李正明,汪付川

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于嵌入式的智能停車場遠程監(jiān)控系統(tǒng)*

李正明*,汪付川

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要:針對現(xiàn)階段的停車場的管理存在管理復(fù)雜、工作效率低等問題,設(shè)計了一種基于嵌入式和ZigBee技術(shù)的智能停車場遠程監(jiān)控系統(tǒng),以實現(xiàn)停車場的智能化控制。該系統(tǒng)通過ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)采集停車場中停車位的信息,利用嵌入式系統(tǒng)和GSM模塊進行數(shù)據(jù)的處理和傳輸,并通過上位機對整個停車場進行遠程監(jiān)控。介紹了系統(tǒng)的設(shè)計方案和工作原理,詳細闡述了系統(tǒng)框架,硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。通過數(shù)據(jù)傳輸性能和整體性能的測試表明,該系統(tǒng)完全達到停車場監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);停車場;GSM;ZigBee;無線傳感網(wǎng)絡(luò);監(jiān)控

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,城鄉(xiāng)居民的生活水平有了顯著的提高,人們對私家車的需求日益增加。汽車在給人們帶來方便的同時,由于停車場的監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷而造成許多不便。智能停車場是解決我國許多大中城市停車問題的有效手段。

目前國內(nèi)外大多停車場監(jiān)控系統(tǒng)都是基于傳統(tǒng)布線的基礎(chǔ)上實現(xiàn)停車場的監(jiān)控,宋飛等人在停車場安全監(jiān)控系統(tǒng)中提出了多媒體監(jiān)控[1],但是傳統(tǒng)布線繁瑣,而王慧等人則利用單片機對停車場遠程監(jiān)控[2],實時性較差。本文智能停車場監(jiān)控系統(tǒng)采用先進的技術(shù),將嵌入式技術(shù)及無線傳感技術(shù)有機結(jié)合起來。針對停車場傳統(tǒng)監(jiān)控方法的不足,提出了基于嵌入式和ZigBee技術(shù)的停車場監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)具有成本低、網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、相應(yīng)快且實時性好的優(yōu)點。能夠很好滿足智能停車場的監(jiān)控需要,具有一定的先進性和實用性。

1　系統(tǒng)框架描述

系統(tǒng)主要由ZigBee監(jiān)控終端節(jié)點,超聲波傳感器單元、GSM模塊、處理器單元以及上位機構(gòu)成。首先,通過超聲波傳感器檢測停車位的“占”、“空”狀態(tài),利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集和傳輸,并將信息傳輸?shù)紸RM處理器,ARM處理器分析并處理該信息,將處理的信息以AT命令的形式發(fā)送給GSM模塊,GSM模塊通過串口與ARM板相連,用戶可以通過短信查詢到停車場車位信息。在智能停車場內(nèi)部安裝協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點,組成一個龐大的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。實時檢測停車位的狀態(tài),智能停車場監(jiān)控系統(tǒng)功能包括以下幾點:(1)實時監(jiān)控停車場各個停車位的狀態(tài);(2)遠程控制停車場燈光;(3)短信查詢停車場的剩余空車位和車位信息;④緊急情況發(fā)出報警信號。系統(tǒng)各模塊連接實物圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)連接實物圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分由ARM核心板、超聲波傳感器、GSM模塊和ZigBee模塊等組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件電路框圖

2.1超聲波傳感器單元

國內(nèi)常用車位檢查器的類型主要有磁阻傳感器、地傳感器、視頻車位檢測器和超聲波傳感器等等。但是由于種種原因限制,一些車位檢查器的使用受到條件約束[3]。比如磁阻傳感器需要在地表以下30 cm左右,挖取路面來埋設(shè),更換傳感器較為麻煩。而地傳感器相對應(yīng)其他傳感器反應(yīng)速度較慢。視頻車位檢測則容易受天氣環(huán)境影響。超聲波傳感器的檢測范圍取決于其使用的波長和頻率。具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300 mm～500 mm波長大于5 mm的傳感器檢測范圍可達8 m。影響超聲波傳感器精度的因素有許多,其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度,因而許多超聲波傳感器具有溫度補償?shù)奶匦?。該特性能使模擬量輸出型的超聲波傳感器在一個寬溫度范圍內(nèi)獲得高達0.6 mm的重復(fù)精度。

因此,本文選取超聲波傳感器,這種傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波傳感器接收和發(fā)射電路原理圖如圖3、圖4所示。

