全面感知 Comprehensive Perception 基于ZigBee技术的智能停车场系统研究 杨登强，王玉洁 (四川大学 计算机学院，四川 成都 610064) 摘 要：针对当前城市中普遍存在的停车难及停车场管理不规范的问题，提出了一种基于ZigBee技术的智能停车场管 理系统。该系统采用125 kHz激励器唤醒载有2.4 GHz高频电子标签以及语音播报模块的车载单元，结合红外线反射性传感 器和CC2530实现停车定位，并通过ZigBee无线通信网络实现车辆和控制中心的交互，从而实现无障碍智能停车场管理。本 方法比传统的停车场管理方式更加准确、便捷、高效。 关键词：ZigBee；无线传感网；智能停车场；物联网 中图分类号 ：TP393.17 文献标识码 ：A 文章编号 ：2095-1302(2012)08-0044-04 Research on an intelligent parking system based on ZigBee YANG Deng-qiang, WANG Yu-jie (School of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610064, China) Abstract: Aiming at the common problems of parking diffi culty and nonstandard parking lot administration in cities, an intelligent parking system based on ZigBee technology is proposed in the paper. Compared with traditional parking system, the proposed system is more accurate, convenient and effi cient by means of 125 kHz activator to activate the vehicle-mounted card consisting of 2.4 GHz RFID tag and speech broadcast chip. The system also locates the car by using the combination method of infrared refl ective sensor and CC2530, and utilizes ZigBee wireless network to realize the interaction between cars and the control center, which achieves barrier-free intelligent parking management. Keywords: ZigBee; wireless sensor network; intelligent parking; internet of things 0 引 言 随着汽车产业的高速发展、汽车制造成本的持续下降以 结合红外线反射性传感器和 CC2530 实现停车定位，同时利用 ZigBee 无线通信网络作为主干网通信网络，上传车辆信息与下 及国民可支配收入的日益提高，城市汽车拥有量急剧增加。为 发停车诱导信息，以实现无障碍智能停车场管理，从而有效 了充分利用有限的停车场资源来最大程度地满足车辆停泊的 需求，各种类型的停车场 ( 例如机械式停车场、平面式停车场、 智能立体停车场、遥控停车场等 ) 不断地涌现出来。传统的 地降低了车载单元的功耗，也使停车场管理更加准确、便捷、 高效。 1 智能停车场系统的研究现状 停车场管理系统面对越来越大的停车场进行车辆进出管理、 智能停车场系统主要需要解决以下几个问题 [1]。第一， 收费、车位查找等工作会变得越来越繁琐复杂、费时费力，不 无障碍停车 ；第二，自动计算停车场内的空闲停车位，并可视 仅管理效率低下，同时也存在一定的安全隐患。 化显示 ；第三，对进入停车场的车辆进行停车诱导，避免车 随着物联网 (Internet of Things，IOT) 技术在最近几年的 辆在场内无序流动，出现交通拥堵状况 ；第四，自动对进出停 飞速发展，基于无线传感网络的物联网技术越来越多地应用 到智能停车场管理系统中。本文提出了一种基于 ZigBee 技术 的智能停车场管理系统，该系统利用 125 kHz 的激励器来触 发载有 2.4 GHz 高频电子标签以及语音播报模块的车载单元， ———————————————— 收稿日期：2012-05-28 基金项目：博士点基金资助课题(20100181110053) 44 物联网技术 2012年 / 第8期 车场的车辆进行收费 ；第五，自动分析停车场不同时期的车 流量，指导优化停车场管理与资源配置 ；第六，对停车场内 的车辆进行在位监控。 现有的智能停车场系统主要以感应卡、IC 卡或 ID 卡为 载体，当车辆行驶到入口或出口时，将卡片靠近读卡器，系统 在获取读卡器上传的持卡人信息后，按照预先写好的程序对车 

