基于Zigbee的停車場空位檢測系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、XX大學 畢業(yè)論文（設計）題 目 基于Zigbee的停車場空位檢測系統(tǒng)院 系 自動控制系專 業(yè) 測控技術與儀器學生姓名 X X 學 號 指導教師 職 稱 二一一年 五月三十日目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc294446604 摘要 PAGEREF _Toc294446604 h 1 HYPERLINK l _Toc294446605 第一章 引言 PAGEREF _Toc294446605 h 1 HYPERLINK l _Toc294446606 1.1課題來源及背景 PAGEREF _Toc294446606 h 1 HYPERLINK l _Toc2

2、94446607 1.1.1課題來源 PAGEREF _Toc294446607 h 1 HYPERLINK l _Toc294446608 1.1.2 停車場管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc294446608 h 2 HYPERLINK l _Toc294446609 1.1.3研究的目的及意義 PAGEREF _Toc294446609 h 2 HYPERLINK l _Toc294446610 1.2 課題的主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc294446610 h 3 HYPERLINK l _Toc294446611 第二章 無線傳感網(wǎng)絡與Zigbee技術 PAG

3、EREF _Toc294446611 h 3 HYPERLINK l _Toc294446612 2.1無線傳感網(wǎng)技術介紹 PAGEREF _Toc294446612 h 3 HYPERLINK l _Toc294446613 2.1.1無線傳感器網(wǎng)絡概述 PAGEREF _Toc294446613 h 3 HYPERLINK l _Toc294446614 2.1.2無線傳感器網(wǎng)絡的特點 PAGEREF _Toc294446614 h 4 HYPERLINK l _Toc294446615 2.1.3 短程無線通信技術比較 PAGEREF _Toc294446615 h 4 HYPERLIN

4、K l _Toc294446616 2.2ZigBee技術介紹及設計應用 PAGEREF _Toc294446616 h 6 HYPERLINK l _Toc294446617 2.2.1 Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點的設計 PAGEREF _Toc294446617 h 6 HYPERLINK l _Toc294446618 2.2.2 Zigbee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的概述 PAGEREF _Toc294446618 h 9 HYPERLINK l _Toc294446619 2.3停車場空位檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點設計 PAGEREF _Toc294446619 h 10 HYPERLINK l _Toc

5、294446620 2.3.1 停車位無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構研究 PAGEREF _Toc294446620 h 10 HYPERLINK l _Toc294446621 2.3.2 停車位傳感器的硬件設計技術 PAGEREF _Toc294446621 h 11 HYPERLINK l _Toc294446622 第三章 基于Zigbee的停車場空位檢測系統(tǒng)的設計 PAGEREF _Toc294446622 h 12 HYPERLINK l _Toc294446623 3.1 停車場管理系統(tǒng)構成 PAGEREF _Toc294446623 h 12 HYPERLINK l _Toc29444

6、6624 3.1.1 入口管理系統(tǒng)設備及流程 PAGEREF _Toc294446624 h 14 HYPERLINK l _Toc294446625 3.1.2 泊車引導系統(tǒng) PAGEREF _Toc294446625 h 16 HYPERLINK l _Toc294446626 3.1.3 出口通道系統(tǒng) PAGEREF _Toc294446626 h 19 HYPERLINK l _Toc294446627 3.2 停車場空位檢測系統(tǒng)的實現(xiàn) PAGEREF _Toc294446627 h 21 HYPERLINK l _Toc294446628 3.2.1車位檢測電路方案論證 PAGERE

7、F _Toc294446628 h 21 HYPERLINK l _Toc294446629 3.2.2 停車位檢測器的設計 PAGEREF _Toc294446629 h 21 HYPERLINK l _Toc294446630 3.2.3 超聲波檢測車位狀態(tài)的原理及實現(xiàn) PAGEREF _Toc294446630 h 23 HYPERLINK l _Toc294446631 3.3 本章小結 PAGEREF _Toc294446631 h 27 HYPERLINK l _Toc294446632 結束語 PAGEREF _Toc294446632 h 28 HYPERLINK l _Toc

8、294446633 參考文獻 PAGEREF _Toc294446633 h 28 HYPERLINK l _Toc294446634 致謝 PAGEREF _Toc294446634 h 29 HYPERLINK l _Toc294446635 ABSTRACT PAGEREF _Toc294446635 h 30 HYPERLINK l _Toc294446636 附錄 PAGEREF _Toc294446636 h 31基于ZigBee的停車場空位檢測系統(tǒng)姚潔南京信息工程大學濱江學院測控技術與儀器專業(yè)，南京210044摘要：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，各城市汽車擁有量持續(xù)增長，停車難的問題日益突出

9、。本論文基于ZigBee技術和超聲波檢測技術，提出了一種新的智能化的停車場空位檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方案。論文首先介紹了無線傳感網(wǎng)技術并進行比較，分析了基于ZigBee組建無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)勢，然后論述了所設計的停車場空位檢測系統(tǒng)的各功能模塊的組成和功能，以及系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術和節(jié)點的軟硬件設計。本系統(tǒng)采用CC2430芯片和超聲波模塊設計停車位傳感器節(jié)點，通過各停車位傳感器節(jié)點、路由器組建ZigBee網(wǎng)絡，并由其協(xié)調(diào)器通過RS-232串口連接主控計算機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。關鍵詞: ZigBee;空位檢測系統(tǒng);超聲波傳感器。第一章 引言1.1課題來源及背景1.1.1課題來源近幾十年來，我國的經(jīng)濟快速騰

10、飛，日益突出一種新的問題“停車難”，尤其是商業(yè)城、娛樂區(qū)等人口密集地帶的車輛停放成為急需解決的問題，可是目前的停車管理手段相對落后，因此實現(xiàn)停車場快速有效的智能管理成為解決問題必然選擇。在人口密集的地區(qū)泊車者因為尋找停車場或停車位而形成的路面交通量被稱為無效交通流，如果能避免這部分交通流的發(fā)生，則能有效地改善城市的交通狀況?？墒乾F(xiàn)在大部分城市的停車設施建設卻相對滯后，滿足不了城市交通發(fā)展的要求，凸顯了汽車發(fā)展和與之配套的基礎設施的矛盾，停車問題在我國各大城市已經(jīng)成為亟待解決的難題。停車難的現(xiàn)狀是由很多因素決定的，包括:停車泊位嚴重短缺，導致車位供需失衡;車位供需能力分布不均;室內(nèi)公共停車場泊位

