精品文檔-下載后可編輯停車(chē)誘導(dǎo)系統(tǒng)中區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)-技術(shù)方案為降低城市級(jí)停車(chē)誘導(dǎo)系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本，提出一種無(wú)需建立管理控制中心的系統(tǒng)架構(gòu)，采用LPC11C14和CC2530作為芯片設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中的重要組成部分--區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)所開(kāi)發(fā)出的測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，表明該Zigbee網(wǎng)絡(luò)可準(zhǔn)確接收用戶手機(jī)發(fā)出的停車(chē)請(qǐng)求，并能根據(jù)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)車(chē)位狀態(tài)向用戶反饋車(chē)位信息，從用戶發(fā)送請(qǐng)求到收到反饋信息的時(shí)間不超過(guò)10s。

停車(chē)誘導(dǎo)系統(tǒng)是一種以多級(jí)信息發(fā)布為載體，可實(shí)時(shí)地提供停車(chē)場(chǎng)的位置、車(chē)位數(shù)、車(chē)位狀態(tài)等信息，指引駕駛員有效停車(chē)的信息系統(tǒng)。根據(jù)覆蓋范圍的大小，停車(chē)誘導(dǎo)系統(tǒng)一般又可分為城市級(jí)和停車(chē)場(chǎng)級(jí)兩種。為節(jié)約城市級(jí)停車(chē)誘導(dǎo)系統(tǒng)的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本，本文提出一種無(wú)需建立管理控制中心的系統(tǒng)架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)研究所提架構(gòu)中的重要組成部分--區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。

1研究現(xiàn)狀

停車(chē)誘導(dǎo)系統(tǒng)是一種用于緩解城市中停車(chē)難現(xiàn)象的智能交通系統(tǒng)。國(guó)外早出現(xiàn)于1971年的德國(guó)亞琛市，近40年的發(fā)展效果顯著。我國(guó)的建設(shè)興起于2022年，近10多年的發(fā)展也取得了不錯(cuò)的效果。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外的各種系統(tǒng)雖各有特點(diǎn)，但它們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理基本相似，均大致由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、中央管理和數(shù)據(jù)發(fā)布4個(gè)部分組成。因此，均需建設(shè)和維護(hù)一個(gè)城市級(jí)的管理控制中心，運(yùn)營(yíng)部門(mén)也需要長(zhǎng)期繳納數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)布兩部分與管理控制中心間的通信費(fèi)用，導(dǎo)致系統(tǒng)的建設(shè)和后期運(yùn)營(yíng)的成本較高。

2系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過(guò)在城市的每一個(gè)室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)、每一個(gè)室外停車(chē)場(chǎng)和每一塊路邊停車(chē)區(qū)域分別部署一個(gè)“區(qū)域性”的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并與停車(chē)用戶的智能手機(jī)相配合，即可完成在整個(gè)城市中實(shí)現(xiàn)停車(chē)誘導(dǎo)的功能。在上述架構(gòu)中，無(wú)需建設(shè)一個(gè)城市級(jí)的管理控制中心，從而可大大節(jié)約系統(tǒng)的建設(shè)與后期運(yùn)營(yíng)成本。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其大致工作流程為：

圖1一種低成本城市級(jí)停車(chē)誘導(dǎo)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

1）每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的所有終端結(jié)點(diǎn)定期采集所連接的傳感器傳來(lái)的車(chē)位狀態(tài)信息。

2）若采集到的車(chē)位狀態(tài)與上次狀態(tài)不同，則將當(dāng)前車(chē)位狀態(tài)發(fā)送給相鄰的路由器結(jié)點(diǎn)，并等待協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的反饋。若超過(guò)一定時(shí)間未收到反饋則重發(fā)，直至收到反饋。

3）各路由器結(jié)點(diǎn)把所收到的終端結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)。

4）協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)收到車(chē)位狀態(tài)變化的消息后，給終端結(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋，并更新數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）當(dāng)汽車(chē)行駛至某地時(shí)，用戶觸發(fā)智能手機(jī)提出尋找車(chē)位的請(qǐng)求，事先安裝好的智能手機(jī)軟件根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前位置運(yùn)行停車(chē)場(chǎng)尋優(yōu)算法確定的停車(chē)場(chǎng)（或路邊停車(chē)區(qū)域）。

