四五”规划项目（NC21B112）。摘要：针对停车场人工管理车位利用率低，车主停车耗时长等问题，结合ZigBee无线通信的网络优势，设计了一种基于ZigBee无线通信的智能停车诱导系统。系统以芯片cc2431作为ZigBee网络终端节点的处理芯片来实现数据收发无线传输，使用STM32F407作为嵌入式系统信息处理的主控芯片对数据进行分析处理，智能控制终端设备，在结合停车场智能监控设备使得停车诱导系统具备精准检测停车场车位空置数、空置位置和最佳停车路径提示诱导功能，提高了停车场车位的使用和管理效率。关键词：ZigBee技术；无线通信；物联网；停车诱导空余车位 提醒 ZigBee数据采集 获取车辆 牌照信息 分配最优 车位 嵌入式信息处理 计算最优 路径 发布最佳 车位信息 停车诱导 最佳停车路径提示 车辆入口 驶入 完成停车服务 路由中继调器 组网协调器 终端控制节点 图 1 智能停车诱导系统组成框图图 2 ZigBee 组网拓扑结构DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.01646|电子制作 2023 年 1 月信息工程置时单个路由子节点数量控制在 16 个以内。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。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。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PE21PE32PE43PE54PE65VBAT6PC137PC148PC159VSS10VDD11PH012PH113NRST14PC015PC116PC217PC318VDD119VSSA20VREF21VDDA22PA023PA124PA225PA326VSS227VDD228PA429PA530PA631PA732PC433PC534PB035PB136PB237PE738PE839PE940PE1041PE1142PE1243PE1344PE1445PE1546PB1047PB1148VCAP149VDD350PB1251PB1352PB1453PB1554PD855PD956PD1057PD1158PD1259PD1360PD1461PD1562PC663PC764PC865PC966PA867PA968PA1069PA1170PA1271PA1372VCAP273VSS474VDD475PA1476PA1577PC1078PC1179PC1280PD081PD182PD283PD384PD485PD586PD687PD788PB389PB490PB591PB692PB793BOOT094PB895PB996PE097PE198PDR99VDD5100STM32F107VET3U4STM32F407VET3GNDGNDled3led4DCMI_D4DCMI_D6DCMI_D7PC13RSTADC_BATPC1P4/AD3P5/AD3PA0PA1TXD2RXDDCMI_HSYNENET_RSTDCMI_PIXCKFSMC_D4FSMC_D5FSMC_D6FSMC_D7FSMC_D8FSMC_D9FSMC_D10FSMC_D11FSMC_D12P2/TXDP3/RXDVCAP1KEY1KEY2KEY3KEY4FSMC_D13FSMC_D14FSMC_D15DCMI_SCLlCD_RSDCMI_SDAFSMC_D0FSMC_D1DCMI_D0DCMI_D1DCMI_D2DCMI_D3ENET_INTTXD1RXD1CAM_RSTPA12SWDIOVCAP2SWCLKSPI_CS0PC10PC11PC12FSMC_D2FSMC_D3lCD_BLSPI_CS1FSMC_NOEFSMC_NWEBEEPlCD_CSSPI_SCKSPI_MIS0SPI_MOSIDCMI_D5DCMI_VSYNBOOT0P0/SCLP1/SDAled1led2PDRVBAT22pFC1822pFC2012Y3XTALGND22pFC2122pFC2212Y4XTALGNDVCC_3V3VCC_3V310mHL2Inductor100pFC23CapGNDVCC_3V3VCC_3V3GNDVCC_3V3P6P7PB2PB1PB0VCC_3V3GNDVCC_3V3VCC_3V3100nFC27Cap100nFC28Cap100nFC29Cap100nFC30Cap100nFC31Cap100nFC32CapGNDVCC_3V3100pFC24Cap100pFC25CapGNDVCAP2VCAP11KR11Res14.7KR12Res1NCR13Res1NCR14Res1BOOT0PDR10KR15Res1100nFC19CapS2SW-PBVCC_3V3GNDGNDRSTRESETD3Diode 10TQ035D4Diode 10TQ035100pFC26Cap1KR16Res1GNDVBATVCC_3V3VCC_3V3GNDGNDVCC_3V31234579111315171968101214161820J1BJLINK-JTAGYCCRSTTDITMSTCLKRTCKTDORSTNCNCYCCGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND10KR9Res110KR10Res110uFC17Cap Pol1GNDVCC_3V3TMSTCLKRSTJTAG-MCURTC12J4Battery HolderGND图 4 系统主控芯片电路设计123456789101112131415161718192021222324ZIGBEE2526U3CC2431GNDGNDGNDGNDDCJTCK_SWCLKMOSICSNRXDD_JRST DEBUG CLOCK P2_2/GD2/DCJTCK_SWCLKP2_0P1_6/SI/MOSI/SDINP1_4/CSN/SSSPI_CS P1_2P1_0P0_0/MIC_INPUT2431_UART_RX P0_2P0_4/RTSP0_6/JOYVDD33VCC_3V3VDD33VCC_3V3P0_7/SENSORP0_5/CTS/JOY_PUSHP0_3 2431 UART_TXP0_1_CANCELRESET_NP1_1/PWM_OUTPUTP1_3P1_5/SCLKP1_7/SO/GDO1/MISOP2_1/GD0/DDGNDDDMISOSCLKTXDRST图 3 ZigBee 无线网络节点原理图wwwele169com|47信息工程停车，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。下 位 机 软 件 工作流程为，首先启动停车场的车位检测点 Zi