11、利用率低;車位配建出現(xiàn)很多侵占挪用的現(xiàn)象;部分停車場的劃定及停車位的設計不合理;缺乏停車場建設與發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策;使用者守法停車的意識淡薄;缺乏合理的停車位經(jīng)營管理模式等。這些問題又會引發(fā)行駛不便、交通堵塞、損毀綠化、威脅大眾安全等問題，從而影響生活質(zhì)量，提高生產(chǎn)成本，阻礙社會經(jīng)濟的正常發(fā)展。因此，隨著汽車持有的普遍，對城市道路建設提出很高要求，也給城市停車業(yè)帶來巨大的挑戰(zhàn)，而建設現(xiàn)代化的停車場，增加城市有效停車位可以有助于城市交通的暢通，可以幫助現(xiàn)代城市的可持續(xù)發(fā)展。1.1.2 停車場管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢目前，各國已經(jīng)開始運用先進的技術，例如：信息技術、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術以及計算機技術來建立

12、相應的停車誘導系統(tǒng)( Parking Guidance System)和停車場智能管理系統(tǒng)。交通管理部門通過停車服務熱線、停車誘導顯示屏、停車服務網(wǎng)和交通廣播網(wǎng)等載體發(fā)布停車信息，使泊車者能可靠、高效地找到合適的車位，同時也可以對不熟悉該地區(qū)的駕駛員提供服務，從而有效減少亂停亂放、占用非停車用地的現(xiàn)象，同時停車需求在時間和空間上分布的不均勻的矛盾也得到緩解，避免由于尋找停車場而產(chǎn)生的無效交通流以及由此帶來的公共安全危害，使人們擁有一個安全有序的出行環(huán)境。與此同時，國內(nèi)很多停車場的管理還是依靠最簡單的手工作業(yè)方式，而這種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理仍采用人工簿冊式的管理方式，查閱不方便，無法有效管理，工作效率

13、低，檢索和使用困難，而且信息的分析處理也是以定性分析為主，無法合理有效地規(guī)劃停車場的位置、車位數(shù)、合理性。在目前國內(nèi)停車場管理中發(fā)現(xiàn)以下問題:泊車排隊等候的時間長;人工現(xiàn)金收費的漏洞較大，收費的透明度低，不利于管理;不合理的車位規(guī)劃導致車輛進出難度提高；經(jīng)常出現(xiàn)車位搶占的問題等等。停車場管理發(fā)展的必然趨勢包括：在道路路口實時發(fā)布車位有關信息，在停車場內(nèi)實現(xiàn)停車誘導，實現(xiàn)真正的智能管理。因此停車場管理系統(tǒng)的方向就是提高系統(tǒng)的智能化程度，增加對車位的監(jiān)控，實現(xiàn)泊車的層層誘導，更加人性化滿足車主的需求。1.1.3研究的目的及意義停車位供需嚴重不平衡和停車場設備老舊、管理系統(tǒng)的滯后，使停車資源更加緊缺

14、，但也帶來“停車經(jīng)濟”的無限商機。目前，在一些發(fā)達國家和地區(qū)，停車系統(tǒng)己實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。如在美國，停車業(yè)每年帶來的經(jīng)濟效益約為260億美元，可以提供100萬個就業(yè)機會，可見研究智能停車場具有巨大的經(jīng)濟效益。一個好的停車場管理系統(tǒng)只需要少量的人力，即可提供真正的泊車誘導，使停車變得方便快捷，無需等候;使停車場和停車位得到最大的利用; 進一步提高車輛停放的安全性和可靠性，為公眾提供更安心的服務。而停車場有效管理的關鍵就在于能否成功的對停車位進行監(jiān)控，有效管理停車位。而停車誘導的有效運行，能提高城市交通的舒暢率，活躍城市的生命力，有助于城市和社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，研究具有停車位空位檢測系統(tǒng)的智能停車

15、場具有十分重要的意義。車位檢測系統(tǒng)是大型室內(nèi)專業(yè)停車場實現(xiàn)車位自動化定點管理的基礎。本系統(tǒng)主要使用了ZigBee技術，ZigBee傳感網(wǎng)的低功耗，低速率，低成本，低復雜度，高安全性和自組織網(wǎng)絡的優(yōu)勢使停車場管理實現(xiàn)了真正的無線管理，省去了昂貴的布線成本，降低的成本，并且管理的可靠性得到很到提高，因此基于這種技術的停車場管理系統(tǒng)已成為了目前研究的一個發(fā)展方向。1.2 課題的主要研究內(nèi)容本次課題為停車場空位檢測提供了依據(jù)，有助于停車場的管理和發(fā)展。本文分析了當前停車場智能管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和停車位監(jiān)控的主要實現(xiàn)方式，并介紹無線傳感器中的ZigBee標準的協(xié)議，并基于ZigBee協(xié)議，采用CC243

16、0芯片和超聲波測距模塊，設計一個停車位空位檢測系統(tǒng)，并且增加顯示停車場所有車位的空閑與否的顯示屏，實現(xiàn)停車場內(nèi)停車誘導，增加停車位與所停車輛的匹配。內(nèi)容包括基于ZigBee網(wǎng)絡技術的停車場空位檢測系統(tǒng)結構框圖和檢測器的安裝位置圖，車位檢測的硬件電路，以及整個系統(tǒng)和各個部分的介紹，ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點，ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P內(nèi)容。本系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡連接，各個子系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡進行通信，省去了昂貴的布線成本，滿足了己有停車場不停業(yè)改造的需求，填補了市場空白。本系統(tǒng)可幫助泊車者方便快捷地找到車位，提高車場車位管理的規(guī)范程度，提高車位利用率。降低管理人員成本，消除車主尋