6）智能手機(jī)軟件與停車(chē)場(chǎng)（或路邊停車(chē)區(qū)域）的協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)通信，協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)查詢當(dāng)前的車(chē)位狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。若無(wú)空閑車(chē)位，將所有車(chē)位已滿的信息反饋給智能手機(jī)軟件；否則，系統(tǒng)運(yùn)行停車(chē)位尋優(yōu)算法確定的停車(chē)位。

7）確定停車(chē)位后，智能手機(jī)軟件先將車(chē)輛引導(dǎo)至目的停車(chē)場(chǎng)（或路邊停車(chē)區(qū)域）。再繼續(xù)將車(chē)輛引導(dǎo)至目的停車(chē)位。

3區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)

區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器、終端三類結(jié)點(diǎn)構(gòu)成。終端結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)定時(shí)采集車(chē)位狀態(tài)并將車(chē)位狀態(tài)變化的信息發(fā)送出去；路由器結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)車(chē)位狀態(tài)變化信息；協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的任務(wù)包括：接收車(chē)位狀態(tài)變化信息并更新數(shù)據(jù)庫(kù)，接收用戶通過(guò)智能手機(jī)發(fā)出的停車(chē)請(qǐng)求，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的車(chē)位狀態(tài)，運(yùn)行停車(chē)位尋優(yōu)算法，向用戶反饋車(chē)位信息等。

在協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中，需要以下主要器件：1）一塊嵌入式控制器芯片，用于管理嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)；2）一塊Zigbee通信芯片，用于與路由器結(jié)點(diǎn)通信；3）一塊GPRS模塊，用于與用戶智能手機(jī)進(jìn)行通信。

嵌入式控制器選用恩智浦公司的LPC11C14芯片。該芯片采用Cortex-M0內(nèi)核處理器，工作頻率可達(dá)50MHz。在存儲(chǔ)器方面，配置了32kBFLASH和8KBSRAM;在接口方面，配置有一個(gè)串口、一個(gè)2通道10位ADC、兩個(gè)SPI接口、一個(gè)I2C接口、一個(gè)SWD接口等。

Zigbee通信芯片選用n公司的CC2530。該芯片適用于2.4GHzIEEE802.15.4和Zigbee等應(yīng)用。芯片內(nèi)部包括射頻收發(fā)器、可編程閃存、增強(qiáng)型8051MCU、8KBRAM等。由于從休眠模式轉(zhuǎn)換到工作模式的耗時(shí)非常短，所以該芯片特別適合低功耗應(yīng)用。

由于LPC11C14芯片內(nèi)部不含EEPROM,為實(shí)現(xiàn)車(chē)位狀態(tài)數(shù)據(jù)在嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)，通過(guò)I2C接口外接AT24C02芯片。LPC11C14與CC2530間的通信設(shè)計(jì)為利用串口進(jìn)行通信。因?yàn)長(zhǎng)PC11C14只有一個(gè)串口資源，為實(shí)現(xiàn)LPC11C14與GPRS模塊的串行通信，采用SPI轉(zhuǎn)串口芯片MAX3100進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

GPRS模塊采用通用模塊SIM_300S。LPC11C14板的電源芯片采用MIC5209,CC2530板的電源芯片采用HT7533。協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的總體硬件框圖如圖2所示。

圖2協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

終端結(jié)點(diǎn)和路由器結(jié)點(diǎn)的硬件框圖與協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中CC2530的框圖非常類似。區(qū)別主要是終端結(jié)點(diǎn)中連接有車(chē)位檢測(cè)傳感器，此外終端結(jié)點(diǎn)和路由器結(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電。

4區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中LPC11C14的主程序流程圖如圖3所示。上電后首先完成初始化。若接收到CC2530發(fā)送的車(chē)位狀態(tài)變化信息，給CC2530發(fā)送反饋，隨即更新數(shù)據(jù)庫(kù)。若接收到停車(chē)請(qǐng)求，則根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的車(chē)位當(dāng)前狀態(tài)，判斷有無(wú)空閑車(chē)位。若有空閑車(chē)位，運(yùn)行停車(chē)位尋優(yōu)算法，確定停車(chē)位。之后，通過(guò)GPRS模塊向用戶反饋結(jié)果。

