摘要：基于喚醒式RFID、無線傳感網絡、2.5G/3.5G通信，提出了一個基于物聯網的停車位管理系統模型，將無線傳感節點嵌入在停車位中，形成一個均勻覆蓋和沒有能量異構的無線傳感網絡。通過RFID、停車位測控器、停車場主控節點、監控中心之間的無線傳感，實現對城市停車位的自動化探測、識別和定位。大大減輕了停車場工作人員的工作量，同時也方便了出行的車主。
引言
2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯盟（ITU）發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，正式提出了“物聯網”的概念[1]。報告指出：無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨，世界上所有的物體都可以通過互聯網主動進行信息交換。射頻識別技術（RFID）、無線傳感網絡技術（WSN）、納米技術、智能嵌入式技術將得到更加廣泛的應用。2006年3月，歐盟召開會議“From RFID to the Internet Of Things”，對物聯網作了進一步的描述，并于2009年制定了物聯網研究策略的路線圖[2]。
可以認為物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物體與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。
傳統的停車位管理各自為政，且無法讓車主了解實時信息，車主在尋找停車位的同時既浪費了大量的時間，又浪費了寶貴的汽油資源。通過本文所設計的系統，可以把一座城市的停車位信息整合到一起，并動態實時地在網絡上顯示每個車位的使用信息，既方便了管理，又方便了車主，同時也節約了大量的人力物力資源。
1 系統模型
基于物聯網技術的城市停車位管理系統采用“監控中心—停車場主控節點—停車位測控器”的三層結構，通過2.5G/3G的技術將監控中心的城市停車場控制系統軟件和停車場主控節點聯系起來，而停車場主控節點又通過自主研發的停車位網絡將停車位的數據信息發送到相關的停車位節點。（通過可選的2.5G/3G的通信技術可以為不同的城市選擇合適的通信方式。）該系統的結構圖如圖1所示。
圖1 城市停車位監控系統的結構圖
圖1中的停車位節點1至N通過自主研發的網絡協議實現了通信的網絡結構，每個停車場主控節點作為該停車場的主控節點，它作為Internet和停車位網絡的接口，通過提供可選的2.5G/3G通信技術和停車位自組網絡的結合，可以將停車位的數據信息發送到世界上任何一個有Internet網絡覆蓋的地方。停車場主控節點將停車位信息發送到中心服務器，從而存入數據庫中，監控中心通過對服務器的數據庫操作可以實現對停車位的控制和監測。
2 核心硬件設計
2.1 車載電子標簽和停車位測控節點
ZigBee技術是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術[3]，是一種開放性的低成本、低功耗、低數據速率、低復雜度、雙向傳輸、高可靠性的新型短距離無線通信技術，其突出特點是應用簡單、功耗低、成本低、可靠性高，在WSN中有著廣泛的應用。與藍牙、WiFi和紅外等無線通信技術對比如表1所列[4]。
表1 無線技術比較
TI和Freescale這兩家公司在無線模塊生產中比較著名，而且生產的產品非常豐富，無論是早期的“MCU+射頻芯片”組合，如TI公司的“MSP430+CC2420/CC2520”、Freescale公司的“MC9S08GT60+MC13191/MC13192”，還是目前主流的單芯片解決方案，如TI的CC2430、CC2431，Freescale的MC1321x、MC1322x等，均為用戶提供了多種選擇的余地。對兩家公司同類產品對比分析，它們的性能指標基本相同，溫度范圍均在-40～85 ℃，靈敏度均為-92 dBm，最大傳輸速率為250 kbps[78]，但是Freescale公司的產品功耗更小，價格更低。
作者從系統的穩定性、可靠性、芯片體積以及對其熟悉程度等方面因素考慮，最終確定使用Freescale公司的MC13213單芯片解決方案。MC13213芯片的功能框圖如圖2所示。
圖2 MC13213功能框圖
車載電子標簽及停車位測控節點均采用Freescale公司的MC13213芯片，標簽采用2.4G ZigBee無線協議傳輸數據，平常處于低功耗休眠狀態，只有當被喚醒之后才無線發送用戶的ID數據，之后立即進入休眠狀態，電子標簽工作電壓范圍20~33 V，休眠電流在10 μA以下。使用440 mAh電池,可正常工作一年以上。當停車位測控節點接收到從電子標簽發來的用戶ID信息時，停車位測控節點打開車位上的擋車器，并將用戶ID信息無線發送至停車場主控節點，停車場主控節點再通過25 G或3 G模塊將用戶ID信息發送至監控中心服務器，實時更新停車位的使用信息。每個用戶可隨時通過電腦或手機登錄服務器的網頁，查詢該城市的所有停車位的空閑和占用情況。當用戶通過網絡預訂某停車位時，監控中心將該用戶ID逐步傳遞至停車位測控節點，則在預訂有效時間內，只有擁有該ID的用戶到達時，停車位測控節點才打開停車位上的擋車器。若預訂車位時尚無空位，則當有空位時，停車位測控器可即時將空位信息傳至停車場主控節點，停車場主控節點即時通過GPRS短信通知用戶。