17、找車位的煩惱，出行愉快，使停車場形象更加完美。第二章 無線傳感網(wǎng)絡與Zigbee技術2.1無線傳感網(wǎng)技術介紹 2.1.1無線傳感器網(wǎng)絡概述無線傳感器網(wǎng)絡(WSN, Wireless Sensor Network)，是一個自組織的多跳的網(wǎng)絡系統(tǒng)，由大量微型傳感器節(jié)點組成，以無線通信方式協(xié)作地感知、采集和處理監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。觀察者、傳感器和感知對象構成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。 傳感器節(jié)點可進行數(shù)據(jù)采集、事件檢測、事件標識、位置監(jiān)測和節(jié)點控制,而且是無間斷的，連續(xù)的。這種特性和其無線連接的方式使得無線傳感器網(wǎng)絡能夠廣泛應用于軍事、空間探索、環(huán)境監(jiān)測和預報、城市交通、

18、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、機械監(jiān)控、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測、智能家居等領域16。2.1.2無線傳感器網(wǎng)絡的特點1.大規(guī)模： 為獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，數(shù)量成千上萬，甚至更多。可能分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始森林采用傳感器網(wǎng)絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測;也可能是大量的傳感器節(jié)點密集部署在較小的氛圍內(nèi)。 大規(guī)模性有如下優(yōu)點:大量冗余節(jié)點使系統(tǒng)具有很強的容錯性;分布式處理采集信息允許降低對單個節(jié)點的精度要求;更大的信噪比;減少洞穴或者盲區(qū)。 2.動態(tài)性： 新節(jié)點的加入;傳感器、感知對象和觀察者的移動;節(jié)點因電能耗盡或環(huán)境造成故障或失效;無線通信鏈路因環(huán)境的

19、改變而帶寬變化甚至時通時斷等諸多因素都可能導致網(wǎng)絡拓撲結構的改變，這要求傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。 3.自組織： 傳感器節(jié)點被放置的位置通常不能預先精確設定，不能確定節(jié)點間的相互鄰居關系，沒有基礎結構。因此要求傳感器節(jié)點能自動進行配置和管理，自組織成多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。 4.以數(shù)據(jù)為中心： 傳感器網(wǎng)絡是一個任務型的網(wǎng)絡。采用編號標識傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點。傳感器節(jié)點隨機部署，節(jié)點編號與傳感器之間的對應關系可以是完全動態(tài)的，即節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。無線傳感器網(wǎng)絡是一種任務型、與實際應用關系密切的網(wǎng)絡，脫離傳感器網(wǎng)絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。傳感器節(jié)點的編號與節(jié)點的位置沒有必然的

20、聯(lián)系，實際上節(jié)點之間的關系也是動態(tài)的。用戶使用無線傳感器網(wǎng)絡的時候，只關心目標數(shù)據(jù)出現(xiàn)在哪個時空區(qū)，而并不關心這些數(shù)據(jù)是哪個節(jié)點傳回來的16。2.1.3 短程無線通信技術比較 無線傳感器節(jié)點主要由四部分組成： 1.傳感器模塊:傳感器、信號調(diào)整、A/D轉(zhuǎn)換器。采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 2.處理器模塊:微處理器、存儲器。存儲處理本節(jié)點采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，負責整個傳感器節(jié)點的操作的控制。 3.無線通信模塊:收發(fā)器、MAC。與其他節(jié)點無線通信，收發(fā)采集數(shù)據(jù)和交換控制信息。 4.能量供應模塊:電源、AD-DC。多為太陽能電池或干電池。提供節(jié)點運行所需的能量。圖2.1 無線傳感網(wǎng)節(jié)點

21、典型組成一般而言，隨著通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。如何解決無線信道的多變性和易丟失性，以及節(jié)點的能源限制是關鍵。長距離數(shù)據(jù)傳輸時，能耗情況會十分嚴重，對能量有限的系統(tǒng)來說，會造成節(jié)點過早死亡20。目前，使用較廣泛的短程無線通信技術有藍牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)、紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)、ZigBee、超寬頻(Ultra WideBand)、短距通信(NFC）、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統(tǒng)等。傳感器網(wǎng)絡中常用的幾種無線通信技術有:藍牙、Wi-Fi、UWB、ZigBee等。1.藍牙技術藍牙技術的實質(zhì)是為

22、移動或固定設備之間的通信環(huán)境建立通用的近距離無線接口。是一種語音通信和無線數(shù)據(jù)的開放性全球規(guī)范。工作頻率2.4GHz。具備一定的QoS(服務質(zhì)量)特性，且完整保持后向兼容性。而藍牙技術的障礙是價格昂貴，芯片大小和價格無法降低。同時，網(wǎng)絡規(guī)模有限、傳輸距離在10米以內(nèi)、抗干擾弱、信息安全問題等。2. Wi-Fi技術Wi-Fi是目前WLAN的主要技術標準。工作頻率2.4GHz。隨著新版本如802.11 a和802.11 g的先后推出，Wi-Fi的應用將越來越廣泛。802.11g的理想速率達54Mb/s，有可能被大多數(shù)無線網(wǎng)絡產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標準。3. UWB技術超寬帶技術UWB (Ultra

23、 Wideband)是一種利用納秒級的非正弦波罕脈沖傳輸數(shù)據(jù)的無線載波通信技術，占用的頻譜范圍很寬。UWB技術的優(yōu)點是定位精度高，抗干擾能力強，系統(tǒng)復雜度低，適用于短距離密集多徑的高速無線接入，可應用在小范圍、高分辨率的雷達和圖像系統(tǒng)中。由于UWB數(shù)據(jù)傳輸速率高(大于100Mb/s)，視頻消費娛樂方面的無線個人局域網(wǎng)(PANs)將成為UWB最具特色的應用。但UWB未來的前途還要取決于各種無線方案的技術發(fā)展、用戶使用習慣、成本和市場成熟度等多方面的因素。4. HomeRF一種專門為家庭用戶設計的小型無線局域網(wǎng)技術。它應用調(diào)頻擴頻(FHSS)技術，通過家中的一臺主機在移動電話和移動數(shù)據(jù)設備之間實現(xiàn)

