摘  要： 針對小區(qū)車位管理混亂，管理水平低下等問題，設(shè)計(jì)了一種太陽能供電的無線傳感網(wǎng)車位管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、中心協(xié)調(diào)器、控制終端以及車牌識別系統(tǒng)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)均由太陽能光伏電池板供電。車牌識別系統(tǒng)識別進(jìn)出車輛牌號并送入控制終端查找確認(rèn)該車輛對應(yīng)的車位鎖（終端節(jié)點(diǎn)），并由中心協(xié)調(diào)器通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制該車位鎖的升降，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)車位網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理，提高了管理效率和水平，拓展了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。
關(guān)鍵詞： 車位鎖；太陽能；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；CC2530

　隨著我國大中城市經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，城市私人汽車數(shù)量飛速增長，給整個(gè)城市停車問題帶來了具大的壓力?？紤]到停車位的所有權(quán)、私用和公用問題，很多小區(qū)的停車位只供小區(qū)居民停放車輛所用，且小區(qū)的車位存在管理混亂、亂占車位等現(xiàn)象。
　一些停車場采用壓力傳感器來檢測車位狀況，但壓力傳感器能采集的參數(shù)有限，精度不高，而且需要在整個(gè)停車場地表鋪設(shè)傳感器。參考文獻(xiàn)[1]提出一種基于RFID和攝像控制的解決方案。該方法被眾多停車場所使用，但由于讀寫器需要布線、價(jià)格較貴、成本偏高，其可執(zhí)行度不高。參考文獻(xiàn)[2]把閉路監(jiān)控加以改造，將計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、模式識別和通信等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，打造計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測和控制停車位。不過，這種技術(shù)對圖像處理技術(shù)要求很高。參考文獻(xiàn)[3]在每個(gè)車位上方均設(shè)立超聲波檢測與視頻一體化的監(jiān)測。用視頻采集技術(shù)，可將車輛和車位匹配，但需要布線，且成本較高。
　考慮到小區(qū)車位專屬性，參考文獻(xiàn)[4]、[5]、[6]提出了基于車位鎖的解決方案。車位鎖控制簡單，成本較低，既能適用于收費(fèi)場合，也可在免費(fèi)或臨時(shí)停車場推廣使用。但沒能構(gòu)成智能化、信息化管理。參考文獻(xiàn)[7]提出一種基于GSM無線網(wǎng)絡(luò)的車位管理系統(tǒng)，但每個(gè)車位均需SIM卡，屬收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)。
近年來，隨著無線信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、低成本、低速率、近距離、短時(shí)延及高安全等特點(diǎn)，在交通、農(nóng)業(yè)、環(huán)境檢測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。基于小區(qū)車位管理的特殊性及目前車位管理的現(xiàn)狀，本文將ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)與車位管理相結(jié)合，構(gòu)建了無線車位管理系統(tǒng)，使得車位管理更具智能化、信息化，提高了管理效率和質(zhì)量。
1 車位管理系統(tǒng)構(gòu)成
　車位管理系統(tǒng)主要由分布式車位鎖節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)）、路由節(jié)點(diǎn)、中心協(xié)調(diào)器、控制終端以及車牌識別系統(tǒng)5個(gè)部分組成。車位管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　車位鎖節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)以自組織的方式組成以中心協(xié)調(diào)器為中心的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，控制終端通過中心協(xié)調(diào)器控制所有與之相連的路由節(jié)點(diǎn)及車位鎖節(jié)點(diǎn)。車牌號智能識別系統(tǒng)安裝在小區(qū)入口，通過攝像頭拍攝進(jìn)出車輛牌號，并將車牌信息送入系統(tǒng)控制終端，并與數(shù)據(jù)庫比對，確認(rèn)是本小區(qū)的車輛后，控制終端通過中心協(xié)調(diào)器發(fā)送指令給該車輛對應(yīng)的車位鎖節(jié)點(diǎn)，控制該車位鎖的升降，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)停車，該命令通過任一路由到達(dá)該節(jié)點(diǎn)。
　每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)除了基本的路由功能及控制車位鎖外，還要完成利用太陽能光伏電池板對蓄電池充電功能。由于各個(gè)車輛的進(jìn)出頻率較低，同一時(shí)刻兩輛及以上車輛同時(shí)進(jìn)出的概率很低，且車位鎖節(jié)點(diǎn)在沒有動(dòng)作時(shí)，均處于低功耗模式，因此，所有通過同一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)的車位鎖節(jié)點(diǎn)及該路由節(jié)點(diǎn)本身均由同一蓄電池供電。
2 車位鎖節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
　車位鎖節(jié)點(diǎn)要根據(jù)控制終端的指令實(shí)現(xiàn)對車位鎖的升降動(dòng)作，以便實(shí)現(xiàn)車輛的停車及駛出。在功能上，車位鎖節(jié)點(diǎn)可以劃分為微控制器功能模塊、無線通信功能模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)模塊。本設(shè)計(jì)采用CC2530作為主控芯片實(shí)現(xiàn)車位鎖節(jié)點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　微控制器采用CC2530F256集成芯片。CC2530F256是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4 ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它具有領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，8 KB的RAM和256 KB的Flash，具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530F256結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧（Z-StackTM），提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案。微控制器模塊與無線通信模塊電路如圖3所示。