全面感知 Comprehensive Perception 辆进行进出管理。这种方式可以实现停车场管理功能，但不 能实现不停车收费，入口通行效率仍然较低，并且由于车辆进 出时需要停车刷卡，驾驶人员操作起来具有一定的难度，一旦 没有停好容易引发车辆刮擦事故。也有利用模式识别自动识别 系统的“信息高速公路”。整个主干网由若干个主干网基站采 用网状 ZigBee 拓扑结构组成，这些基站能够自组网形成网络， 实现车辆和控制中心的信息交互，并具有路由功能。主干网的 拓扑结构如图 2 所示。 车牌，从而获取车辆信息，进而实现停车场管理的停车场系统， 该方法不需要停车刷卡，减速即可进出停车场，但车牌识别 的准确率会受到光照、天气、车身污染程度等外在因素的影响， UART ZED ZR ZC 图 2 主干网网络拓扑结构图 为了增强主干网基站的处理能力，每个基站搭载一颗 32 位微处理器 STM32F103RDT6 作为整个电路控制和数据 处理的主控芯片，同时还搭载 3 个支持 ZigBee 通信协议的 CC2530 作为数据通信芯片，采用异步串口通信方式 (UART) 实现 MCU 与 RF 的数据通信，根据各个电路模块的电压需求 的不同选用 2 级稳压电源模式。图 3 所示为其电路结构简图。 系 统中的 射 频 模 块 CC2530[4] 以 IEEE 802.15.4 标 准 为 ZigBee 通信协议，可支持 2.4 GHz工作频段，其内部集成了 RF 收发器、增强型 8051 CPU、可编程闪存等强大功能。此外， 为了使主干网可以应用于多个物联网子系统，主干网基站集成 有多个 RF 芯片。由于 CC2530 的控制处理能力不是很强，系 统中还嵌入了一个 STM32F103RDT6 作为电路的主控芯片。 RF1(CC2530) RF2(CC2530) RF3(CC2530) UART1 UART2 UART3 MCU ( STM32F103RDT6 ) 图 3 主干网基站的电路结构简图 2.2 低频唤醒模块 低频唤醒模块用于车载单元与唤醒基站之间。为了省电， 车载单元在远离停车场范围时处于休眠状态，当车辆进入唤醒 区域后，才被唤醒进入工作状态。本系统中，ZigBee 网络数据 收发工作在 2.4 GHz 超高频段，而系统则采用一种 125 kHz 的 低频激励器来唤醒车载单元。 误识别率较高。 针对目前智能停车场系统存在的弊端，本文提出了一种基 于 ZigBee 技术的智能停车场系统方案，该方案利用 125 kHz 激励器来触发载有 2.4 GHz 高频电子标签以及语音播报模块 的车载单元，并结合红外线反射性传感器和 CC2530 实现停 车定位，同时利用 ZigBee 无线通信网络作为主干网通信网络， 以实现车辆和控制中心的交互，从而保证了系统的低功耗、高 可靠性及实用性。 2 智能停车场系统设计 本智能停车 场系统 主要由智能 道闸、 低频唤醒模 块、 ZigBee 无线通信网络、红外线定位模块以及控制中心服务器 等几个部分组成。其中低频唤醒基站负责对进出车辆的车载 单元进行唤醒，使其从休眠状态进入工作状态。而语音卡单 元载有 2.4 GHz 高频射频单元以及语音播报模块，可以将车 辆信息通过 ZigBee 无线通信网络上传到控制中心服务器，同 时语音播报停车诱导信息。ZigBee 无线通信网络作为整个系 统的“信息高速公路”，主要实现车辆和控制中心的交互。本 系统的整体架构图如图 1 所示。 Internet Internet (UART) () ZigBee ZigBee 图 1 智能停车场系统整体架构图 2.1 基于 ZigBee 技术的无线通信网络 ZigBee 技术是一组基于 IEEE 802.15.4 无线标准研制开 发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。它是一种短 距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线 网络技术 [2-3]。要实现随时随地传输车辆信息与停车诱导信息， 首先需要搭建覆盖停车场范围的 ZigBee 无线通信网络来作为 车载单元搭载有半主动式电子标签 (EM4100)、高频 RF 模块 (CC2530)、感应线圈以及语音播报模块。电子标签采用 EM MICROELECTRONIC 公司的非接触式识别设备 EM4100， EM4100 可支持 100~150 kHz 的工作频段，通过外部天线与 作为阅读器的唤醒基站通信，实现射频信号的传递 [5]。天线 2012年 / 第8期 物联网技术 45 