24、通信。既可以通過時分復用支持話音通信，又可以提供數(shù)據(jù)通信服務。并且通過與TCP/IP(即IP)良好的集成，支持廣播、多播和48位IP地址。Home RF的工作頻率為2.4GHz。原來最大數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mbit/s，2000年8月，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準了Home RF的傳輸速率可以提高到8-11Mbit/s。Home RF可以實現(xiàn)最多5個設備之間的互聯(lián)。5. ZigBee技術(IEEE 802.15.4 ) Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月，負責制定網(wǎng)絡層以上協(xié)議。IEEE 802.15.4工作組則負責ZigBee物理和媒體控制層技術標準。ZigBee主要應用在短距離范圍之內(nèi)并

25、且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設備之間。與藍牙同屬802.15。主要使用2.4GHz波段，采用跳頻技術。成本低。在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)和玩具等領域廣泛應用。Zigbee的優(yōu)點：省電。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式，因此ZigBee技術可以確保2節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用說明。不同的應用對應的功耗自然是不同的。可靠。采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。成本低。模塊價格低廉，且ZigBee協(xié)議是免專利費的

26、。時延短。針對時延敏感的應用作了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值是30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms。節(jié)點通信設備易于配置。網(wǎng)絡容量大。ZigBee可以采用星形、網(wǎng)狀、串狀結構組網(wǎng)，而且可以通過任一節(jié)點連接組成更大的網(wǎng)絡結構。從理論上講，其可連接的節(jié)點多達64000個。一個ZigBee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡。安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。全球通用性和完好的開放性。ZigBee

27、標準協(xié)議，使ZigBee設備間的通信成為輕而易舉的事情。表2.1 各種無線通信技術的性能比較Zigbee藍牙HomeRFWi-Fi使用頻段/GHz2.42.42.42.4調(diào)制技術BPSK.OQPSKGFSKFSKQPSK最大速率/Mb/s0.2511.61功耗極低中等中等高復雜性簡單復雜復雜很復雜覆蓋距離/m100105050網(wǎng)絡節(jié)點255812750使用成本低中等中等中等安裝難度簡單簡單簡單簡單通過比較可知，ZigBee與Wi-Fi(IEEE802.11), Bluetooth(IEEE802.15)等同使用2.4Ghz頻段的技術相比，用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列更適合于大型無線

28、傳感器網(wǎng)絡的組建3。ZigBee技術介紹及設計應用2.2.1 Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點的設計節(jié)點是網(wǎng)絡的基本單元,節(jié)點的穩(wěn)定運行是整個網(wǎng)絡可靠性的基本保證，ZigBee無線通信節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，從網(wǎng)絡功能上看，每個節(jié)點兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點的終端和路由雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理，同時與其它節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務。目前節(jié)點的軟硬件技術是ZigBee網(wǎng)絡研究的重點12。網(wǎng)絡的基本單元是節(jié)點，單一網(wǎng)絡最多可設65535個節(jié)點。按功能區(qū)分，有簡化功能設備（RFD）和全功能設備（FFD）。前者按最少RAM和ROM資源實現(xiàn)的，設計

29、成網(wǎng)絡中簡單的收發(fā)節(jié)點。它能搜索現(xiàn)成網(wǎng)絡，必要時傳輸應用數(shù)據(jù)，想網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器請求數(shù)據(jù)，多數(shù)時間處于休眠狀態(tài)以節(jié)省電池功耗。后者可用作網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，連接協(xié)調(diào)器或另一個通信設備。在具體網(wǎng)絡中，可分為終端節(jié)點(ep)、路由器節(jié)點(rp)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(cp)3種。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡，可啟動網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲節(jié)點信息。路由器節(jié)點支撐網(wǎng)絡鏈路結構，可與網(wǎng)絡中成對節(jié)點的消息路由，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。終端節(jié)點是網(wǎng)絡的感知者和執(zhí)行者，負責數(shù)據(jù)采集，不能傳輸消息，不能連接其他節(jié)點。這就要求Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點需扮演終端感知者、網(wǎng)絡支持者、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者3種角色14。圖2.2 無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡節(jié)點

30、本次設計的無線通信模塊采用的是射頻芯片CC2430。該款芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境為支持 ,內(nèi)部線路的交互式調(diào)試遵從 IDE的IAR 環(huán)境。它是 Chipcon 公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式 ZigBee 應用的片上系統(tǒng) ,它支持2.4GHz IEEE 802.15.4協(xié)議 ,結合一個高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。并具有以下特點： 高性能和低功耗的8051 微控制器核; 集成符合IEEE802.15.4 標準的2.4 GHz 的 RF 無線電收發(fā)機;優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性; 在休眠模式時僅0.9A 的流耗，外部的中斷或R

31、TC 能喚醒系統(tǒng);在待機模式時少于0.6 A 的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng); 硬件支持CSMA/CA 功能; 較寬的電壓范圍（2.03.6 V）; 數(shù)字化的RSSI/LQI 支持和強大的DMA 功能; 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能; 帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個符合IEEE 802.15.4 規(guī)范的MAC HYPERLINK /view/928508.htm t _blank 計時器，1個常規(guī)的16 位計時器和2個8位計時器12。 1. Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計Zigbee無線網(wǎng)絡節(jié)點的硬件系統(tǒng)由CC2430器件模塊和無線收發(fā)模塊組成，CC2430射頻器件模塊由CC24

32、30器件和相關外圍電路構成。雖然CC2430內(nèi)部集成有無線收發(fā)器和8051內(nèi)核，可以簡化電路設計，在單片機和無線收發(fā)器之間不加接口電路也能通信，但通信距離有限。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，兩個網(wǎng)絡節(jié)點在空曠地面的通信距離是10-100 m，這個距離有時不能滿足應用需要,在CC2430器件與天線之間加一級接口電路即無線收發(fā)模塊，用來放人接收和發(fā)送信息的功率，從而加人數(shù)據(jù)傳送距離。2. Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計. Zigbee協(xié)議棧ZigBee協(xié)議由一組子層構成、每層為其上層提供一組特定的服務;數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務;管理實體提供全部其他服務)每個服務實體通過一個服務接入點(SAP)為其上層提供服務接口，

