基于Zigbee的停车场空位检测系统
2. Zigbee网络节点的软件设计 ①. Zigbee协议栈
ZigBee协议由一组子层构成、每层为其上层提供一组特定的服务;数据实体提供数据传输服务;管理实体提供全部其他服务)每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供一系列基木服务指令来完成相应的功能。
ZigBee协议栈的体系结构包括:ZigBee应用层、ZigBee网络层、IEEE.802.15.4 MAC层和IEEE802.15.4 PHY层。IEEE.802.15.4 2003标准定义最下面的2层:物理层(PHY)和介质接入控制层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中应用层框架主要包括3部分:应用支持子（APS) ,ZigBee设备对象（ZDO)和由制造商制定的应用对象。 ②. Zigbee信道分配
ZigBee的通信频率在物理层规范，在小同的国家或区域ZigBee提供了小同的工作频率范围，其所使用的频率范围为2.4 GHz和816/915MHz。因此，在ZigBee中定义2.4 GHz和816/915 MHz 2个物理层标准，它们都基于直接序列扩频(DSSS)技术。
这里采用全球统一的2.4 GHz波段，无须申请ISM频段，适合ZigBee设备推广及降低生产成本。2.4 GHz物理层采用16相调制技术，能够提供250kb/s的传输速率，提高数据吞吐量，缩短通信时延和数据收发时间，降低功耗。 ③. 网络的建立与加入
ZigBee设备通过NLME-NETWORK-FORMATION.request原语来启动一个新网络的建立过程。仅当具有ZigBee协调器能力且当前无与网络连接的设备，才可尝试建立一个新网络。如果此过程由其他设备开始，则网络层管理实体将终止该过程，并向其上层发出非法请求报告。
该步骤通过发出状态参数为INVALID_REQUEST的NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原语来完成、只有当设备为ZigBee协调器或路由器时，才能试图允许设备与网络的连接。可通过NLME-PERMIT-JOINING.request原语允许连接。 ④. 数据的发送与接收
发送数据时，首先按照协议中规定的帧形式构建帧数据。帧数据包括帧头和帧内容。其中帧头包括帧类型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID等信息。帧构建好后调用MAC层的原语MCPS-DATA.request，并将接收到的结果通过MCPS-DATA.confirm返回。在Z-Stack中，数据的发送和接收都必须通过应用层调用。
8
基于Zigbee的停车场空位检测系统
MAC层接收数据是否重复报文？是丢弃是否转发报文？发送模块处理死报文？查找路由找有效路由发送报文结束本次数据处理否否应用层处理发给本节点的报文是MAC层接收数据是丢弃否否路由发现是
图2.3 数据的发送和接收流程
2.2.2 Zigbee网络数据传输系统的概述
Zigbee网络通过网络节点将采集数据以多跳变的方式传送到Zigbee汇节点，汇节点将数据发送到网关，网关进行Zigbee数据包解析，从数据包中提取有效信息数据，进行协议转换和数据包重新打包成TCP/IP数据包，经过以太网传输将数据送到控制中心，完成整个网络的数据传输。
一个完整的数据传输系统硬件系统由微处理器、存储器、网络接口等硬件组成。微处理器负责整个系统的运行和管理，存储器用来存储程序、代码和数据，网络接口实现与网络的连接。
网关是建立在传输层以上的协议转换器，是网络传输的纽带，连接Zigbee和以太网两个互相独立的网络，实现Zigbee和以太网之间的数据传输[15]。
9
基于Zigbee的停车场空位检测系统
2.3停车场空位检测系统的网络节点设计
2.3.1 停车位无线传感器网络拓扑结构研究
ZigBee网络层支持星型、点对点、群集和Mesh网络类型的配置(如图所示)。
图2.4 zigbee网络拓扑结构
消息从一个节点如何路由至另一个节点完全取决于网络拓扑。星形网络有一个中心节点，所有消息都由它传输。簇树形网络有一个顶端节点，下面有枝有叶，消息先上行在下传。网形网络与簇树形相似，但它的某些枝叶可直接连接。星型网络最容易实现，对资源要求低,但不支持路由，节点数在50个左右。树形网络所能支持节点数有限。Mesh网络是最复杂的，允许路由且路由的路径是自动计算出来的最佳路径，而且网络建立后，任何一个设备失效，网络中的设备会重新计算路由的路径，使得不影响网络其他设备正常通讯。不过相对来说，mesh网络需要更多资源，规模越大，延时也会变大。
本系统采用Mesh拓扑结构构建网络。每个区设置一个ZigBee路由。每个路由管理该区的数十个车位无线传感器终端。整个Mesh网络由一个协调器来协调，并与中央监控系统交换信息。停车场的各个节点的拓扑结构如图所示。
[7]
10
基于Zigbee的停车场空位检测系统
中央监控计算机入口出口协调器路由器终端
图2.5 停车场各节点拓扑图
2.3.2 停车位传感器的硬件设计技术
在传感器网络中，全功能器件(FFD)具有控制器，可建立并形成网络，能连接其它FFD或RFD。提供信息双向传输。精简功能器件(RFD)只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。FFD节点可作为协调器、路由器以及终端节点。RFD节点只可做终端节点。 网络中只能有一个协调器，管理整个网络[14]。
每个独立网络的网络号(Personal Area Network ID，个域网ID)都是唯一的。本系统中，停车位的传感器作为终端节点，选用CC2430芯片。
CC2430为FFD器件， CC2430芯片采用7mm×7mm QLP封装，共有48个引脚。全部引脚可分为I/0端口线引脚(21个)、控制线引脚和电源线引脚。
基于CC2430的超声波接收模块设计如图所示：
数据采集超声波传感器数据处理MCU数据传输Zigbee电源管理单元
图2.6 超声波接收模块
11
基于Zigbee的停车场空位检测系统
第三章 基于Zigbee的停车场空位检测系统的设计
3.1 停车场管理系统构成
本系统可分为4个模块：入口管理、泊位管理、车位管理和出口管理。该方案主要由停车场内系统和泊车引导子系统组成。停车场内系统是整个停车场管理系统的核心，也是该管理系统的特色所在，用车位检测的方法给泊车引导提供了更迅速、更真实的信息，减少了车辆寻找车位的时间;利用车辆信息查询技术确保了客户快速找到自己的停车位，满足了客户的需求，从而显得更加人性化。
控制中心 入口通道停车场内系统泊车引导出口通道空余车位显示车辆检测读卡器组摄像系统车位检测无线通信系统车位检测无线通信系统车位检测无线通信系统引导显示牌引导显示牌引导显示牌车辆检测读卡器组摄像系统12n 图3.1停车场管理系统框图
本文提出了一种基于ZigBee无线网络技术的停车场空位检测系统设计方案。采用Zigbee无线收发装置实现停车场的车位检测及智能管理。
在停车场的每一个车位上方安装超声波探头。这些探头能够将整个停车场的车位占用情况通过节点控制器准确地传送到中心控制器，中心控制器通过对这些信息进行分析、处理，分别将相关指令传送给车位引导牌，满位显示牌，司机只要按照引导牌的指示行驶，就可以顺利地停车入位或驶离停车场。
中心控制器还将综合分析得出的信息，传送到设在监控室内的系统计算机和停车场动态显示屏。监控人员可以利用计算机上的专业软件对该车场的各种数据、图像、历史纪录以不同的条目进行管理和查询。车位动态显示屏可以使管理人员直观查看停车场使用情况。
系统结构如图所示：
12