智能车位引导系统-硬件设计部分开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.前言

在现代都市中，城市居民的汽车拥有量急剧增加，随之而来的交通拥挤、停车场问题也成为城市规划中密切关心的问题，在拥挤的城区里汽车与停车位之间的矛盾越来越突出。驾车者在停车场不能准确快速地找到自己满意的停车位，这既浪费了车主的时间也降低了停车场的运营效率。而现有的停车场管理系统以计费为中心，需要在人的巡视下才能得知停车位是否有空缺，并且需要安排人员在车库入口处给驾车人以引导，管理效率低下极为不便，而且无法实现停车场内的停车位自动监控和停车诱导功能。针对传统停车场管理系统的缺陷，本文研究分析了智能停车场系统的研究背景、国内外现状及发展趋势，提出了智能车位引导的功能及系统的总体结构设计。在车位节点数据的采集上，以往采用红外的方式，但易受到外界的干扰。而在数据的传输上，传统的方式是采用有线的方法，但这种方法施工困难、成本高，并且添加、维修设备不方便。在本系统中，数据的采集采用超声波与地磁探测的方法，使检测的数据更可靠。在数据的传输上，也摈弃了以往的有线方式，采用了基于IEEE802.15.4标准的ZigBee无线通信技术，无线通信使得设备组网更灵活，设备增加、安装简化。

2.研究现状

（1）国内外研究情况

德国的亚琛市早在1971年就建立了停车诱导系统，该系统被认为是世界上最早的停车诱导系统，该系统在室内的12处停车场的主要交叉路口设置了光电显示的车位诱导标志，到1980年控制对象增加到了40处，诱导标志由远程控制，提高了停车场的利用率。1973年日本在柏市建立了日本最早的停车诱导系统，该系统提供的信息以停车场的使用状况、车位数以及停车场的位置为主。日本的停车诱导信息发布系统集成在日本警察厅开展的UTMS(Universal TrafficManagement System)项目中，通过UTMS的交通管理综合集成系统发布停车诱导信息。日本采用区域、主要路口、停车场内三级引导电子显示牌，显示停车场在区域中的位置，停车场的行车方向和是否有空车位的信息。法国、英国、瑞士等国也相继建立了类似的系统。

北京于2001年起先后在王府井、北京站以及西单等地区建立了停车诱导系统。上海于2002年起在黄浦区建立了停车诱导系统示范工程，整个工程共有36处、64块停车诱导发布牌，覆盖了整个黄浦区中心区域，包括39个对外开放停车库的5900多个车位，对停车难的解决起到了一定的辅助作用。经过近几年的发展，上海、广州、深圳等大城市已不同程度建立了停车场系统。

（2）无线数据采集方案比较

目前，无线数据传输方案有无线局域网820.11、蓝牙、红外数据传输、超宽频、GPS、DECT、专用无线系统、短距通信、WiMedia、无线1394和ZigBee等无线通信技术使用比较广泛。其中应用到无线传感器网络中的有：Wi-Fi技术、UWB、蓝牙、ZigBee等。

a)蓝牙技术

蓝牙技术诞生于1994年。当时，Ericsson决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信。1998年Ericsson、NOKIA、IBM、Intel、Toshiba等5家公司达成一致的蓝牙技术协议。

蓝牙技术的实质是为移动或固定设备之间的通信环境建立通用的近距离无线接口。是一种语音通信和无线数据的开放性全球规范。工作频率2.4GHz。具备一定的QoS（服务质量）特性，且完整保持后向兼容性。蓝牙在数据采集方面的障碍是价格昂贵，芯片大小和价格无法降低。同时，组网规模有限、传输距离在10米以内、抗干扰弱、信息安全问题等，因此不太适合本系统。

b)Wi-Fi技术

Wi-Fi（无线高保真，Wireless Fidelity）正式名称是IEEE802.11b，是1997年提出的一种无线通信协议，是以太网的一种无线扩展，其目的是提供接入无线局域网的短距离无线通信技术。某接入点周围的一定区域内，用户最高可以以约11Mb/s的理论速度接入网络，且覆盖范围可达100米。但某区域的带宽为该区域内的多个用户分享。在数据安全性方面比蓝牙技术要差。Wi-Fi一般用于机场、商场、酒店等公共场所。

Wi-Fi是目前WLAN的主要技术标准。工作频率2.4GHz。随着新版本如802.11a和802.11g的先后推出，Wi-Fi的应用将越来越广泛。802.11g的理想速率达54Mb/s，有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。