33、并且每個SAP提供一系列基木服務指令來完成相應的功能。ZigBee協(xié)議棧的體系結構包括:ZigBee應用層、ZigBee網(wǎng)絡層、IEEE.802.15.4 MAC層和IEEE802.15.4 PHY層。IEEE.802.15.4 2003標準定義最下面的2層:物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡層和應用層(APL)框架的設計。其中應用層框架主要包括3部分:應用支持子（APS) ,ZigBee設備對象（ZDO)和由制造商制定的應用對象。. Zigbee信道分配ZigBee的通信頻率在物理層規(guī)范，在小同的國家或區(qū)域ZigBee提供了小同的工作頻率范圍，其所使用的頻

34、率范圍為2.4 GHz和816/915MHz。因此，在ZigBee中定義2.4 GHz和816/915 MHz 2個物理層標準，它們都基于直接序列擴頻(DSSS)技術。這里采用全球統(tǒng)一的2.4 GHz波段，無須申請ISM頻段，適合ZigBee設備推廣及降低生產(chǎn)成本。2.4 GHz物理層采用16相調(diào)制技術，能夠提供250kb/s的傳輸速率，提高數(shù)據(jù)吞吐量，縮短通信時延和數(shù)據(jù)收發(fā)時間，降低功耗。. 網(wǎng)絡的建立與加入ZigBee設備通過NLME-NETWORK-FORMATION.request原語來啟動一個新網(wǎng)絡的建立過程。僅當具有ZigBee協(xié)調(diào)器能力且當前無與網(wǎng)絡連接的設備，才可嘗試建立一個新

35、網(wǎng)絡。如果此過程由其他設備開始，則網(wǎng)絡層管理實體將終止該過程，并向其上層發(fā)出非法請求報告。該步驟通過發(fā)出狀態(tài)參數(shù)為INVALID_REQUEST的NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原語來完成、只有當設備為ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器時，才能試圖允許設備與網(wǎng)絡的連接?？赏ㄟ^NLME-PERMIT-JOINING.request原語允許連接。. 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先按照協(xié)議中規(guī)定的幀形式構建幀數(shù)據(jù)。幀數(shù)據(jù)包括幀頭和幀內(nèi)容。其中幀頭包括幀類型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID等信息。幀構建好后調(diào)用MAC層的原語MCPS-DATA.request，并將接

36、收到的結果通過MCPS-DATA.confirm返回。在Z-Stack中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都必須通過應用層調(diào)用。圖2.3 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收流程2.2.2 Zigbee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的概述Zigbee網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡節(jié)點將采集數(shù)據(jù)以多跳變的方式傳送到Zigbee匯節(jié)點，匯節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關，網(wǎng)關進行Zigbee數(shù)據(jù)包解析，從數(shù)據(jù)包中提取有效信息數(shù)據(jù)，進行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)包重新打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包，經(jīng)過以太網(wǎng)傳輸將數(shù)據(jù)送到控制中心，完成整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸。一個完整的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由微處理器、存儲器、網(wǎng)絡接口等硬件組成。微處理器負責整個系統(tǒng)的運行和管理，存儲器用來存儲程序、代碼和數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡接

37、口實現(xiàn)與網(wǎng)絡的連接。網(wǎng)關是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是網(wǎng)絡傳輸?shù)募~帶，連接Zigbee和以太網(wǎng)兩個互相獨立的網(wǎng)絡，實現(xiàn)Zigbee和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸15。2.3停車場空位檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點設計2.3.1 停車位無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構研究ZigBee網(wǎng)絡層支持星型、點對點、群集和Mesh網(wǎng)絡類型的配置(如圖所示)。圖2.4 zigbee網(wǎng)絡拓撲結構消息從一個節(jié)點如何路由至另一個節(jié)點完全取決于網(wǎng)絡拓撲。星形網(wǎng)絡有一個中心節(jié)點，所有消息都由它傳輸。簇樹形網(wǎng)絡有一個頂端節(jié)點，下面有枝有葉，消息先上行在下傳。網(wǎng)形網(wǎng)絡與簇樹形相似，但它的某些枝葉可直接連接。星型網(wǎng)絡最容易實現(xiàn)，對資源要求低,但不支

38、持路由，節(jié)點數(shù)在50個左右。樹形網(wǎng)絡所能支持節(jié)點數(shù)有限。Mesh網(wǎng)絡是最復雜的，允許路由且路由的路徑是自動計算出來的最佳路徑，而且網(wǎng)絡建立后，任何一個設備失效，網(wǎng)絡中的設備會重新計算路由的路徑，使得不影響網(wǎng)絡其他設備正常通訊。不過相對來說，mesh網(wǎng)絡需要更多資源，規(guī)模越大，延時也會變大7。本系統(tǒng)采用Mesh拓撲結構構建網(wǎng)絡。每個區(qū)設置一個ZigBee路由。每個路由管理該區(qū)的數(shù)十個車位無線傳感器終端。整個Mesh網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器來協(xié)調(diào)，并與中央監(jiān)控系統(tǒng)交換信息。停車場的各個節(jié)點的拓撲結構如圖所示。圖2.5 停車場各節(jié)點拓撲圖2.3.2 停車位傳感器的硬件設計技術 在傳感器網(wǎng)絡中，全功能器件(F

39、FD)具有控制器，可建立并形成網(wǎng)絡，能連接其它FFD或RFD。提供信息雙向傳輸。精簡功能器件(RFD)只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。FFD節(jié)點可作為協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點。RFD節(jié)點只可做終端節(jié)點。 網(wǎng)絡中只能有一個協(xié)調(diào)器，管理整個網(wǎng)絡14。 每個獨立網(wǎng)絡的網(wǎng)絡號(Personal Area Network ID，個域網(wǎng)ID)都是唯一的。本系統(tǒng)中，停車位的傳感器作為終端節(jié)點，選用CC2430芯片。 CC2430為FFD器件， CC2430芯片采用7mm7mm QLP封裝，共有48個引腳。全部引腳可分為I/0端口線引腳(21個)、控制線引腳和電源線引腳?；贑C2430的超聲波接收

