一種低成本城市停車(chē)誘導系統中區域性Zigbee網(wǎng)絡(luò )的

摘要：為降低城市級停車(chē)誘導系統的建設、運營(yíng)成本，提出一種無(wú)需建立管理控制中心的系統架構，采用LPC11C14和CC2530作為核心芯片設計了系統中的重要組成部分——區域性Zigbee網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)所開(kāi)發(fā)出的測試系統的實(shí)驗，表明該Zigbee網(wǎng)絡(luò )可準確接收用戶(hù)手機發(fā)出的停車(chē)請求，并能根據停車(chē)場(chǎng)瘸滴蛔刺向用戶(hù)反饋最佳車(chē)位信息，從用戶(hù)發(fā)送請求到收到反饋信息的時(shí)間不超過(guò)10 s。

停車(chē)誘導系統是一種以多級信息發(fā)布為載體，可實(shí)時(shí)地提供停車(chē)場(chǎng)的位置、車(chē)位數、車(chē)位狀態(tài)等信息，指引駕駛員有效停車(chē)的信息系統。根據覆蓋范圍的大小，停車(chē)誘導系統一般又可分為城市級和停車(chē)場(chǎng)級兩種。為節約城市級停車(chē)誘導系統的建設及運營(yíng)成本，本文提出一種無(wú)需建立管理控制中心的系統架構。在此基礎上，本文重點(diǎn)研究所提架構中的重要組成部分——區域性Zigbee網(wǎng)絡(luò )的硬件及軟件設計。

1 研究現狀

停車(chē)誘導系統是一種用于緩解城市中停車(chē)難現象的智能交通系統。國外最早出現于1971年的德國亞琛市，近40年的發(fā)展效果顯著(zhù)。我國的建設興起于2001年，近10多年的發(fā)展也取得了不錯的效果。經(jīng)分析后發(fā)現，國內外的各種系統雖各有特點(diǎn)，但它們的系統結構和工作原理基本相似，均大致由數據采集、數據傳輸、中央管理和數據發(fā)布4個(gè)部分組成。因此，均需建設和維護一個(gè)城市級的管理控制中心，運營(yíng)部門(mén)也需要長(cháng)期繳納數據采集和數據發(fā)布兩部分與管理控制中心間的通信費用，導致系統的建設和后期運營(yíng)的成本較高。

2 系統總體架構

通過(guò)在城市的每一個(gè)室內停車(chē)場(chǎng)、每一個(gè)室外停車(chē)場(chǎng)和每一塊路邊停車(chē)區域分別部署一個(gè)“區域性”的ZigBee網(wǎng)絡(luò )，并與停車(chē)用戶(hù)的智能手機相配合，即可完成在整個(gè)城市中實(shí)現停車(chē)誘導的功能。在上述架構中，無(wú)需建設一個(gè)城市級的管理控制中心，從而可大大節約系統的建設與后期運營(yíng)成本。所設計的系統架構如圖1所示，其大致工作流程為：

1)每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )的所有終端結點(diǎn)定期采集所連接的傳感器傳來(lái)的車(chē)位狀態(tài)信息。

2)若采集到的車(chē)位狀態(tài)與上次狀態(tài)不同，則將當前車(chē)位狀態(tài)發(fā)送給相鄰的路由器結點(diǎn)，并等待協(xié)調器結點(diǎn)的反饋。若超過(guò)一定時(shí)間未收到反饋則重發(fā)，直至收到反饋。

3)各路由器結點(diǎn)把所收到的終端結點(diǎn)的數據都轉發(fā)給協(xié)調器結點(diǎn)。

4)協(xié)調器結點(diǎn)收到車(chē)位狀態(tài)變化的消息后，給終端結點(diǎn)發(fā)送反饋，并更新數據庫。

5)當汽車(chē)行駛至某地時(shí)，用戶(hù)觸發(fā)智能手機提出尋找車(chē)位的請求，事先安裝好的智能手機軟件根據車(chē)輛當前位置運行停車(chē)場(chǎng)尋優(yōu)算法確定最優(yōu)的停車(chē)場(chǎng)(或路邊停車(chē)區域)。

6)智能手機軟件與最優(yōu)停車(chē)場(chǎng)(或路邊停車(chē)區域)的協(xié)調器結點(diǎn)通信，協(xié)調器結點(diǎn)查詢(xún)當前的車(chē)位狀態(tài)數據庫。若無(wú)空閑車(chē)位，將所有車(chē)位已滿(mǎn)的信息反饋給智能手機軟件;否則，系統運行停車(chē)位尋優(yōu)算法確定最優(yōu)的停車(chē)位。

