基于物联网的城市停车位管理系统

引言
2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念[1]。报告指出：无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体都可以通过互联网主动进行信息交换。射频识别技术（RFID）、无线传感网络技术（WSN）、纳米技术、智能嵌入式技术将得到更加广泛的应用。2006年3月，欧盟召开会议“From RFID to the Internet Of Things”，对物联网作了进一步的描述，并于2009年制定了物联网研究策略的路线图[2]。

可以认为物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

传统的停车位管理各自为政，且无法让车主了解实时信息，车主在寻找停车位的同时既浪费了大量的时间，又浪费了宝贵的汽油资源。通过本文所设计的系统，可以把一座城市的停车位信息整合到一起，并动态实时地在网络上显示每个车位的使用信息，既方便了管理，又方便了车主，同时也节约了大量的人力物力资源。

1　系统模型

基于物联网技术的城市停车位管理系统采用“监控中心—停车场主控节点—停车位测控器”的三层结构，通过2.5G/3G的技术将监控中心的城市停车场控制系统软件和停车场主控节点联系起来，而停车场主控节点又通过自主研发的停车位网络将停车位的数据信息发送到相关的停车位节点。（通过可选的2.5G/3G的通信技术可以为不同的城市选择合适的通信方式。）该系统的结构图如图1所示。

图1　城市停车位监控系统的结构图

图1中的停车位节点1至N通过自主研发的网络协议实现了通信的网络结构，每个停车场主控节点作为该停车场的主控节点，它作为Internet和停车位网络的接口，通过提供可选的2.5G/3G通信技术和停车位自组网络的结合，可以将停车位的数据信息发送到世界上任何一个有Internet网络覆盖的地方。停车场主控节点将停车位信息发送到中心服务器，从而存入数据库中，监控中心通过对服务器的数据库操作可以实现对停车位的控制和监测。

2　核心硬件设计

2.1　车载电子标签和停车位测控节点

ZigBee技术是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术[3]，是一种开放性的低成本、低功耗、低数据速率、低复杂度、双向传输、高可靠性的新型短距离无线通信技术，其突出特点是应用简单、功耗低、成本低、可靠性高，在WSN中有着广泛的应用。与蓝牙、WiFi和红外等无线通信技术对比如表1所列[4]。

表1　无线技术比较

 

TI和Freescale这两家公司在无线模块生产中比较著名，而且生产的产品非常丰富，无论是早期的“MCU+射频芯片”组合，如TI公司的“MSP430+CC2420/CC2520”、Freescale公司的“MC9S08GT60+MC13191/MC13192”，还是目前主流的单芯片解决方案，如TI的CC2430、CC2431，Freescale的MC1321x、MC1322x等，均为用户提供了多种选择的余地。对两家公司同类产品对比分析，它们的性能指标基本相同，温度范围均在-40～85 ℃，灵敏度均为-92 dBm，最大传输速率为250 kbps[78]，但是Freescale公司的产品功耗更小，价格更低。
 

作者从系统的稳定性、可靠性、芯片体积以及对其熟悉程度等方面因素考虑，最终确定使用Freescale公司的MC13213单芯片解决方案。MC13213芯片的功能框图如图2所示。

图2　MC13213功能框图

 

车载电子标签及停车位测控节点均采用Freescale公司的MC13213芯片，标签采用2.4G ZigBee无线协议传输数据，平常处于低功耗休眠状态，只有当被唤醒之后才无线发送用户的ID数据，之后立即进入休眠状态，电子标签工作电压范围2.0~3.3 V，休眠电流在10 μA以下。使用440 mAh电池,可正常工作一年以上。当停车位测控节点接收到从电子标签发来的用户ID信息时，停车位测控节点打开车位上的挡车器，并将用户ID信息无线发送至停车场主控节点，停车场主控节点再通过25 G或3 G模块将用户ID信息发送至监控中心服务器，实时更新停车位的使用信息。每个用户可随时通过电脑或手机登录服务器的网页，查询该城市的所有停车位的空闲和占用情况。当用户通过网络预订某停车位时，监控中心将该用户ID逐步传递至停车位测控节点，则在预订有效时间内，只有拥有该ID的用户到达时，停车位测控节点才打开停车位上的挡车器。若预订车位时尚无空位，则当有空位时，停车位测控器可即时将空位信息传至停车场主控节点，停车场主控节点即时通过GPRS短信通知用户。

