(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

目前,地下停車場多采用傳統(tǒng)光源，并采用全天供電的方式，能源浪費嚴重。同時，我國汽車的擁有量不斷攀升，但地下停車場的利用率卻很低。原因在于駕駛員無法第一時間獲取當(dāng)前空車位數(shù)量，而且進入場內(nèi)只能靠場內(nèi)工作人員引導(dǎo)或車道上的路標自行尋找空車位。基于此，本文構(gòu)建了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的地下停車場智能化照明與引導(dǎo)系統(tǒng)。由于地下停車場幾乎沒有障礙物，不會影響ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信，因此設(shè)備移動性好。以LED取代傳統(tǒng)光源，節(jié)能環(huán)保，壽命長，而且可有效利用LED的易調(diào)光特性，對地下停車場進行智能照明控制。當(dāng)有車輛進入時，可結(jié)合給定的算法，為駕駛員選擇最佳停車位，并引導(dǎo)駕駛員在最短時間內(nèi)達到停車目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

地下停車場智能化照明與引導(dǎo)系統(tǒng)[1]主要由檢測節(jié)點、LED燈具節(jié)點和協(xié)調(diào)器三部分組成。檢測節(jié)點包括安裝在入口處的車輛檢測節(jié)點和每個停車位上方的車位檢測節(jié)點；LED燈具節(jié)點安裝在車道上方；協(xié)調(diào)器安裝在管理室外部。這三部分構(gòu)成了第一層網(wǎng)絡(luò)，即ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過RS-232總線與管理室的監(jiān)控中心實現(xiàn)通信，形成第二層網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 ZigBee組網(wǎng)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持三種拓撲結(jié)構(gòu)：星型拓撲、樹型拓撲和網(wǎng)狀拓撲。星型拓撲由協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點組成，每個終端節(jié)點直接和協(xié)調(diào)器進行通信，但終端節(jié)點須經(jīng)過協(xié)調(diào)器建立綁定關(guān)系才能進行通信。樹型拓撲由一個協(xié)調(diào)器和若干類似星型拓撲的子網(wǎng)組成，每個子網(wǎng)由一個路由器節(jié)點和若干終端節(jié)點組成。路由器節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站。不同子網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸時，需先將數(shù)據(jù)傳到路由進行匯總，再上傳給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器下傳的數(shù)據(jù)和控制信息也要經(jīng)過路由器節(jié)點進行分發(fā)。網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)絡(luò)的核心是由一個協(xié)調(diào)器和若干個路由器節(jié)點組成的一個骨干網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個節(jié)點之間都是對等的關(guān)系，可以和終端進行直接的數(shù)據(jù)通信[2]。

星型拓撲結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)起來較容易，但由于其覆蓋范圍有限，難以應(yīng)用在大型地下停車場。網(wǎng)狀拓撲是一種具有高穩(wěn)定可靠性的網(wǎng)絡(luò)，也具有很強的組網(wǎng)靈活性。數(shù)據(jù)的傳輸可以有很多路由路徑，但網(wǎng)狀拓撲組建較為復(fù)雜，對硬件的要求很高。在相對空曠的地下停車場中，障礙物較少，通信環(huán)境相對較好，選用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，不僅保證了通信能力，而且滿足地下停車場網(wǎng)絡(luò)覆蓋率廣、擴展性強的要求。

1.2 系統(tǒng)總體功能

為滿足監(jiān)控設(shè)備等地下停車場的一般照明需求，在無人員和車輛的情況下，LED燈具采取亮度為全亮度10%的節(jié)能模式。燈具裝有微波傳感器，當(dāng)感應(yīng)到周圍有人(車)移動信息時，可自行從節(jié)能模式變?yōu)槿炼饶Ｊ?。延時一段時間后，若未檢測到人員和車輛移動信息，則調(diào)回節(jié)能模式。各停車位檢測節(jié)點定時采集車位信息，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的車位信息轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器對所有車位信息進行處理后，通過RS-232上傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)反饋的空車位信息，對停車場內(nèi)部車位分布情況進行更新、存儲。當(dāng)監(jiān)控中心收到入口車輛檢測節(jié)點發(fā)送的有車輛進入信號時，會根據(jù)改進的Dijkstra算法，為車輛選擇最佳停車位及通往最佳停車位的最短路徑;并通過發(fā)送控制命令，將通往最佳停車位的最短路徑上的LED燈具依次變?yōu)槿聊Ｊ?，以引?dǎo)駕駛員在最短時間內(nèi)達到停車目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器、LED燈具節(jié)點、檢測節(jié)點的微控制器均選用TI公司的CC2530芯片。CC2530是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)(system on chip,SOC)的解決方案，內(nèi)嵌增強型8051內(nèi)核并集成了RF射頻收發(fā)模塊。CC2530的片內(nèi)外設(shè)包括調(diào)試、閃存控制器、I/O控制器、DMA控制器、定時器、ADC、隨機數(shù)發(fā)生器、AES加密/解密內(nèi)核、看門狗、UART等模塊。利用豐富的片內(nèi)外資源,用戶可以進行相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)[3]。