圖3　超聲波接收電路原理圖

圖4　超聲波發(fā)射電路原理圖

2.2GSM通信模塊

系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的GSM模塊TC35i。此模塊設(shè)計緊湊,集射頻和基帶于一體,向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口。射頻就是射頻電流,它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1 000次的交流電稱為低頻電流,大于10 000次的稱為高頻電流,而射頻就是這樣一種高頻電流。TC35i模塊就是采用射頻傳輸方式,TC35i與ARM控制器通過UART接口1進行連接。

2.3ZigBee模塊

在停車場中,停車位與傳感器一般都是一一對應(yīng)的關(guān)系,而一般大型停車場的停車位的數(shù)目至少數(shù)百。智能停車場控制系統(tǒng)中,安全性以及傳輸效率都符合要求,采用ZigBee技術(shù)可以很好地傳輸控制信息[4]。

本停車場監(jiān)控系統(tǒng)是針對五百個左右車位的大型智能停車場所設(shè)計的,整個監(jiān)控系統(tǒng)包括上位機監(jiān)控中心、超聲波傳感器、視頻監(jiān)控等硬件設(shè)備。上位機監(jiān)控中心負責(zé)管理和協(xié)調(diào)整個監(jiān)控系統(tǒng),集中處理來自停車場內(nèi)的所有數(shù)據(jù),并對各個子操作系統(tǒng)發(fā)出操作指令,并且可以提供數(shù)據(jù)報表。在每個停車位上都安裝基于CC2430模塊的無線傳感器終端設(shè)備,每個區(qū)構(gòu)成一個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。整個停車場含有一個ZigBee協(xié)調(diào)器,每個區(qū)含有一個ZigBee路由器和多個具有精簡功能的無線傳感終端設(shè)備,ZigBee設(shè)備之間都是無線傳輸,ZigBee協(xié)調(diào)器與上位機監(jiān)控中心通過串口進行通信。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計部分基于Linux操作系統(tǒng)平臺,包括路由器節(jié)點軟件設(shè)計、GSM通信設(shè)計、系統(tǒng)移植和驅(qū)動設(shè)計。

3.1路由器節(jié)點軟件設(shè)計

路由器節(jié)點的軟件設(shè)計主要負責(zé)各個停車位上方傳感器采集信號,并進一步進行信息融合,將綜合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器[5]。流程圖如圖5所示。

圖5　路由器節(jié)點流程圖

3.2GSM通信設(shè)計

通過GSM模塊,用戶可以通過手機短信查詢停車場內(nèi)剩余空車位信息。TC35i短信模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。在TC35i使用之前,需要通過AT指令對其進行配置[6]。發(fā)送短信時,先將短信進行編碼,然后以PDU數(shù)據(jù)形式發(fā)送;接收短信時,利用AT指令讀取數(shù)據(jù),接收到的數(shù)據(jù)以十六進制7b編碼形式存儲在SIM卡內(nèi)。GSM短信模塊通信流程圖如圖6所示。

圖6　GSM短信模塊通信流程圖

3.3系統(tǒng)移植與驅(qū)動設(shè)計

建立嵌入式開發(fā)平臺,根據(jù)自己設(shè)計的硬件平臺制作U-boot引導(dǎo)程序以及文件系統(tǒng),使用Linux-2.6.31內(nèi)核,內(nèi)核需要移植DM9000,ADC,攝像頭等驅(qū)動?？蛻舳送ㄟ^網(wǎng)頁遠程訪問服務(wù)器,實現(xiàn)遠程監(jiān)控,這樣就需要在服務(wù)器端建立一個Web服務(wù)器。本系統(tǒng)選擇Boa服務(wù)器,它是一個單任務(wù)的HTTP服務(wù)器,支持CGI技術(shù)。而智能停車場遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為CGI編程[7]。CGI是“公共網(wǎng)關(guān)接口”(Common Gateway Interface)的簡稱,它是Web服務(wù)器和主機應(yīng)用程序之間進行信息交換的一種接口標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。CGI處理步驟:①通過Internet把用戶請求送到服務(wù)器;②服務(wù)器接收用戶請求并交給CGI程序處理;③CGI程序把處理結(jié)果傳送給服務(wù)器;④服務(wù)器把結(jié)果送回到用戶。CGI程序中的標(biāo)準(zhǔn)輸出是經(jīng)過重定向了的。CGI程序并不會在服務(wù)器上產(chǎn)生任何的輸出內(nèi)容,而是被重定向到客戶瀏覽器。這樣,如果編寫一個C的CGI程序的時候,把一個HTML文檔輸出到它的Std上,這個HTML文檔會被在客戶端的瀏覽器中顯示出來。這也是CGI程序的一個基本原理[8]。