　為了提高無線傳感模塊信息傳輸距離，在CC2530無線輸出端增加了RFX2401功率放大模塊。RFX2401是一個(gè)完全集成的單芯片射頻前端集成電路，為滿足ZigBee通信需要，它包含了所有的RF功能。RFX2401的架構(gòu)整合了功率放大器、低噪聲放大器、傳輸和接收開關(guān)電路、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、諧波過濾器和CMOS控制邏輯，專為2.4 GHz ISM頻段使用，并支持802.15.4和ZigBee2007標(biāo)準(zhǔn)，其性能優(yōu)越、靈敏度高、效率高、噪音低、尺寸小且成本低。
　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要用來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)完成車位鎖機(jī)械裝置的升降。為提高電機(jī)運(yùn)行效率，減小不必要的功率損耗，提高蓄電池供電時(shí)間，對電機(jī)采用PWM控制?？刂菩酒捎肧T公司的集成驅(qū)動(dòng)芯片L298。它的最高工作電壓可達(dá)46 V，輸出瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A，直流電流總和可達(dá)4 A。
3 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
　路由節(jié)點(diǎn)基本功能是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息，尋找最適合的路由路徑，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，可為節(jié)點(diǎn)分配地址。路由器獲得的地址是不變的，可作為點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂肥褂?。即使中心協(xié)調(diào)器掉電，路由器仍然在保持網(wǎng)絡(luò)，路由與路由之間仍然能夠通信，且當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，仍然能夠通過現(xiàn)有的路由獲得地址，加入網(wǎng)絡(luò)。
　此外，路由節(jié)點(diǎn)本身不但可以完成車位鎖功能，還要完成對蓄電池充電的任務(wù)。路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。太陽能光伏電池板經(jīng)充電電路對蓄電池充電，同時(shí)，蓄電池給路由節(jié)點(diǎn)及通過該路由節(jié)點(diǎn)分配地址并連接到網(wǎng)絡(luò)的車位鎖節(jié)點(diǎn)供電。為降低充電電路中電力電子器件的開關(guān)損耗，提高效率，充電電路采用結(jié)構(gòu)簡單、效率高的BUCK軟開關(guān)電路[8]。由于太陽能光伏電池板容量有限，且太陽光線在一天中不同時(shí)段強(qiáng)弱不同，因此，對蓄電池主要采用涓流充電的方法。

4 中心協(xié)調(diào)器
　中心協(xié)調(diào)器用來創(chuàng)建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，自動(dòng)分配地址給子節(jié)點(diǎn)，中心協(xié)調(diào)器為不能掉電設(shè)備，沒有低功耗狀態(tài)。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要且僅需要一個(gè)中心協(xié)調(diào)器，不同網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)ID號是不一樣的，如果在同一空間存在兩個(gè)中心協(xié)調(diào)器，且它們初始的網(wǎng)絡(luò)ID一樣，則后上電的中心協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)ID會自動(dòng)加一，以免引起網(wǎng)絡(luò)ID沖突。中心協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖如圖5虛線框內(nèi)所示。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
5.1系統(tǒng)組網(wǎng)
　根據(jù)圖1組建了一個(gè)車位管理的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

    一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)中心協(xié)調(diào)器，它可以給路由節(jié)點(diǎn)分配地址，地址已經(jīng)分配完的協(xié)調(diào)器不能與其他不是由協(xié)調(diào)器分配地址的路由器和終端節(jié)點(diǎn)直接通信，但可通過其他路由節(jié)點(diǎn)通信。路由節(jié)點(diǎn)由協(xié)調(diào)器或其他已存在的路由節(jié)點(diǎn)分配地址，它也可以為終端節(jié)點(diǎn)分配地址。終端節(jié)點(diǎn)理論上可以經(jīng)任意路由與中心協(xié)調(diào)器通信，至少可通過為該終端節(jié)點(diǎn)分配地址的路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，但不能經(jīng)由已經(jīng)提供完終端節(jié)點(diǎn)地址的其他路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。
5.2 數(shù)據(jù)傳輸
　數(shù)據(jù)傳輸分透明數(shù)據(jù)傳輸和點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。在透明數(shù)據(jù)傳輸模式下，中心協(xié)調(diào)器從接收到的數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到所有節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)內(nèi)容保持不變；所有節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到中心協(xié)調(diào)器，相當(dāng)于任一節(jié)點(diǎn)與中心協(xié)調(diào)器之間用電纜直接連接。點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸適合于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，接收方知道數(shù)據(jù)來源地址，發(fā)送方知道目標(biāo)地址。
　針對小區(qū)車位監(jiān)控、管理混亂及效率低下等問題，設(shè)計(jì)了一種太陽能供電的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)車位管理系統(tǒng)，給出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了高效率智能化停車，進(jìn)一步提高了車輛停車的安全性和可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 高潔.基于非接觸式IC卡的大型停車場管理系統(tǒng)的研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2006.
[2] 李伽.基于圖像處理的停車場收費(fèi)管理系統(tǒng)[D].武漢：華中師范大學(xué)，2006.
[3] 孫亮，黨力明.大型室內(nèi)停車場車位的超聲波檢測[J].儀表技術(shù)與傳感器，1996（10）：39-42.
[4] 包演生，姚維等.基于PSoC的車位鎖管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2010（9）：22-24.
[5] 王英姿.汽車智能車位鎖設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（12）：2020-2022.
[6] 凌云，柴政.智能車位鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].人工智能及識別技術(shù)，2009，30（5）：691-692.
[7] 魏偉.基于GSM無線網(wǎng)絡(luò)的車位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.
[8] 賈貴璽，張春雁，肖有文，等.新型軟開關(guān)BUCK軟開關(guān)電路的設(shè)計(jì)與仿真[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（2）：33-37.