2.1 LED燈具節(jié)點設(shè)計

LED燈具節(jié)點電路主要由控制電路和驅(qū)動電路構(gòu)成，如圖2所示。燈具控制電路以CC2530微控制器為核心，由電源模塊、復(fù)位電路、振蕩電路、Debug調(diào)試接口、射頻模塊、微波傳感器組成[4]。

圖2 LED燈具節(jié)點硬件框圖

微波傳感器負責(zé)對感應(yīng)范圍內(nèi)的人員車輛移動情況進行檢測。CC2530微控制器的外圍模塊主要包括復(fù)位電路、振蕩電路及Debug調(diào)試接口。射頻模塊通過連接CC2530微控制器的RF-P和RF-N引腳實現(xiàn)ZigBee無線通信。驅(qū)動電路主要由AC/DC轉(zhuǎn)換電路、PFC功率因數(shù)校正電路、DC/DC降壓電路、恒流源控制電路組成，支持可變占空比的PWM數(shù)字脈沖調(diào)光方式，因此輸出的恒定電流精度高，確保了LED光源亮度的一致性。當(dāng)微控制器接收到微波傳感器發(fā)送的人車移動信息或接收到監(jiān)控中心的控制命令時，通過逐級改變PWM脈沖信號的占空比來改變恒流源的輸出電流，實現(xiàn)LED亮度的平滑調(diào)節(jié)，達到LED智能照明或LED照明引導(dǎo)的目的。

2.2 檢測節(jié)點和協(xié)調(diào)器設(shè)計

檢測節(jié)點分為入口處車輛檢測節(jié)點和車位檢測節(jié)點，兩個節(jié)點硬件電路唯一不同的是傳感器模塊。入口處車輛檢測節(jié)點僅在車輛進入時對協(xié)調(diào)器發(fā)送信號?？紤]到要保證對人車信號準確區(qū)分，傳感器部分選用技術(shù)和應(yīng)用比較成熟的地感線圈。車位檢測節(jié)點安裝在每個停車位上方，主要負責(zé)對車位占缺信息進行檢測，因此選擇超聲波傳感器?；诔暡ㄔ?，通過測量聲波從發(fā)出、到目標物體再反射回來所需要的時間來進行傳感監(jiān)測，探測車位是否被車輛占用。

協(xié)調(diào)器負責(zé)整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護[5]。一方面接收子節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)信息，并通過RS-232模塊上傳給監(jiān)控中心；另一方面接收監(jiān)控中心的命令，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將命令下達給子節(jié)點。實時時鐘主要記錄車輛駛?cè)胲囄缓碗x開車位的實時時間,方便停車場智能管理。存儲器主要負責(zé)協(xié)調(diào)器大量數(shù)據(jù)的存儲。RS-232模塊則負責(zé)協(xié)調(diào)器與監(jiān)控中心的通信。

檢測節(jié)點和協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 檢測節(jié)點及協(xié)調(diào)器硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Z-Stack協(xié)議棧

協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點、LED燈具節(jié)點、車位檢測節(jié)點的軟件設(shè)計主要是基于Z-Stack協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-Stack協(xié)議棧包括物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)，應(yīng)用層又分為應(yīng)用層框架(AF)、應(yīng)用支持層(APS)和ZigBee設(shè)備對象(ZDO)。各層通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點和管理實體服務(wù)接入點與其上下層進行交互。Z-Stack作為分層的模塊化協(xié)議棧，每層或者每個功能都被組織為一個文件夾。其中，App為用戶應(yīng)用層文件，用戶根據(jù)需求修改、添加應(yīng)用任務(wù)；HAL為系統(tǒng)硬件驅(qū)動存放區(qū)；MAC主要包括庫函數(shù)接口文件；MT為監(jiān)控調(diào)試層目錄；NWK為網(wǎng)絡(luò)層文件；OSAL用來存放操作系統(tǒng)抽象文件，是系統(tǒng)的核心目錄；Profile包括各種對AF進行處理的函數(shù)；Security主要存放安全相關(guān)的文件；Services包括地址處理的相關(guān)函數(shù)；Tools為工程配置文件夾；ZDO為ZigBee設(shè)備對象目錄；ZMac主要包括系統(tǒng)對MAC層進行參數(shù)的配置以及對MAC層庫函數(shù)的回調(diào)進行處理的函數(shù)；ZMain為主函數(shù)目錄；Output為文件輸出層。