然而WIFI技术安全性非常低、功耗高并且组网能力差，不适合于物联网技术，本课题也不采用。

c)UWB技术

超宽带技术UWB（Ultra Wideband）是一种利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线载波通信技术，占用的频谱范围很宽。UWB技术的优点是定位精度高，抗干扰能力强，系统复杂度低，适用于短距离密集多径的高速无线接入，可应用在小范围、高分辨率的雷达和图像系统中。由于UWB数据传输速率高（大于100Mb/s），视频消费娱乐方面的无线个人局域网（PANs）将成为UWB最具特色的应用。在高速数据采集方面，UWB有很大的优势，在低速、小数据量的网络中，使用UWB技术就有点大材小用了。

d)ZigBee技术（IEEE802.15.4）

ZigBee联盟成立于2001年8月，负责制定网络层以上协议。IEEE802.15.4工作组则负责ZigBee物理和媒体控制层技术标准。

ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。与蓝牙同属于802.15。主要使用2.4GHz波段，采用跳频技术，成本低。在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域应用广泛。

ZigBee主要特点有：

数据传输速率低

只有10kbps～250kbps。专注于低传输应用。而无线传感器网络仅传输一些采集到的温度、湿度、应变之类的数据，对传输速率的需要一般不高。

功耗低

WSN的节点对功耗的需求极其苛刻，传感器节点需要在危险（比如战场、核辐射）的区域持续工作数年而不更换供电单元。ZigBee芯片在休眠状态下耗电量仅有1W，通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW。这是ZigBee的独特优势。

网络容量大

WSN可容纳的传感器节点越多,功能越强大。如使用网状网络拓扑结构(Mesh),ZigBee理论上可组建有2¹⁶个(约65000个)节点的大型网络。

时延短

ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需3Oms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3～10s、Wi-Fi需要3s。

有效范围远

节点之间直接通讯范围在40～135m之间，通过加入多级ZigBee路由设备，网络覆盖范围可拓展到几百到几千米，具体依据各种不同的应用模式和世纪发射功率的大小而定。

工作频段免费灵活

使用的频段有2.4GHz(全球)、868MHZ（欧洲）及915MHZ（美国），均为免执照频段。

安全

ZigBee提供鉴权和数据完整性检查，硬件支持AES-128和CRC。可适应军事需要等安全性能要求高的无线传感器网络。

自主路由、自动动态组网

ZigBee技术能解决WSN动态组网、自主路由的需求。

ZigBee与其它通信技术的比较如表1所示。

表1 ZigBee与其它通信技术的比较

通过比较可知，ZigBee与其它通信技术都工作在2.4GHz，但是ZigBee技术具有功耗低和组网规模大的特点，因此这种技术特别适用于停车场这种大型无线传感器网络中。

3.系统设计

（1）系统工作原理和功能

在本系统中，停车场的每个车位上方安装超声波探测器与地磁传感器，地磁传感器每隔一定的时间间隔工作一次，当有车辆停入或驶出车位时，磁场的变化由地磁传感器获知，此时再激活超声波探测器，进一步确认车位状况，确保车位信息的准确性。车位信息再通过ZigBee网络传输给PC机，由PC机完成数据的后续处理，并将处理后的车位数据发送到停车场的各个LED显示屏进行空余车位信息指示，从而实现引导车辆驶入空车位的功能。

系统的主要功能如下：

l自动组网：只要在关键区域加设路由节点，便可方便加入ZigBee探测节点。

l车位引导：每个区域的空余车位信息由显示屏给出，车辆可通过显示屏快速找到适合的车位。

系统设计结构框图如图1所示。

图1系统设计框图

（2）系统硬件

系统硬件分为两类，其中一类为带ZigBee模块的车位检测器节点和ZigBee路由节点，另一类为带CAN总线接口的ZigBee协调器节点。

l数据采集

超声波传感器、地磁探测器

lZigBee节点到ZigBee协调器数据传输

ZigBee模块

lZigBee协调器到服务器的数据传输

CAN总线或485总线

（3）软件

ZigBee模块采用ZigBee协议栈，它由物理层、媒体访问控制层、网络层和应用层组成。而其它模块的控制则通过单片机的软件编程来控制。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

l 研究问题：

1) 车位数据的采集

a) 超声波传感器的使用