2.2　停车场主控节点

停车场主控节点作为一个停车场网络的路由节点和主控节点，是Internet和停车场网络的接口网关。停车场主控节点主要由2个MCU控制器和两个远距离无线通信模块GTM900B（华为GPRS通信模块）和EM770W（华为WCDMA 3G通信模块）组成。以MC13213无线传感网络微控制器为核心的停车场网络主控节点负责和停车位无线传感网络通信，将相关数据帧信息通过同步信号和SCI接口发送到2.5G/3G数据收发处理模块，该模块以32位ColdFire系列芯片MCF52223为核心（MCF52223芯片具有1个USB2.0通信和3个UART接口[10]，和3G模块/2.5G模块接口比较容易），接收数据后经处理后封帧，然后通过2.5G/3G发送到监控中心的服务器中。MCF52223可以通过SCI接口和GPRS模块GTM900B进行数据通信，也可以通过USB接口和WCDMA模块EM770W通信。同时2.5G/3G模块接收到监控中心的命令数据后，交由MCF52223解析，然后将解析后的命令发送到停车位网络的主控节点。主控节点将数据发送到停车位网络中传输。

3　软件设计

3.1　停车位测控节点主程序设计
主函数流程主要有三部分，有一个网络数据帧处理队列。第一个部分主要是系统的初始化和相关变量的设置；第二个部分主要是获取车载标签信息；第三个部分查看网络数据帧处理队列中是否有数据帧需要处理，如果有则将帧送给网络数据帧处理和转发模块来进行相关操作。

3.2　停车场主控节点软件设计

3.2.1　RFZigBee接收数据模块

该部分负责接收从停车位传感网络接收相关数据，判断该数据帧的正确性和合法性，然后对数据帧进行处理，之后经SCI模块发送至2.5G/3G数据收发处理模块。

每当RFZigBee接收模块收到一个IRQ中断，中断处理程序接收数据帧，在接收数据的过程中将数据放入缓存。应用程序循环扫描缓存区，一旦发现有数据，就取出数据并进行有效性验证，然后做相应处理之后转发数据，转发数据前要先发送同步信号，保持通信的同步和稳定。已发送数据帧缓存区定时清除。

3.2.2　RFZigBee发送数据模块

该部分主要负责侦听串口数据，然后解析数据帧，同时判断数据的有效性，判断是否为2.5G/3G数据收发处理模块发送来的命令。如果数据帧合法，那么对数据帧做一定的处理，然后发送给停车位传感网络。

所以MC13213无线传感网络主控节点主要是作为停车位传感网络的路由，将停车位传感网络中需要传输的数据发送给2.5G/3G的数据收发处理模块去处理，同时将有意义的数据帧传输给对应的停车位传感网络。

　　(1) 中断处理函数流程

    中断流程主要包括IRQ中断和UART的中断。使用了IRQ3和UART0/USB中断。通过IRQ3来同步接收串口的数据。每次IRQ3中断来时清接收计数标志为0，同时使能UART0/USB接收中断。然后UART0/USB接收中断开始接收数据，每接收一个接收计数标志就要加1，直到达到数据帧的长度之后，作对应的校验，如果正确将置对应的标志位。

　　(2)主函数流程

　　主函数主要有两个任务：

　　①  检测是否收到GPRS/WCDMA模块的数据(该数据由监控中心发送)。如果收到，对数据进行相关处理，然后通过串口同步信号和UART0发送到MC13213无线传感网络主控节点模块。
　　② 检测USB/UART是否收到数据。如果收到数据，对数据进行解析，然后封成对应的数据帧，通过GPRS/WCDMA模块发送到监控中心的服务器上。

4　实验及效果
某国家级工业园区2010年初开始实施城市停车位管理系统，在进行停车位改造的同时，将无线传感节点嵌入停车位挡车器中，并在每个停车场安装主控节点设备，形成了一个覆盖整个区域停车场和停车位的无线传感网络。对区内的车辆安装车载终端，对进入区内的临时车辆，用车辆行驶证置换车载终端。经过几个月的测试，得出相关数据如表2所列。

表2　实验数据

 

从表中可以看出，通过使用城市停车位管理系统，已经有了一定的效果，随着应用区域的扩大，效果将更加明显。

 

结语
城市停车难是当今城市建设的一大弊病，在构建停车场停车位自组网络的基础上，对车辆进行智能化的引导、均衡分配和使用停车位资源是解决问题最好的方法之一，但关键是如何实现城市停车位网络的构建。本文的创新工作在于：

　　① 提出了一种新的基于物联网的智能城市停车位管理系统模型；
　　② 通过ZigBee技术，实现“车—停车位—停车场”相互感知；
　　③ 利用2.5G/3G通信技术对分散各处的停车场中各个停车位信息进行统一实时监控。

实验说明，本文的工作具有较高的研究价值和产业化价值。