3.2 應(yīng)用層設(shè)計

Z-Stack由main()函數(shù)開始執(zhí)行。首先進行系統(tǒng)的初始化，包括硬件及軟件、操作系統(tǒng)的相關(guān)初始化。初始化完成后通過osal_start_system()啟動操作系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)度為一死循環(huán)，通過輪詢機制查看是否有事件需要處理。與用戶相關(guān)的函數(shù)主要有ZDApp_init(taskID++)和GenericApp_init(taskID)。這兩個函數(shù)均被系統(tǒng)初始化任務(wù)函數(shù)osalinitTasks()調(diào)用。osalinitTasks()函數(shù)被操作系統(tǒng)初始化函數(shù)osal_init_system()調(diào)用。

系統(tǒng)通過配置ZDApp_init(taskID++)函數(shù)完成協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點、LED燈具節(jié)點、車位檢測節(jié)點的組網(wǎng)；通過任務(wù)初始化函數(shù)GenericApp_init(taskID)在應(yīng)用層添加相應(yīng)的任務(wù)，并通過任務(wù)間的相互合作來實現(xiàn)系統(tǒng)功能[6]。

協(xié)調(diào)器作為整個系統(tǒng)的核心，完成的功能包括網(wǎng)絡(luò)的初始化、組建及維護，對其他節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行處理，系統(tǒng)故障檢測、節(jié)點故障檢測及與監(jiān)控中心的串口通信。系統(tǒng)將任務(wù)劃分為數(shù)據(jù)處理任務(wù)、命令解析任務(wù)、數(shù)據(jù)上傳任務(wù)、數(shù)據(jù)下傳任務(wù)、故障檢測任務(wù)。路由器節(jié)點主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)及其子節(jié)點的故障檢測，任務(wù)劃分與協(xié)調(diào)器相同。檢測節(jié)點主要負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，主要劃分為信息采集任務(wù)、命令解析任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。LED燈具節(jié)點主要通過接收控制命令對LED燈具亮度進行調(diào)節(jié)，主要劃分為命令解析任務(wù)、燈具控制任務(wù)[7-8]。

3.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心采用Visual C++和SQL Server數(shù)據(jù)庫完成軟件設(shè)計，主要實現(xiàn)的功能有：對協(xié)調(diào)器發(fā)送的各車位占用信息和各個車輛的進出時間進行實時更新和存儲;當(dāng)有車輛進入時，根據(jù)車位引導(dǎo)算法為入場車輛選擇最優(yōu)車位和從入口到最優(yōu)車位的最短路徑，再通過協(xié)調(diào)器將控制命令發(fā)送到最短路徑上的各LED燈具節(jié)點。

引導(dǎo)算法采用了帶約束條件的優(yōu)化Dijkstra算法。從駕駛員角度出發(fā)[9-10]，將車位到人行出口(如電梯)的步行距離及方便性、從入口到車位的距離、停車安全性作為最佳車位選擇的主要因素?；舅枷霝椋阂匀诵谐隹跒橹行?，在一定范圍內(nèi)搜索空車位；然后分別以人行出口和停車場入口為中心，將這些空車位距離人行出口和停車場入口的最短路徑和空車位在停車

場的地理位置按照一定權(quán)值比例進行計算，選擇出最佳車位。這種方法不僅減少了節(jié)點數(shù)量、計算量和運算時間，而且從駕駛員需求角度考慮，大大提高了人性化程度。

4 結(jié)束語

本文基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一種地下停車場智能化照明和停車引導(dǎo)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠有效解決地下停車場耗能嚴重、控制方式不合理、可靠性差、停車難、引導(dǎo)系統(tǒng)不完善等問題。系統(tǒng)將智能照明與停車引導(dǎo)融合起來，靈活性好，可靠性強，大大提高了地下停車場的停車效率，具有一定的應(yīng)用價值。

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