引言

2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念[1]。報告指出：無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨，世界上所有的物體都可以通過互聯(lián)網(wǎng)主動進行信息交換。射頻識別技術(shù)（RFID）、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）、納米技術(shù)、智能嵌入式技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。2006年3月，歐盟召開會議“From RFID to the Internet Of Things”，對物聯(lián)網(wǎng)作了進一步的描述，并于2009年制定了物聯(lián)網(wǎng)研究策略的路線圖[2]。

可以認為物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)的停車位管理各自為政，且無法讓車主了解實時信息，車主在尋找停車位的同時既浪費了大量的時間，又浪費了寶貴的汽油資源。通過本文所設(shè)計的系統(tǒng)，可以把一座城市的停車位信息整合到一起，并動態(tài)實時地在網(wǎng)絡(luò)上顯示每個車位的使用信息，既方便了管理，又方便了車主，同時也節(jié)約了大量的人力物力資源。

1　系統(tǒng)模型

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市停車位管理系統(tǒng)采用“監(jiān)控中心—停車場主控節(jié)點—停車位測控器”的三層結(jié)構(gòu)，通過2.5G/3G的技術(shù)將監(jiān)控中心的城市停車場控制系統(tǒng)軟件和停車場主控節(jié)點聯(lián)系起來，而停車場主控節(jié)點又通過自主研發(fā)的停車位網(wǎng)絡(luò)將停車位的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到相關(guān)的停車位節(jié)點。（通過可選的2.5G/3G的通信技術(shù)可以為不同的城市選擇合適的通信方式。）該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。



圖1　城市停車位監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖1中的停車位節(jié)點1至N通過自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)了通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個停車場主控節(jié)點作為該停車場的主控節(jié)點，它作為Internet和停車位網(wǎng)絡(luò)的接口，通過提供可選的2.5G/3G通信技術(shù)和停車位自組網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，可以將停車位的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到世界上任何一個有Internet網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方。停車場主控節(jié)點將停車位信息發(fā)送到中心服務(wù)器，從而存入數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控中心通過對服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫操作可以實現(xiàn)對停車位的控制和監(jiān)測。

2　核心硬件設(shè)計

2.1　車載電子標簽和停車位測控節(jié)點

ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)[3]，是一種開放性的低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、雙向傳輸、高可靠性的新型短距離無線通信技術(shù)，其突出特點是應(yīng)用簡單、功耗低、成本低、可靠性高，在WSN中有著廣泛的應(yīng)用。與藍牙、WiFi和紅外等無線通信技術(shù)對比如表1所列[4]。

表1　無線技術(shù)比較

 
TI和Freescale這兩家公司在無線模塊生產(chǎn)中比較著名，而且生產(chǎn)的產(chǎn)品非常豐富，無論是早期的“MCU+射頻芯片”組合，如TI公司的“MSP430+CC2420/CC2520”、Freescale公司的“MC9S08GT60+MC13191/MC13192”，還是目前主流的單芯片解決方案，如TI的CC2430、CC2431，F(xiàn)reescale的MC1321x、MC1322x等，均為用戶提供了多種選擇的余地。對兩家公司同類產(chǎn)品對比分析，它們的性能指標基本相同，溫度范圍均在-40～85 ℃，靈敏度均為-92 dBm，最大傳輸速率為250 kbps[78]，但是Freescale公司的產(chǎn)品功耗更小，價格更低。
 
作者從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、芯片體積以及對其熟悉程度等方面因素考慮，最終確定使用Freescale公司的MC13213單芯片解決方案。MC13213芯片的功能框圖如圖2所示。



圖2　MC13213功能框圖
 
車載電子標簽及停車位測控節(jié)點均采用Freescale公司的MC13213芯片，標簽采用2.4G ZigBee無線協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，平常處于低功耗休眠狀態(tài)，只有當被喚醒之后才無線發(fā)送用戶的ID數(shù)據(jù)，之后立即進入休眠狀態(tài)，電子標簽工作電壓范圍2.0~3.3 V，休眠電流在10 μA以下。使用440 mAh電池,可正常工作一年以上。當停車位測控節(jié)點接收到從電子標簽發(fā)來的用戶ID信息時，停車位測控節(jié)點打開車位上的擋車器，并將用戶ID信息無線發(fā)送至停車場主控節(jié)點，停車場主控節(jié)點再通過25 G或3 G模塊將用戶ID信息發(fā)送至監(jiān)控中心服務(wù)器，實時更新停車位的使用信息。每個用戶可隨時通過電腦或手機登錄服務(wù)器的網(wǎng)頁，查詢該城市的所有停車位的空閑和占用情況。當用戶通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)訂某停車位時，監(jiān)控中心將該用戶ID逐步傳遞至停車位測控節(jié)點，則在預(yù)訂有效時間內(nèi)，只有擁有該ID的用戶到達時，停車位測控節(jié)點才打開停車位上的擋車器。若預(yù)訂車位時尚無空位，則當有空位時，停車位測控器可即時將空位信息傳至停車場主控節(jié)點，停車場主控節(jié)點即時通過GPRS短信通知用戶。