2.2 停車場主控節點
停車場主控節點作為一個停車場網絡的路由節點和主控節點，是Internet和停車場網絡的接口網關。停車場主控節點主要由2個MCU控制器和兩個遠距離無線通信模塊GTM900B（華為GPRS通信模塊）和EM770W（華為WCDMA 3G通信模塊）組成。以MC13213無線傳感網絡微控制器為核心的停車場網絡主控節點負責和停車位無線傳感網絡通信，將相關數據幀信息通過同步信號和SCI接口發送到2.5G/3G數據收發處理模塊，該模塊以32位ColdFire系列芯片MCF52223為核心（MCF52223芯片具有1個USB2.0通信和3個UART接口[10]，和3G模塊/2.5G模塊接口比較容易），接收數據后經處理后封幀，然后通過2.5G/3G發送到監控中心的服務器中。MCF52223可以通過SCI接口和GPRS模塊GTM900B進行數據通信，也可以通過USB接口和WCDMA模塊EM770W通信。同時2.5G/3G模塊接收到監控中心的命令數據后，交由MCF52223解析，然后將解析后的命令發送到停車位網絡的主控節點。主控節點將數據發送到停車位網絡中傳輸。
3 軟件設計
3.1 停車位測控節點主程序設計
主函數流程主要有三部分，有一個網絡數據幀處理隊列。第一個部分主要是系統的初始化和相關變量的設置；第二個部分主要是獲取車載標簽信息；第三個部分查看網絡數據幀處理隊列中是否有數據幀需要處理，如果有則將幀送給網絡數據幀處理和轉發模塊來進行相關操作。
3.2 停車場主控節點軟件設計
3.2.1 RFZigBee接收數據模塊
該部分負責接收從停車位傳感網絡接收相關數據，判斷該數據幀的正確性和合法性，然后對數據幀進行處理，之后經SCI模塊發送至2.5G/3G數據收發處理模塊。
每當RFZigBee接收模塊收到一個IRQ中斷，中斷處理程序接收數據幀，在接收數據的過程中將數據放入緩存。應用程序循環掃描緩存區，一旦發現有數據，就取出數據并進行有效性驗證，然后做相應處理之后轉發數據，轉發數據前要先發送同步信號，保持通信的同步和穩定。已發送數據幀緩存區定時清除。
3.2.2 RFZigBee發送數據模塊
該部分主要負責偵聽串口數據，然后解析數據幀，同時判斷數據的有效性，判斷是否為2.5G/3G數據收發處理模塊發送來的命令。如果數據幀合法，那么對數據幀做一定的處理，然后發送給停車位傳感網絡。
所以MC13213無線傳感網絡主控節點主要是作為停車位傳感網絡的路由，將停車位傳感網絡中需要傳輸的數據發送給2.5G/3G的數據收發處理模塊去處理，同時將有意義的數據幀傳輸給對應的停車位傳感網絡。
(1) 中斷處理函數流程
中斷流程主要包括IRQ中斷和UART的中斷。使用了IRQ3和UART0/USB中斷。通過IRQ3來同步接收串口的數據。每次IRQ3中斷來時清接收計數標志為0，同時使能UART0/USB接收中斷。然后UART0/USB接收中斷開始接收數據，每接收一個接收計數標志就要加1，直到達到數據幀的長度之后，作對應的校驗，如果正確將置對應的標志位。
(2)主函數流程
主函數主要有兩個任務：
① 檢測是否收到GPRS/WCDMA模塊的數據(該數據由監控中心發送)。如果收到，對數據進行相關處理，然后通過串口同步信號和UART0發送到MC13213無線傳感網絡主控節點模塊。
② 檢測USB/UART是否收到數據。如果收到數據，對數據進行解析，然后封成對應的數據幀，通過GPRS/WCDMA模塊發送到監控中心的服務器上。
4 實驗及效果
某國家級工業園區2010年初開始實施城市停車位管理系統，在進行停車位改造的同時，將無線傳感節點嵌入停車位擋車器中，并在每個停車場安裝主控節點設備，形成了一個覆蓋整個區域停車場和停車位的無線傳感網絡。對區內的車輛安裝車載終端，對進入區內的臨時車輛，用車輛行駛證置換車載終端。經過幾個月的測試，得出相關數據如表2所列。
表2 實驗數據
從表中可以看出，通過使用城市停車位管理系統，已經有了一定的效果，隨著應用區域的擴大，效果將更加明顯。
結語
城市停車難是當今城市建設的一大弊病，在構建停車場停車位自組網絡的基礎上，對車輛進行智能化的引導、均衡分配和使用停車位資源是解決問題最好的方法之一，但關鍵是如何實現城市停車位網絡的構建。本文的創新工作在于：
① 提出了一種新的基于物聯網的智能城市停車位管理系統模型；
② 通過ZigBee技術，實現“車—停車位—停車場”相互感知；
③ 利用2.5G/3G通信技術對分散各處的停車場中各個停車位信息進行統一實時監控。
實驗說明，本文的工作具有較高的研究價值和產業化價值。
參考文獻
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[10] 王宜懷，陳建明，蔣銀珍．基于32位ColdFire構建嵌入式系統[M]．北京：電子工業出版社,2009．
李云飛（講師），研究方向為嵌入式系統與虛擬現實。
