基于无线传感器网络的停车位监控系统

引 言

随着我国社会经济的日益增长，城市居民家庭的汽车拥有量急剧增加，导致停车需求难以满足。目前我国大多数停车场建设和管理相对滞后，大部分还处于人工管理阶段，由于车主无法及时掌握停车场内部的车位信息，因此需要花费大量时间在停车场中盲目寻找位置，常导致场内交通拥堵，致使车位利用率低下。要解决这一矛盾，就需要在现有停车场硬件资源的基础上，加强管理的智能性，帮助车主高效寻找停车位。随着无线传感器网络及物联网技术的出现和大力发展，有效提升了城市停车管理系统的智能性，具有市场需求和技术上的可行性，因此智能化停车是未来城市停车管理系统的主要发展趋势[1-3]。基于无线传感器网络技术建立的停车位监控系统， 可方便车主在入场时了解整个停车场的结构信息及空闲停车位的位置信息，从而提高大型停车场的使用效率。车位实时空闲状态是停车场管理中的重要数据信息，也是智能停车场管理的重要参考依据。通过收集停车场内的车位信息，并在停车场入口处放置液晶显示屏加以显示，可极大地提高车主停车效率。当前停车场主要采用人工观察、地感线圈感应技术、红外线测定技术、视频采集图像识别等技术监测车位是否处于空闲状态。其中，考虑到人工观察效率低下，无法实现智能化管理的缺点，其一般适用于较小的停车场；地感线圈感应和红外线识别技术的缺点在于需要构建工业网络来传输数据， 建设成本高，工程量相对较大[4,5]。而摄像头采集视频图像技术虽能够通过图像处理完成车位的识别，但也需构建有线网络，且常因地下车库光照不好而导致识别效果不理想。由于ZigBee 具有低功耗、低成本、高容量、短时延等特点，可采用传感器节点收集车位状态，因此基于ZigBee 技术构建的无线网络能够很好地解决网络布线问题，方便停车场的智能管理[6,7]。

本文采用ZigBee 无线通信技术设计了一种基于无线传感器网络的智能停车位监控系统。该系统主要包括车位是否占用数据采集模块、ZigBee 组网模块与停车位信息显示模块。其具体功能与要求为：传感器节点通过 ZigBee 无线通信数据处理模块采集数据，由上位机对车位位置信息进行处理，并对停车场内的用户进行定位显示及管理。ZigBee 组网模块能够使用终端在场内定位，当车辆驶入停车场时，工作人员会根据用户车辆的大小和场内停车位情况分配相关停车位并分发定位终端，用户可借此在场内自行定位，并在终端显示模块显示自己所处位置，进而实现高效停车。安装于停车场内的传感器节点可传感光、声音等信息，从而感知是否有车停入相应车位， 并将数据通过无线传感器网络反馈至中央系统，便于停车场自动统计空闲车位的数量和位置。

1 系统设计

本系统是由若干无线传感器节点和一个基站组建成的无线传感器网络，在终端传感器节点上的光线传感器采集环境光照信息并由终端节点通过无线芯片发送至基站，基站将接收的信息及时反馈到计算机终端。将具备采集功能的传感器节点， 布放在停车场车位上，构成传感器网络，可实时感知车位周围环境信息，中继节点对收到的数据信息进行无条件转发，智能停车定位系统设计如图 1 所示。

系统工作的主要流程如下：由布放在停车场的车位传感器节点感知车位周围环境信息，并以一定的频率采集，包括光照、温度等数据。传感器节点打开收发器，向网关节点发送数据，其间可能会经过中继节点。网关将汇聚信息传递给中间件XServe，最后传递给后台系统。根据程序事先设定的阈值，判断停车场的车位情况，并将停车场车位信息反馈给用户。

2 ZigBee组网

2.1 传感器节点

传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元等组成，如图 2 所示。本系统所使用的传感器节点包含多个传感器元件，一个无线射频模块和电池组。通过传感器数据采集板探测车位周围信息，之后由处理器 & 射频平台来存储和处理自身采集的数据以及其它节点发来的数据，将采集到的光照、温度等信息转换为数字信号，并与其它传感器节点通信。最后这些数据通过Mesh 网络传输到基站。

图 2 数据采集板和处理器 & 射频平台

2.2 基站

基站由一个网关和一个Mote 组成，如图 3 所示。基站的主要功能在于汇集无线传感器网络所采集的数据并上传给上层处理设备如计算机、手机或其他通讯平台。

图 3 基 站

基站中的网关作为连接无线传感器网络与其他系统的桥梁，是连接无线传感器网络、企业信息与管理系统的中间件。

2.3 网络结构

打开基站的电源，将基站与局域网相连，在监控区域部署好各传感器节点后，根据传感器硬件设计的ZigBee 结构特点自行组建Mesh 网络。图 4 所示为网络中各节点的相互通信模式。

该网络支持可靠的点对点传输，可保证传感器节点间的相 互通信和数据信息以一定频率稳定地传送至基站，同时还支 持多跳式通信，在扩大监控范围的同时有效解决了由于停车 环境中电子器材过多而造成单个节点传输距离减小的弊端。该 网络功率消耗较低，降低了更换频率，相对延长了电池寿命， 使得网络的生命周期得以加长，节省了人力及物力成本。网络 应该采用对等的、动态的拓扑结构。每个节点在网络中的地位 相等，即使部分节点失效，也不会影响整个网络的可靠运行。 同时网络还具有自组织功能，可及时方便地添加或减少节点。

3 停车位信息显示

国内外相关人士在科学研究和工程技术等领域应用 LabVIEW 开发了大量出色的测控系统。LabVIEW 是目前应用 最广、发展最快、功能最强的图形化软件并发集成环境。本系 统选用美国国家仪器公司设计的 LabVIEW 作为开发工具。

利用 LabVIEW 开发的停车位监控系统软件程序框图如 图 5 所示。可根据实际情况自行设定停车场总车位数量，系统 根据目前的实时情况统计出当前的总车位以及空车位数，并根 据实际变化实时显示。

运行停车位监控系统，系统会自动接收服务端信息，并将其图形化后显示在界面上。停车位监控系统界面如图6 所示。当有车辆驶入，面板1 号区相应的LED 灯会显示，可快速判断车辆驶入哪个车位。若灯变为红色，则表示有车停入，绿色则表示该车位空闲。同时该系统也包含统计功能，能够显示目前总停车数和空余车位数，如面板 2 号区所示。面板 3 号区用以实时监控某个车位。

4 结 语

本文采用 ZigBee 无线通信技术设计了一种基于无线传感 器网络的智能停车位监控系统，大大改善了停车场的车位使用 效率，方便用户快速找到车位，使得停车场的管理更加智能化、 便捷化。实际应用表明，本文的工作为具体应用提供了很好的 借鉴，具有较高的产业化价值。