2.2　停車場主控節(jié)點

停車場主控節(jié)點作為一個停車場網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點和主控節(jié)點，是Internet和停車場網(wǎng)絡(luò)的接口網(wǎng)關(guān)。停車場主控節(jié)點主要由2個MCU控制器和兩個遠距離無線通信模塊GTM900B（華為GPRS通信模塊）和EM770W（華為WCDMA 3G通信模塊）組成。以MC13213無線傳感網(wǎng)絡(luò)微控制器為核心的停車場網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點負責和停車位無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信，將相關(guān)數(shù)據(jù)幀信息通過同步信號和SCI接口發(fā)送到2.5G/3G數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊，該模塊以32位ColdFire系列芯片MCF52223為核心（MCF52223芯片具有1個USB2.0通信和3個UART接口[10]，和3G模塊/2.5G模塊接口比較容易），接收數(shù)據(jù)后經(jīng)處理后封幀，然后通過2.5G/3G發(fā)送到監(jiān)控中心的服務(wù)器中。MCF52223可以通過SCI接口和GPRS模塊GTM900B進行數(shù)據(jù)通信，也可以通過USB接口和WCDMA模塊EM770W通信。同時2.5G/3G模塊接收到監(jiān)控中心的命令數(shù)據(jù)后，交由MCF52223解析，然后將解析后的命令發(fā)送到停車位網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點。主控節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到停車位網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

3　軟件設(shè)計

3.1　停車位測控節(jié)點主程序設(shè)計
主函數(shù)流程主要有三部分，有一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀處理隊列。第一個部分主要是系統(tǒng)的初始化和相關(guān)變量的設(shè)置；第二個部分主要是獲取車載標簽信息；第三個部分查看網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀處理隊列中是否有數(shù)據(jù)幀需要處理，如果有則將幀送給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀處理和轉(zhuǎn)發(fā)模塊來進行相關(guān)操作。

3.2　停車場主控節(jié)點軟件設(shè)計

3.2.1　RFZigBee接收數(shù)據(jù)模塊

該部分負責接收從停車位傳感網(wǎng)絡(luò)接收相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷該數(shù)據(jù)幀的正確性和合法性，然后對數(shù)據(jù)幀進行處理，之后經(jīng)SCI模塊發(fā)送至2.5G/3G數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊。

每當RFZigBee接收模塊收到一個IRQ中斷，中斷處理程序接收數(shù)據(jù)幀，在接收數(shù)據(jù)的過程中將數(shù)據(jù)放入緩存。應(yīng)用程序循環(huán)掃描緩存區(qū)，一旦發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，就取出數(shù)據(jù)并進行有效性驗證，然后做相應(yīng)處理之后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)前要先發(fā)送同步信號，保持通信的同步和穩(wěn)定。已發(fā)送數(shù)據(jù)幀緩存區(qū)定時清除。

3.2.2　RFZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)模塊

該部分主要負責偵聽串口數(shù)據(jù)，然后解析數(shù)據(jù)幀，同時判斷數(shù)據(jù)的有效性，判斷是否為2.5G/3G數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊發(fā)送來的命令。如果數(shù)據(jù)幀合法，那么對數(shù)據(jù)幀做一定的處理，然后發(fā)送給停車位傳感網(wǎng)絡(luò)。

所以MC13213無線傳感網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點主要是作為停車位傳感網(wǎng)絡(luò)的路由，將停車位傳感網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送給2.5G/3G的數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊去處理，同時將有意義的數(shù)據(jù)幀傳輸給對應(yīng)的停車位傳感網(wǎng)絡(luò)。

　　(1) 中斷處理函數(shù)流程

    中斷流程主要包括IRQ中斷和UART的中斷。使用了IRQ3和UART0/USB中斷。通過IRQ3來同步接收串口的數(shù)據(jù)。每次IRQ3中斷來時清接收計數(shù)標志為0，同時使能UART0/USB接收中斷。然后UART0/USB接收中斷開始接收數(shù)據(jù)，每接收一個接收計數(shù)標志就要加1，直到達到數(shù)據(jù)幀的長度之后，作對應(yīng)的校驗，如果正確將置對應(yīng)的標志位。

　　(2)主函數(shù)流程

　　主函數(shù)主要有兩個任務(wù)：

　　①  檢測是否收到GPRS/WCDMA模塊的數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)由監(jiān)控中心發(fā)送)。如果收到，對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，然后通過串口同步信號和UART0發(fā)送到MC13213無線傳感網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點模塊。
　　② 檢測USB/UART是否收到數(shù)據(jù)。如果收到數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析，然后封成對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，通過GPRS/WCDMA模塊發(fā)送到監(jiān)控中心的服務(wù)器上。

4　實驗及效果

某國家級工業(yè)園區(qū)2010年初開始實施城市停車位管理系統(tǒng)，在進行停車位改造的同時，將無線傳感節(jié)點嵌入停車位擋車器中，并在每個停車場安裝主控節(jié)點設(shè)備，形成了一個覆蓋整個區(qū)域停車場和停車位的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。對區(qū)內(nèi)的車輛安裝車載終端，對進入?yún)^(qū)內(nèi)的臨時車輛，用車輛行駛證置換車載終端。經(jīng)過幾個月的測試，得出相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所列。

表2　實驗數(shù)據(jù)

 
從表中可以看出，通過使用城市停車位管理系統(tǒng)，已經(jīng)有了一定的效果，隨著應(yīng)用區(qū)域的擴大，效果將更加明顯。
 
結(jié)語

城市停車難是當今城市建設(shè)的一大弊病，在構(gòu)建停車場停車位自組網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對車輛進行智能化的引導(dǎo)、均衡分配和使用停車位資源是解決問題最好的方法之一，但關(guān)鍵是如何實現(xiàn)城市停車位網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。本文的創(chuàng)新工作在于：

① 提出了一種新的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能城市停車位管理系統(tǒng)模型；
② 通過ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)“車—停車位—停車場”相互感知；
③ 利用2.5G/3G通信技術(shù)對分散各處的停車場中各個停車位信息進行統(tǒng)一實時監(jiān)控。

實驗說明，本文的工作具有較高的研究價值和產(chǎn)業(yè)化價值。