40、模塊設計如圖所示：圖2.6 超聲波接收模塊第三章 基于Zigbee的停車場空位檢測系統(tǒng)的設計3.1 停車場管理系統(tǒng)構成本系統(tǒng)可分為4個模塊：入口管理、泊位管理、車位管理和出口管理。該方案主要由停車場內(nèi)系統(tǒng)和泊車引導子系統(tǒng)組成。停車場內(nèi)系統(tǒng)是整個停車場管理系統(tǒng)的核心，也是該管理系統(tǒng)的特色所在，用車位檢測的方法給泊車引導提供了更迅速、更真實的信息，減少了車輛尋找車位的時間;利用車輛信息查詢技術確保了客戶快速找到自己的停車位，滿足了客戶的需求，從而顯得更加人性化。圖3.1停車場管理系統(tǒng)框圖本文提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的停車場空位檢測系統(tǒng)設計方案。采用Zigbee無線收發(fā)裝置實現(xiàn)停車場的

41、車位檢測及智能管理。在停車場的每一個車位上方安裝超聲波探頭。這些探頭能夠?qū)⒄麄€停車場的車位占用情況通過節(jié)點控制器準確地傳送到中心控制器，中心控制器通過對這些信息進行分析、處理，分別將相關指令傳送給車位引導牌，滿位顯示牌，司機只要按照引導牌的指示行駛，就可以順利地停車入位或駛離停車場。中心控制器還將綜合分析得出的信息，傳送到設在監(jiān)控室內(nèi)的系統(tǒng)計算機和停車場動態(tài)顯示屏。監(jiān)控人員可以利用計算機上的專業(yè)軟件對該車場的各種數(shù)據(jù)、圖像、歷史紀錄以不同的條目進行管理和查詢。車位動態(tài)顯示屏可以使管理人員直觀查看停車場使用情況。系統(tǒng)結構如圖所示：圖3.2 停車場系統(tǒng)結構圖車位管理的工作流程如下:當汽車泊入車位，

42、安裝在車位上的無線探測終端超聲波傳感器利用超聲波的回波探測到車輛，無線探測終端通過查詢方式接收到車位有車的信息，通過嵌入式串口通信模塊發(fā)送相關數(shù)據(jù)到中心處理節(jié)點，從而完成數(shù)據(jù)處理及信息顯示功能，并返回相對應的操作指令。通過系統(tǒng)運行和顯示完成停車場的信息采集和自動管理。系統(tǒng)工作原理如圖所示：圖3.3 空位檢測系統(tǒng)工作原理圖3.1.1 入口管理系統(tǒng)設備及流程入口部分主要由ZigBee路由器、發(fā)卡機(或管理員)、車位顯示屏、攝像頭、電動欄桿、擋車器組成。其控制原理如圖所示。圖3.4 入口控制原理圖首先，車輛經(jīng)過檢測器時，車輛檢測器A檢測汽車，記錄車輛特征，然后核對該車是不是停車場的固定用戶。如果是固

43、定用戶就由讀寫器A完成對此用戶的時間信息登記，車輛檢測器B檢測到車輛后打開道閘機并拍攝圖像，當車輛檢測器C檢測到車輛后就關閉道閘機。如果是臨時用戶就關閉讀寫器A同時語音播放通知客戶取卡，并打開讀寫器B等待臨時客戶的信息登記。臨時客戶就由讀寫器B對其進行時間信息登記并打開道閘機和拍攝圖像，等車輛檢測器C檢測到車輛后就關閉道閘機22。3.1.2 泊車引導系統(tǒng)泊車引導系統(tǒng)很重要，作用就是幫助司機迅速找到合適的空余車位。泊車引導子系統(tǒng)由通道上的引導顯示牌組成。引導顯示牌主要安裝在道路岔口處，指示停車場中左方、右方和前方剩余車位的數(shù)量。1. 泊車引導系統(tǒng)工作流程通過車位探測器可以實時采集停車場的各個停車

44、位的停車情況，區(qū)域控制器按照輪詢的方法對停車場各個車位的相關信息進行收集，并按照一定規(guī)則將數(shù)據(jù)壓縮編碼后反饋給主控制器，由主控制器對整個車場的車位停放信息進行分析處理后，發(fā)送給停車場內(nèi)各指示牌、引導牌等提供信息，指導車輛進入相關車位，并同時將數(shù)據(jù)傳送給計算機，由計算機將數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫服務器，計算機系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)查詢接口。2. 系統(tǒng)安裝分布詳細解讀停車場各個入口 停車場的每個入口均應該安裝入口車位信息總顯示屏，用于顯示停車場內(nèi)車位信息。顯示屏由高亮度戶外LED模塊、驅(qū)動電路、控制電路、支架等部分組成。它接收中央控制器的車位統(tǒng)計信息，用數(shù)字和文字形式實時顯示當前停車場空閑車位數(shù)量，提示準備入場的車

45、輛司機。安裝效果如圖： 圖3.5 入口車位信息總顯示屏戶外顯示屏： 工作電壓： AC 110-240V 功率：40W 通訊方式：RS485 通訊速率：4800 輝度：500cd/ 停車場內(nèi)部岔道口 停車場內(nèi)部重要的岔道口需安裝車位引導顯示屏，顯示屏由高亮度戶外LED模塊、驅(qū)動電路、控制電路、支架等部分組成。它接收中央控制器的輸出信息，用數(shù)字、箭頭和文字等形式顯示車位方位，引導司機快速找到系統(tǒng)分配的空車位。停車場中央控制器通過網(wǎng)絡可以實現(xiàn)每個路口的任意方向的引導，從而將車流分配到停車場最適合的位置，保證停車場的暢通和充分利用車位。安裝效果如圖： 圖3.6 車位引導顯示屏室內(nèi)空位顯示屏： 工作電壓