全面感知 Comprehensive Perception 采用 Createmax 公司的绕线天线 CM-3D15N0600J，这是专门 为 123 kHz 和 134 kHz工作频段设计的一种无匙门禁系统天 线线圈。具有体积小 (17.5 mm×15.5 mm×3.8 mm)，可工作 在 -40~+125 ℃，以及各向同性等特点 [6]。 采用 EM MICROELECTRONIC 公司的 EM4095 作为唤 醒基站内的阅读器芯片时，主要应用于 100~150 kHz 频段的 RFID 系统，该阅读器芯片与 MCU 的接口简单，并且具有睡 眠模式 [7-8]。工作时，控制模块将跳频表、激励器 ID 等信息 以 OOK 调制方式调制在 125 kHz 载波上形成激励信号，并 不间断地向外发送，当有电子标签进入其激励区时即被唤醒。 激励器的设计原理图如图 4 所示。 2.4 GHz 2.4 GHz READER ( ) 图 4 低频激励器设计原理图 当车载单元进入唤醒基站的扫描范围 (5~7 m) 后，车载单 元处于 125 kHz 交变电磁场中，卡内的 EM4100 将获得能量驱 线上传到控制中心，控制中心根据预先存储的数据即可得到车 位被占的信息，进而实时更新停车场的车位信息。而当车辆离 开车位时，CC2530 芯片又将车位空闲的信息上传到中央控制 机，系统将再次更新停车场的车位信息。 3 控制中心服务器设计 本系统控制中心部分采用 C/S 结构和 .net 4.0 开发平台， SQLServer2008 作为数据中心，C# 语言作为开发语言，并采 用 WCF(Windows Communication Foundation) 通信框架实现 停车场客户端与控制中心的通信。具体的停车场管理流程如图 5 所示。 N Y N Y (a) 动，并从被动态变为主动态。卡片上的感应线圈与唤醒基站发 出的电磁波以电感耦合的方式产生感应电流，从而激活车载 单元上高频 RF 模块，以实现 ZigBee 网络数据收发功能。 同时，系统选用了深圳思沃智能科技有限公司开发的思 沃智能道闸，因而具有手控、遥控、防砸车自动落闸、停电自 动解锁等功能 [9]，并且可方便地与 ZigBee 无线通信网络集成， (b) 图 5 停车场管理流程图 使得控制中心可以远程控制道闸的升、降、停。这种多种控制 对系统注册用户，可以不停车直接进入停车场。而对于 方式相结合的设计方案，保证了系统的可靠性和安全性。 2.3 停车诱导与定位 临时用户，则需要在入口处取卡进入，在出来时由管理人员根 据系统计算的金额进行停车收费，并收回车载单元。当车辆 当车辆进入停车场后，车主可以根据诱导信息自主选 择车位停车。诱导信息主要包括空闲车位显示与语音诱导信 息。空闲车位由入口处的显示屏显示，系统实时更新。语音诱 导停车是指控制中心服务器将当前的空闲车位分布信息通过 ZigBee 无线传感网络以语音的形式下发到车载单元，使得车 靠近停车场入口准备进入时，位于入口的低频唤醒基站唤醒车 上的车载单元，车载单元通过 RF 模块将车辆信息与低频基 站信息通过 ZigBee 主干网发送到上位机，上位机收到相应的 数据后，对数据进行解析处理。首先判断用户余额是否充足， 如果不足，则语音提示用户充值 ；然后判断停车场内是否还 主可以根据提示迅速找到空闲车位进行停车，避免出现停车 有空闲车位。如果没有，则下发语音提示信息，告知车主车位 拥挤的情况。 同时，系统采用低成本的红外线反射性传感器与 CC2530 相结合的办法来实现车辆定位 [10-12]，以得到空闲车位分布信息。 由于在每个车位上都放置有红外线反射性传感器与 CC2530 芯 片定位模块，因此，当车辆进入停车位后，CC2530 芯片将红 外线反射性传感器感应到的车辆停车信息通过 ZigBee 网络无 已满，请另选停车场停车；如果有空闲车位，则下发抬杆命令， 开闸放入车辆，当车辆完全驶入停车场后，地感线圈控制道 闸降落，防止砸到车辆。车主根据入口处显示屏幕提示的空 闲车位位置信息，就可以方便地找到空闲车位进行停车，同时， 上位机也可以下发相应的空闲车位信息给车载单元，进行停车 诱导。当车辆停稳后，红外线定位模块上传车辆停车位置信息， 46 物联网技术 2012年 / 第8期 

全面感知 Comprehensive Perception 系统更新空闲车位信息，停车过程结束。 也存在一些尚待改进的地方。比如，采用更精确的方式实现 当车辆离开停车位后，车位上的 CC2530 芯片将红外线 车辆在位实时监控、解决临时用户需要停车进出的问题等，这 反射性传感器感应到的车位空闲信息发送到上位机，系统实 将是以后研究工作的重点。 时更新空闲车位信息。在车辆靠近出口时，位于出口的低频唤 参 考 文 献 醒基站将车辆上的车载单元唤醒，上位机获取到车辆即将离 [1] 曹建军，史忠科，宋蕾 . 校区停车场智能管理系统设计 [J]. 计算机 开的信息，发送抬杆命令开启道闸，让车辆通过，车辆完全 工程与应用，2009(5) ：4-5. [2] 任丰 原， 黄 海 宁， 林 闯 . 无 线 传 感 网 络 [J]. 软 件 学 报，2003， 离开道闸后，地感线圈控制道闸落下。对于临时用户，控制中 14(7) ：1282-1291. 心语音发送停车费用金额到语音卡，车主根据提示进行缴费， [3] 侯洪丽，张霄霞，王福明 .ZigBee 无线传输技术综述 [J]. 山西电子 管理人员对车辆进行收费，并收回车载单元。而对注册用户， 控制中心对车辆进行自动收费，从而实现不停车离开停车场。 