首先,移植嵌入式Web服務(wù)器Boa,同時修改Boa.conf文件指定網(wǎng)頁文件和Cgi-bin的路徑。將jpeg、SDL庫從交叉編譯器的lib目錄拷貝到根文件系統(tǒng)的/lib目錄下,并且運行mjpg-streamer,在串口終端輸入命令:#mjpg-streamer-i“/lib/input_uvc.so”-o“/lib/output_http.so-w 192.168.1.10:8080”。其中-i表示輸入模塊,-o表示輸入模塊,ARM板的IP地址和服務(wù)器端口號是8080。客戶端使用這個IP地址和端口號就能登錄服務(wù)器。

4　測試結(jié)果

4.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸測試

對協(xié)調(diào)器與數(shù)據(jù)集中器的傳輸兩點間的測試,網(wǎng)關(guān)通過RS232串行接口連接到數(shù)據(jù)集中器,由數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)至電腦。本系統(tǒng)采用1個協(xié)調(diào)器節(jié)點,2個路由器節(jié)點和4個終端節(jié)點進行測試。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率即數(shù)據(jù)接收端成功接收到來自數(shù)據(jù)發(fā)送端的數(shù)據(jù)率[10]。測試過程中,分別采用發(fā)送周期10 ms、20 ms、30 ms、40 ms和50 ms進行測試,可以知道當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送周期為50 ms時,丟包率為0。為了記錄數(shù)據(jù)包收發(fā)情況,節(jié)點上位機程序均采用串口調(diào)試程序。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率測試結(jié)果如表1所示。

表1　網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率測試結(jié)果

4.2系統(tǒng)性能測試

首先,用網(wǎng)線連接ARM板與PC機的網(wǎng)口,確保網(wǎng)絡(luò)連通,Zigbee模塊與arm通過串口連接。然后打開電源,運行操作系統(tǒng)。最后,在PC機上運行web瀏覽器,在地址欄輸入相應(yīng)的IP地址http://192.168.1.10[9]。進入登錄界面,輸入用戶名和密碼,成功登陸后進來智能停車場遠程監(jiān)控系統(tǒng)的主頁面。如圖7所示,通過視頻監(jiān)控、燈光控制、車位狀態(tài)和報警4個按鈕可以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

圖7　智能停車場遠程監(jiān)控系統(tǒng)主頁面

5　結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于ARM和ZigBee的嵌入式智能停車場監(jiān)控系統(tǒng),同時結(jié)合了GSM模塊,方便用戶查詢剩余停車位信息。由于現(xiàn)階段的停車場監(jiān)控系統(tǒng)大部分是利用布線來傳輸數(shù)據(jù),存在布線繁瑣的問題,還有許多停車場則利用單片機來實現(xiàn)遠程監(jiān)控,實時性相比ARM處理器較差。而利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)以及傳感器控制電路進行智能停車場車位信息的采集和對相應(yīng)情況進行控制,解決了布線問題。在Linux操作系統(tǒng)下,編寫驅(qū)動程序,建立web服務(wù)器并對CGI網(wǎng)絡(luò)編程。用戶可以通過上位機遠程對智能停車場進行監(jiān)控,解決了實時性差的問題。需要改進的地方是:沒有考慮外接傳感器后的數(shù)據(jù)處理和傳輸問題,在后續(xù)研究中,還應(yīng)考慮更多的因素。

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李正明(1958-),男,漢族,江蘇沭陽人,江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院博士生導(dǎo)師,主要從事嵌入式系統(tǒng),工業(yè)過程集散控制的研究,18013449187@163.com;

汪付川(1988-),男,漢族,江蘇大豐人,江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院碩士研究生,主要從事嵌入式系統(tǒng)研究,842653950@qq.com。

IntelligentParkingRemoteMonitoringandControlSystemBasedonembedded*

LIZhengming*,WANGFuchuan

(School of Electronic and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

Abstract:As the management of the parking lot exists lots and lot of complicated and inefficient management problems at this stage,an intelligent parking remote monitoring system was designed,which combine embedded and ZigBee,in order to achieve the intelligent control of parking.This system uses ZigBee sensor network to collected a lot of the parking lot information,and uses embedded systems and GSM module for data processing and transmission.And through the host computer the system perfects the remote monitoring of the entire parking lot.This paper introduces the system design and operating principle,and describes the system frame,hardware and software design exhaustively.Through the data transmission performance and overall performance tests show that the system fully meets the application requirements of parking control system.

Key words:embedded system;parking;GSM;wireless sensor networks;monitor

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.034

中圖分類號:TP27

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0742-04

收稿日期:2013-08-18修改日期:2013-09-11

項目來源:江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(蘇政辦發(fā)[2011]6號)