46、： AC 110-240V 功率：30W 通訊方式：RS485 通訊速率：4800 輝度：300 cd/ LED點陣：點陣64*24每個停車位每個停車位上均需安裝一個車位探測器和一個車位指示燈。車位指示燈直接從車位探測器上接線，施工方便。對每個車位的占用和空閑情況進行可靠檢測。在每個車位上方安裝超聲波探測器即可探測到有無車輛停泊在車位上。如果有車，探測器控制車位指示燈顯示紅色，否則顯示綠燈。安裝效果圖：圖3.7 停車位指示燈車位指示燈： 工作電流：20MA LED輝度（綠/藍）：9000mcd LED輝度(紅)：5000mcd LED燈珠數(shù)量：6紅 6綠/藍 工作溫度：-50+80 可視距離：

47、50m區(qū)域控制器區(qū)域控制器，專業(yè)上又叫節(jié)點控制器。區(qū)域控制器對保證泊車引導系統(tǒng)的安全、可靠與高效有重要作用。區(qū)域控制器循環(huán)檢測所接探測器的狀態(tài)，并將有關信息傳到中央控制器。每一個區(qū)域控制器連接控制約40個車位探測器，用于連接中央控制器和車位探測器、顯示屏、引導箭頭等。還解決了長距離通信不可靠的問題、網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)擴展問題、分組管理問題等22。區(qū)域控制器： 工作電壓： AC110240V 通訊方式： RS485 通訊速率： 4800 容量： 小于60,40最佳圖3.8 區(qū)域控制器圖3.9 區(qū)域控制器（協(xié)調(diào)器）軟件工作流程中央控制器中央控制器負責整個停車場引導系統(tǒng)的采集與控制，是系統(tǒng)核心。中央控制器采

48、用Motorola公司的DSP實現(xiàn)綜合控制，主頻速度達到80MPIS，性能卓越，能夠承擔高達8000個車位的停車場管理功能。停車場引導系統(tǒng)的核心功能是進行車位引導，該功能主要由中央控制器完成。3.1.3 出口通道系統(tǒng)出口通道系統(tǒng)由車輛檢測、低頻喚醒、監(jiān)控攝影機部、監(jiān)控中心和自動道閘機組成。出口流程如下:1、由車輛檢測器D檢測到汽車，記錄車輛特征并通知控制中心，由控制中心打開攝像裝置;2、通信并確認車輛是否與進來的是同一輛車，如果不是則扣留車輛，如果是則判斷是固定還是臨時用戶;3、如果是固定用戶則由道閘機自動放行，如果是臨時用戶則收卡并收費后放行;4、當車輛檢測器E檢測到車輛離開后，放下自動道閘

49、機21。圖3.10 出口通道流程圖3.2 停車場空位檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)在商業(yè)城、娛樂區(qū)等車輛密集的地帶，只有高效率的停車場管理系統(tǒng)才能適應現(xiàn)代停車場的需求。其中車位的檢測是停車場管理系統(tǒng)的一項必不可少的指標。停車場對車位檢測的準確度和穩(wěn)定性提出了很高的要求，因為車位檢測的失誤會造成車輛的擁擠，并可能使停車場陷于癱瘓狀態(tài)。3.2.1車位檢測電路方案論證 觸發(fā)類型的選擇是實現(xiàn)車位狀態(tài)檢測的關鍵技術。觸發(fā)類型的選擇可以看作是傳感器類型的選擇。下面對傳感器的性能進行仔細的對比。1、紅外線傳感器當有車駛?cè)肽耻囄粫r，紅外探頭對射感應并把車位狀態(tài)上報給控制中心。紅外探測具有價格低廉、應用范圍廣的優(yōu)點，并且由于開

50、發(fā)較早，技術相對成熟。但是紅外也有很多不利因素：1)容易受各種熱源、光源、電磁和其他人員的干擾，在停車場的復雜環(huán)境里會導致的誤報；2)容易造成多次觸發(fā)，車位檢測要求有一個確定的觸發(fā)狀態(tài)，尤其是在車位進出時車位的時候，給車位實時監(jiān)測帶來難度，所以不能滿足設計要求;3)無法實現(xiàn)車位狀態(tài)的主動查詢。2、超聲波傳感器超聲波傳感器一般是用來測距的，根據(jù)聲波在空氣中傳輸?shù)臅r間來得到距離。根據(jù)使用環(huán)境，計算出最大誤差值，當某車位無車時，超聲波傳感器測得的距離大于門限值;當有車時，測得的距離小于門限值。這樣可以清晰顯示車位的狀態(tài)，而且控制中心可以隨時主動查詢車位狀態(tài)的信息。當然，超聲波傳感器也有缺點：1)周圍

51、環(huán)境產(chǎn)生40kHz左右的噪音時會導致超聲波傳感器接收錯誤;2)一個超聲波傳感器發(fā)射接收容易受干擾，兩個相近的物體可能引起超聲波傳感器的接收錯誤;3)不能適應多風的場合，風不能大于六級。能否主動獲取車位狀態(tài)信息是車位狀態(tài)檢測的一項基本要求，因此在停車場中超聲波傳感器的缺點基本可以避免。經(jīng)綜合考慮以上方案，最終選擇超聲波傳感器19。3.2.2 停車位檢測器的設計停車場的環(huán)境比較復雜，紅外線傳感器構成的車位檢測器易受灰塵影響，并且安裝不便，所以并沒有得到普遍應用。本次設計將超聲波車位傳感器安裝在車位的正上方，向下發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)過地面或車輛頂部反射又由傳感器接收，即可獲取超聲波傳輸?shù)臅r間，從而計

52、算超聲波傳輸?shù)木嚯x。當車位有車時，其所得距離與無車時的距離是不一樣的，由此判斷車位上有無泊車。本次設計采用的是TGWH636超聲波傳感器，具有防誤檢功能，如防相鄰車位誤檢、人員在停車位上誤檢、障礙物誤檢等，本探測器是停車場車位檢測系統(tǒng)首選探測器。探測器工作穩(wěn)定可靠，技術成熟，已經(jīng)裝備了多個國家重要部門的停車場，占有國內(nèi)大部分市場。探測器外形美觀，實時狀態(tài)燈顯示車位，現(xiàn)場安裝、調(diào)試、維修方便。 探測器安全可靠，保證全部接線與外部絕緣，保證停車場工程的安全。并且探測器功耗極低，降低用戶用電費用。采用繼電器觸點輸出，接口簡單，安全可靠，適合各種控制系統(tǒng)23。 圖3.11 超聲波檢測空位示意圖超聲波傳