同时，控制中心服务器将存储海量停车数据到数据中心，并定 时对停车数据进行分析，以便进一步优化停车场的设计。 4 结 语 本文提出了一种基于 ZigBee 技术的智能停车场系统，该 系统可实现无障碍出入停车场、自动收费、车位管理、停车 诱导等功能，可大大提高停车场的智能化管理水平。车辆进 出停车场时，利用 125 kHz 低频激 励器唤醒车载单元 上的 2.4 GHz 高频电子标签，使得车载单元在远离停车场范围时 技术，2011(4) ：84-86. [4] Texas Instruments. A true system-on-chip solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications [EB/OL]. [2010-02-11]. http:// www.ti.com. [5] EM Microelectronic. Read only contactless identification device EM4100 [EB/OL]. [2010-09-14]. http:// www.emmicroelectronic. com. [6] Createmax Technology. CM-3D15 series product specifi cation [EB/ OL]. [2011-06-04]. http:// www.createmax.com.cn. [7] EM Microelectronic. Read/write analog front end for 125kHz RFID basestation [EB/OL]. [2011-12-23]. http:// www.emmicroelectronic. com. [8] 徐精华，张小林，邓洪峰 . 电子标签识读终端的研究与设计 [J]. 微 计算机信息，2007，23(11) ：227-229. 处于休眠状态，从而大大降低车载单元的功耗，延长车载单 [9] 深圳市思沃智能科技有限公司，思沃智能道闸说明书 [EB/OL]. 元的使用寿命。在车辆停好后，利用红外线反射性传感器与 CC2530 相结合进行车辆定位，可以实时更新停车场内空闲车 位的实际分布情况。车辆上行信息与控制中心下行信息均通过 ZigBee 主干网进行发送，故可保证信息的双向交互。通过实 地测试表明，该系统具有低成本、高可靠性和高实用性，但 [2012-05-27]. http ：// www.siwo.net, 2011. [10] 罗庆生，韩宝玲 . 一种基于超声波与红外线探测技术的测距定位 系统 [J]. 计算机测量与控制，2005，13(4) ：304-307. [11] 高守纬，吴灿阳 .ZigBee 技术实践教程 ：基于 CC2430/31 的无线 传感器网络解决方案 [M]. 北京 ：北京航空航天大学出版社，2009. [12] 金春嫣，郑瑾 . 基于 ZigBee 的无线传感器网络在大型停车场中的 应用 [J]. 淮阴师范学院学报 ：自然科学版，2010， 9(3) ：218-221. 作者简介： 杨登强 男，1986年生，四川省达州市人，硕士研究生。主要研究方向为物联网技术应用与数据挖掘。 王玉洁 女，1986年生，四川省绵阳市人，硕士研究生。主要研究方向为物联网技术应用。 vs3.5% L=0.8 m 0.3 L=1.2 m 3.5%vs Col 19 （上接第 43页） 应用光学，2009，30 (5) ：869-873. [2] 余德 . 受激布里渊散射的理论模拟与 实验研究 [D]. 杭州 ：浙江大学，2008. [3] 刘娟，白建辉，倪恺，等 . 受激布里 渊散射对激光在水中衰减特性的影响 [J]. 物理学报，2008，57(1) ：260-264. [4] 张韶冬，熊彩东 . 光纤激光器受激布 里渊散射的建模与求解 [J]. 现代电子 技术，2007，30(17) ： 64-66. [5] 张辉，万生鹏，王玉枝 . 受激布里渊 光纤环形激光器及阈值分析 [J]. 现代 电子技术，2009，32(14) ： 135-137. 作者简介： 赵晚昭 男，广西大学行 健文理学院教师，助教。毕业于南昌航空大 学，参与水中受激布里渊散射的研究。 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 (a) 0.8 m L=1.6 m vs3.5% 0.2 0.1 0.0 0.2 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.4 0.6 0.8 1.0 (b) 1.2 m 0.8 m 1.0 m 1.2 m 1.6 m 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0 0.2 0.4 (c) 1.6 m 1.0 1.2 1.4 0.6 0.8 (d) 图 3 窄带模式下不同长度样品的衰减系数变化情况以及相应的拟合曲线 2012年 / 第8期 物联网技术 47