圖3LPC11C14的主程序流程圖

圖4協(xié)調(diào)器CC2530的主程序流程圖

協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中CC2530的主程序流程圖如圖4所示。初始化后，首先判斷是否收到車(chē)位狀態(tài)變化消息。若未收到，進(jìn)入休眠狀態(tài)；若收到，則從休眠狀態(tài)回到正常狀態(tài)。接下來(lái)，為防止車(chē)位狀態(tài)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)前丟失，需在CC2530內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器中臨時(shí)存放。之后，通過(guò)路由器結(jié)點(diǎn)給終端結(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋。，把車(chē)位變化信息發(fā)送給LPC11C14并等待反饋。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到反饋，則重發(fā)；若收到反饋，則進(jìn)入休眠狀態(tài)。

終端結(jié)點(diǎn)的主程序流程圖如圖5所示。初始化后對(duì)車(chē)位檢測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CC2530自帶的A/D模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后以循環(huán)覆蓋的方式存入CC3530內(nèi)部的FLASH。之后，判斷當(dāng)前狀態(tài)與上一個(gè)狀態(tài)是否相同。若車(chē)位狀態(tài)發(fā)生變化，由Zigbee射頻模塊通過(guò)路由器結(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，并等待協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的反饋。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的反饋，則重發(fā)數(shù)據(jù)；若收到反饋，則開(kāi)啟定時(shí)中斷后進(jìn)入休眠狀態(tài)。接下來(lái)等待定時(shí)中斷喚醒，進(jìn)行下的數(shù)據(jù)采集。

圖5終端結(jié)點(diǎn)的主程序流程圖

圖6路由器結(jié)點(diǎn)的主程序流程圖

路由器結(jié)點(diǎn)的主程序流程圖如圖6所示，若接收到終端結(jié)點(diǎn)發(fā)送的車(chē)位狀態(tài)變化信息，則產(chǎn)生外部中斷，從休眠狀態(tài)回到正常狀態(tài)。然后以循環(huán)覆蓋的方式存入CC3530內(nèi)部的FLASH.接著將車(chē)位狀態(tài)變化的信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)，并等待協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的反饋。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到反饋，則進(jìn)行重發(fā)；否則，向終端結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)發(fā)送的反饋，之后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待外部中斷喚醒。

5實(shí)物展示及模擬運(yùn)行結(jié)果

圖7為所開(kāi)發(fā)出的測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)物展示圖。在圖7的中上部，左邊是協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的LPC11C14板，右邊是協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)的CC2530板。在LPC11C14板中，左邊帶有天線的部分是商品化的GPRS模塊。在CC2530板中，中上部帶有天線的部分是商品化的Zigbee射頻模塊。由于這兩部分的頻率均處于微波頻段，因此為保證可靠性采用商品化的成熟模塊。在圖7的中下部，左邊是路由器結(jié)點(diǎn)，右邊是終端結(jié)點(diǎn)。為保證測(cè)試效果，這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)在測(cè)試時(shí)均采用的是商品化的Zigbee模塊，測(cè)試通過(guò)后可將底板替換為自己開(kāi)發(fā)的底板（即：目前協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)中CC2530板所用的底板）。

圖7測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)物展示圖

為測(cè)試區(qū)域性Zigbee網(wǎng)絡(luò)軟、硬件設(shè)計(jì)的有效性，事先在LPC11C14板的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中存入如表1所示的測(cè)試數(shù)據(jù)。之后，利用手機(jī)發(fā)送短信向LPC11C14板的GPRS模塊提出停車(chē)請(qǐng)求。接下來(lái)，LPC11C14運(yùn)行停車(chē)位尋優(yōu)算法。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后得出結(jié)論：005號(hào)車(chē)位。然后，LPC11C14的GPRS模塊向手機(jī)回復(fù)短信。短信的發(fā)送和接收界面如圖8所示。根據(jù)計(jì)時(shí)結(jié)果，從觸發(fā)短信發(fā)送按鈕到收到反饋的時(shí)間不超過(guò)10秒。

圖8手機(jī)發(fā)送和接收信息的顯示界面

注：1）當(dāng)前狀態(tài)為0時(shí)，表示車(chē)位為占用狀態(tài)；當(dāng)前狀態(tài)為1時(shí)，表示車(chē)位空閑。2）兩邊車(chē)位的占用情況為0時(shí)，表示兩邊車(chē)位均未被占用；為1