7)確定最優(yōu)停車(chē)位后，智能手機軟件先將車(chē)輛引導至目的停車(chē)場(chǎng)(或路邊停車(chē)區域)。再繼續將車(chē)輛引導至目的停車(chē)位。

3 區域性Zigbee網(wǎng)絡(luò )的硬件設計

區域性Zigbee網(wǎng)絡(luò )由協(xié)調器、路由器、終端三類(lèi)結點(diǎn)構成。終端結點(diǎn)負責定時(shí)采集車(chē)位狀態(tài)并將車(chē)位狀態(tài)變化的信息發(fā)送出去;路由器結點(diǎn)負責轉發(fā)車(chē)位狀態(tài)變化信息;協(xié)調器結點(diǎn)的任務(wù)包括：接收車(chē)位狀態(tài)變化信息并更新數據庫，接收用戶(hù)通過(guò)智能手機發(fā)出的停車(chē)請求，查詢(xún)數據庫中的車(chē)位狀態(tài)，運行停車(chē)位尋優(yōu)算法，向用戶(hù)反饋最佳車(chē)位信息等。

在協(xié)調器結點(diǎn)中，需要以下主要器件：1)一塊嵌入式控制器芯片，用于管理嵌入式數據庫;2)一塊Zigbee通信芯片，用于與路由器結點(diǎn)通信;3)一塊GPRS模塊，用于與用戶(hù)智能手機進(jìn)行通信。

嵌入式控制器選用恩智浦公司的LPC11C14芯片。該芯片采用Cortex-M0內核處理器，工作頻率最高可達50 MHz。在存儲器方面，配置了32kB FLASH和8KB SRAM;在接口方面，配置有一個(gè)串口、一個(gè)2通道10位ADC、兩個(gè)SPI接口、一個(gè)I2C接口、一個(gè)SWD接口等。

Zigbee通信芯片選用n公司的CC2530。該芯片適用于2.4 GHz IEEE 802.15.4和Zigbee等應用。芯片內部包括射頻收發(fā)器、可編程閃存、增強型8051MCU、8KB RAM等。由于從休眠模式轉換到工作模式的耗時(shí)非常短，所以該芯片特別適合低功耗應用。

由于LPC11C14芯片內部不含EEPROM，為實(shí)現車(chē)位狀態(tài)數據在嵌入式數據庫中的存儲，通過(guò)I2C接口外接AT24C02芯片。LPC11C14與CC2530間的通信設計為利用串口進(jìn)行通信。因為L(cháng)PC11C14只有一個(gè)串口資源，為實(shí)現LPC11C14與GPRS模塊的串行通信，采用SPI轉串口芯片MAX3100進(jìn)行轉換。

GPRS模塊采用通用模塊SIM_300S。LPC11C14板的電源芯片采用MIC5209，CC2530板的電源芯片采用HT7533。協(xié)調器結點(diǎn)的總體硬件框圖如圖2所示。

終端結點(diǎn)和路由器結點(diǎn)的硬件框圖與協(xié)調器結點(diǎn)中CC2530的框圖非常類(lèi)似。區別主要是終端結點(diǎn)中連接有車(chē)位檢測傳感器，此外終端結點(diǎn)和路由器結點(diǎn)采用鋰電池供電。

4 區域性Zigbee網(wǎng)絡(luò )的軟件設計

協(xié)調器結點(diǎn)中LPC11C14的主程序流程圖如圖3所示。上電后首先完成初始化。若接收到CC2530發(fā)送的車(chē)位狀態(tài)變化信息，給CC2530發(fā)送反饋，隨即更新數據庫。若接收到停車(chē)請求，則根據數據庫中的車(chē)位當前狀態(tài)，判斷有無(wú)空閑車(chē)位。若有空閑車(chē)位，運行停車(chē)位尋優(yōu)算法，確定最優(yōu)停車(chē)位。之后，通過(guò)GPRS模塊向用戶(hù)反饋結果。

協(xié)調器結點(diǎn)中CC2530的主程序流程圖如圖4所示。初始化后，首先判斷是否收到車(chē)位狀態(tài)變化消息。若未收到，進(jìn)入休眠狀態(tài);若收到，則從休眠狀態(tài)回到正常狀態(tài)。接下來(lái)，為防止車(chē)位狀態(tài)存儲到數據庫前丟失，需在CC2530內部的Flash存儲器中臨時(shí)存放。之后，通過(guò)路由器結點(diǎn)給終端結點(diǎn)發(fā)送反饋。最后，把車(chē)位變化信息發(fā)送給LPC11C14并等待反饋。若在規定的時(shí)間內沒(méi)有收到反饋，則重發(fā);若收到反饋，則進(jìn)入休眠狀態(tài)。