53、感器的技術指標型號 TGWH636感測范圍 0.55.0m探測距離設定 16種設定距離最大誤差 0.01m檢測輸出時間 2秒防誤檢功能 相鄰車位，人員等工作電壓 1113V工作電流 20毫安外觀尺寸 直徑105毫米,高46毫米環(huán)境溫度 -20+50接口方式 無源的繼電器觸點輸出(常開、公共端、常閉) 重量 150克外殼ABS塑料絕緣電壓 3000伏安裝方式 機體與底座分離，旋入式結構狀態(tài)燈紅燈為車位占用，燈滅為車位空3.2.3 超聲波檢測車位狀態(tài)的原理及實現(xiàn)超聲波檢測車位的原理超聲波檢測車位狀態(tài)是基于超聲波測距原理實現(xiàn)的。超聲波測距原理是：超聲波發(fā)生器內(nèi)部結構有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的

54、兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波本時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比26。通過超聲波發(fā)射探頭不斷發(fā)送超聲波，并檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差T，然后求出距離s=CT / 2，式中的C為超聲波波速。為了能測量頂端和地面之間的距離，我們可以在汽車位上方安裝傳感器排組，用

55、超聲脈沖激勵超聲探頭向外輻射超聲波，同時接收從被測物體反射回來的超聲波(簡稱回波)，通過檢測或估計從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時間ToF(Time of Flight)，按下式計算超聲波探頭與被測物體之間的距離d，即d=1/2c T oF（c為聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度）。經(jīng)大量實驗驗證頻率為40KHZ左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，因此，為了便于處理，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40KHZ左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號26。圖3.12 超聲波測距原理圖2. 超聲波檢測車位狀態(tài)的判斷根據(jù)超聲波測距的原理，假設停車場的頂部與地面的高度為3米，空氣傳播速度被認為是不變的。在實際中，如果有車停

56、入時，超聲波發(fā)出后遇到汽車頂部反射，超聲波接收到的時間就要比沒有車的時間短，據(jù)公式L=Vt/2推出，得到的距離L與實際距離3米比較，如小于3米，表示車位被占據(jù)，否則說明車位未被占據(jù)。為了克服人在車位上走動的干擾，當檢測到有車剛停放時，需要隔幾秒之后再進行確認23。由于超聲波測距傳感器常用的方式是1 個發(fā)射頭對應1 個接收頭，也有多個發(fā)射頭對應1 個接收頭，共同之處是：每個接收頭只測量一個位置，這個位置就是除盲區(qū)內(nèi)因發(fā)射的超聲旁瓣引起的接收信號超聲波包絡峰值外，第1個接收信號超聲波包絡峰值對應的距離。于是我們根據(jù)脈沖回波檢測法提出了以下車位占空判斷準則:準則一:凡一次回波時間有如下關系: o-o

57、+如圖所示，視為無車。這里為考慮溫度變化及傳感器安裝高度允許誤差所加的時間校正量，o為常溫和固定高度下一次回波的時間。準則二:凡一次回波時間有如下關系: o+o-或無回波，均視為無車。圖3.13 傳感器脈沖回波示意圖以上兩條準則充分考慮了各種實際情況，諸如車輛偏離車位中心，非平面車頂或無蓬頂車造成的復雜回波甚至無回波，臨近車輛的回波干擾等，其檢測的可靠性遠比傳統(tǒng)方法為高。如果加以有效的信號處理，則可進一步提高檢測的可靠性1?？紤]到檢測方式是脈沖反射式近距狀態(tài)測量，故可忽略濕度、溫度梯度變化、空氣擾動等次要因素的影響。故有: =十 即式中對應相對常溫的溫度變化量所加的時間校正量安裝高度允許誤差h

58、折合的時間校正量由聲速公式c=331.4（1+k/273） (m/s) , 式中k氏溫度,得：=2h/c=2h /（331.4(1+k/273)） (s)o = 2ho / Co =2ho / (331.4(1+ko/273)） (s)d=(/ k) dk+ ( r / h)dhr / k (h /(331.4273) (s/)/h 2/331.4 (s/m)室內(nèi)（地下）k的變化范圍一般為幾十攝氏度，故有以上近似式。所以：= += |（r / k）k | + |（/h）h |折合成最大測距誤差為：Hmax = 1/2 c |50 。(50為設計適用溫度范圍的上限)，若Hmax小于入場車輛的最低

59、有效反射平面高度(約0.5m)，則無需另加溫度傳感器進行誤差校正，僅需將估算出的以常量形式編入程序即可。實際應用中我們?nèi)〕豮0=20，使用溫度范圍為1050，由此k30;傳感器安裝高度h0 = 3m，設最大安裝高度允許誤差h =10.0cm，則o=0.0175s=17.5ms,若=(9.95+6.04 )0.0001=1.60ms, Hmax1/2 c |50=0.288m0.5m。即可得到判斷的門限值2。超聲波檢測車位狀態(tài)的實現(xiàn)超聲波檢測車位狀態(tài)的電路包括：超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路和Zigbee電路。由單片機的管腳產(chǎn)生頻率為40KHz的方波信號。為了提高發(fā)射強度，用推挽的方式將方波信

60、號加到超聲波換能器兩端。輸出端采用兩個反相器并聯(lián)，用于提高驅(qū)動能力。超聲波接收電路核心器件為CX20106。CX20106是日本索尼公司一款紅外線檢波接收的專用芯片，在輸入信號過強時防止前置放大器過載，使用時調(diào)節(jié)方便，抗電磁干擾能力較強?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38K與測距的超聲波頻率40K較為接近，利用CX20106制作超聲波檢測接收電路。當接收探頭接收到回波后，把超聲波信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號。再經(jīng)過CX20106的放大，濾波，會在INT0產(chǎn)生一個下降沿信號，此信號作為中斷信號，讀取CC2430內(nèi)部定時器的時間，計算距離。通過距離判斷此車位有無停放車輛。如果有車，則把P1.3管腳設置為高