（控制理论与控制工程专业论文）基于gsm无线网络的车位管理系统设计.pdf

摘要 随着现代化进程的不断加快，城市私家车拥有量飞速增长，给城市交通带来 巨大压力的同时，造成了行车难，停车更难的问题。由于城市容量有限，不可能 建造大量停车场，如何有效利用现有停车位资源成为了解决停车难问题的重要突 破口。本文就是基于这样的背景，进行了基于g s m 无线网络的车位管理系统设 计的研究。 本文在介绍各种常见的停车场解决方案和比较各类无线网络技术的基础上， 阐述了g s m 无线网络的优势和特点，具体分析了g s m 系统的组成结构和承担 的主要业务，并解决了微控制器选择问题。 论文重点讨论了基于g s m 无线网络的车位管理系统的具体功能，提出了包 含用户层、通信层和管理层在内的三层系统结构；完成了电机的选择与机械结构 的设计；重点阐述了硬件系统的实现方法，对其中的p s o c 控制器模块、无线收 发模块、u a r t 模块、电机驱动模块、电源模块和g s m 收发模块进行了具体设 计；在详细分析p s o c 开发环境的基础上，提出了软件系统的总体方案，实现了 车位器节点、通信控制器节点、g s m 无线网络以及管理层的软件设计。最后， 对本文研究内容进行了总结，并指出了进一步研究方向。 关键词：车位器，通信控制器，无线网络，g s m ，p s o c n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i z a t i o n , t h en u m b e ro fp r i v a t ec a l i n c r e a s e r a p i d l yi nc i t y , w h i c hi sc r e a t i n ge n o r m o u sp r e s s u r eo nu r b a nt r a n s p o r t ，a n dc a u s i n g w a f f l ed i f f i c u l t i e sa n dp a r k i n gp r o b l e m a st h ec a p a c i t yo ft h ec i t yi sl i m i t e d i ti s i m p o s s i b l et ob u i l dal a r g en u m b e ro fc a rp a r k s h o wt ou s eo fp a r k i n gr e s o u r c e s e x i s t e de f f e c t i v e l yh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tb r e a k t h r o u g ht os o l v et h ep a r k i n g p r o b l e m t 1 1 i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t st h ed e s i g no fp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o nt h eg s mw i r e l e s sn e t w o r ku n d e rt h ea b o v eb a c k g r o u n d t m sp a p e ri n t r o d u c e st h ev a r i o u st y p e so fp a r k i n gs o l u t i o n s c o m p a r e sd i f f e r e n t w i r e l e s sn e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e s d e s c r i b e st h ea d v a n t a g e sa n dt h ef e a t u r e so fg s m w i r e l e s sn e t w o r k s ，a n a l y s i st h es t r u c t u r ea n dt h em a i nt a s ko ft h eg s ms y s t e mi n d e t a i l ，a n dm a k e st h ec h o i c eo ft h em i c r oc o n t r o l l e r t m sp a d e rf o c u s e so ns p e c i f i cf u n c t i o n so fp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o ng s mw i r e l e s sn e t w o r k s p r e s e n t st h r e e t i e rs y s t e ma r c h i t e c t u r ew h i c hc o n t a i n st l l e u s e rl a y e r , c o m m u n i c a t i o nl a y e ra n dm a n a g e m e n tl a y e r ；a l s oc o m p l e t e st h es e l e c t i o n o fm o t o ra n dt h ed e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ；a n dt h e ni m p l e m e n t st h eh a r d w a r e s y s t e m ，a n dc o m p l e t e st h es p e c i f i cd e s i g no ft h es y s t e mp s o cc o n t r o l l e rm o d u l e ， w i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l e ，u a r tm o d u l e s m o t o rd r i v em o d u l e s p o w e rm o d u l e s a n dg s mt r a n s c e i v e rm o d u l e s ；a f t e rt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ep s o cd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e rp r o p o s e sag e n e r a ls c h e m eo ft h es o f t w a r es y s t e m ，a c h i e v e s t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ep a r k i n gn o d e ，c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e rn o d e ，g s m w i r e l e s sn e t w o r k sa n dt h em a n a g e m e n tl a y e r f i n a l l y , t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e s u m m a r i z e da n dt h a tf u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n sa l ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：p a r k i n gd e v i c e ，c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r , w i r e l e s sn e t w o r k , g s m ， p s o c i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：旒弗 签字日期： 厶知年3 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：旒帛 签字日期：如加年3 月8e t ：斌伊 签字日期：矽，d 年弓月易日 致谢 值此论文完成之际，谨向所有关心和支持我的老师、同学、家人及朋友致以 最诚挚的谢意! 首先感谢我的导师姚维副教授，在攻读硕士学位的两年半时间里，在生活上 给予了我无私的帮助，在学业上给予了很大的支持，科研上给予了悉心的指导。 导师渊博的知识、严谨的治学态度、真诚乐观的生活态度和和蔼可亲的性格使我 深受感染并受益匪浅。 感谢已毕业的薛晓军师兄，他乐观的态度以及刻苦专研的精神，给予我莫大 的鼓励。 感谢师弟张国柱，他务实的态度与勤恳的工作学 - 3 风格是我学 - - j 的榜样。感 谢师弟包演生，王立火和胡克维，他们积极的生活态度与踏实的科研精神，在给 实验室生活带来欢声笑语的同时也塑造了浓厚的学 - - j 氛围，与此同时，感谢他们 在平时科研及论文撰写过程中给予我的各方面的帮助与支持。 最后感谢父母二十多年来对我的关心、教育与培养，对于他们的感激无语言 表，只能祝福他们能够身体健康，幸福永远! 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 绪论 本章主要概述了城市交通中存在的“停车难”问题，分析了各种常用的停车场 解决方案，并比较了各种无线网络技术，提出了基于g s m v - 无；线网络的停车位管 理系统解决方案。 1 1 研究背景 随着我国大中城市经济的飞速发展，现代化进程的不断加快，以及汽车生产 成本的下降，尤其是小型汽车的价格下降，外加个人购车消费水平的提高，导致 近几年来，城市私人汽车数量飞速增长，给整个城市交通运输，尤其是城市停车 问题带来了具大的压力。 i ) j 2 0 0 9 年的杭州市为例，由于私人汽车消费的猛增，致使停车难的问题日益 尖锐。据统计，杭州主城区新建道路面积每年同比增长7 至8 ，而私家车同比 增幅超过3 0 。杭州市区目前机动车保有量已达5 2 2 万辆，仅2 0 0 9 年的前1 0 个月 就新增了8 9 7 ) - 辆，到2 0 0 9 年底将再新增1 0 万辆，而市区当年计划新增8 0 0 0 多个 停车位，尚有1 3 0 0 多个没有落实。与此同时，主城区可增加的停车泊位数仅为3 万至4 万个，停车泊位资源e l 趋短缺，n 2 0 1 0 年停车难矛盾将达到高峰。所以， 如何利用有限的城市土地资源来支撑日益扩大的停车需求，促进城市的可持续发 展，已经成为市级有关部门亟需解决的非常现实而又紧迫的课题。 同时，由于现有停车场的建造没有统一的标准，不同区域的停车位布局及构 造各不相同，例如，一般的小区和商用写字楼的停车场就有很大差别。停车场分 布在市区各个区域或路段，容易造成司机找不到停车点或根本不知道哪个地点可 以停车。此外还需考虑到停车位的所有权、私用和公用问题，例如，某些小区或 者写字楼的停车位只供小区居民或者该写字楼单位的职员停放车辆所用，外来车 辆无使用权等等。而且还需考虑停车位的停车费用问题，某些地段高昂的停车费 用使不少车主望而却步。种种因素都将造成现有停车位的闲置浪费，从而加剧整 个市区的停车难问题。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 为了解决日益加剧的“停车难”问题，杭州市的有关部门于11 月份发放了杭 州“停车难”问题民意调查问卷，希望通过问计于民，寻求解决之道。基于实际 存在的问题及各种原因的分析，广大杭州市民群策群力，提出了多种解决方案， 如加强停车场规划及停车场法规与管理，发展停车产业，调整交通结构及停车策 略等。 1 2 停车位解决方案简介 1 2 1 基于压力传感器的解决方案 压力传感器作为工业实践中最为常用的一种传感器，被广泛的应用于各种工 业自控环境，例如铁路交通、航空航天、水利水电、生产自控等。一般用于停车 场的压力传感器大多采用了双传感器的结构，主要根据压力传感器检测到的车轴 距和车轴数来判别车辆的停放与否或者属于何种车型。 具体来说，停车场应用的压力传感器，都是按一定的分布方式铺设于地表， 但传感器的上表面要稍高于地面。举例来说，可以把单个压力传感器按一定的间 隔线阵式排列，进而形成压力传感器组合体，每当轮胎经过时，会压在传感器组 合体的表面，这时传感器将接受到的压力信号转换成相应的脉冲感应信号，再传 送给上层控制器。当然，各个传感器的信号应当保持独立。由于轮胎之间存在间 隔，肯定存在部分的传感器没有被压到，通过对感受到压力的传感器与未感受到 压力的传感器进行分组，即可通过相应的参数与数据的简单计算，辨别出车轮数 与车型等等。 该种应用主要用于一些收费停车场，但压力传感器能采集的参数有限，精度 不高，而且需要在整个停车场地表铺设传感器。不过由于设计简单，成本低廉， 有比较广泛的应用。 1 2 2 基于r f i d 和摄像控制的解决方案 r f i d 和摄像控制相结合的管理方式主要应用于一些智能小区停车场或者某 些全自动管理的停车库。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 r f i d ，即射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自 动识别目标对象并且获取相关数据。一般来说，r f i d 系统主要由r f i d 标签、读 写器、天线，r f i d 控制器等组成，且利用了r f 信号将信息由r f i d 标签传送到r f i d 读写器，通常将r f i d 读写器与上层的计算机管理系统相连接，完成对数字信息 或者控制信号的相关处理。整个射频识别系统的处理过程中无须人工干预，可工 作于各种恶劣环境。完整的系统组成如图1 1 所示。一般应用在停车场的多为基 于r f i d 技术的读卡系统，并且结合了智能卡出入控制车辆出入，同时设置发卡 器用于临时车辆取卡。 夭夭 一 r f i d b 暴签模块 r f i d i 读写嚣 图1 1r f i d 识别系统组成原理图 摄像控制系统主要采用了c c d 摄像头，对进出车辆实时监控。一般来说，当 进出车辆在出入口完成了读卡操作，r f i d 读卡系统捕获到的信息传送到上层计 算机系统，同时设置在出入口的摄像系统会对车辆进行进行实时拍摄。也可利用 光学字符识别技术( o c r ) 或者模式识别技术，对车辆信息进行记录或者比对。 基于r f i d 和摄像控制的停车解决方案功能完备，实时性高且整个过程无需 人为参与，但由于造价成本较高，一般也只应用于一些大型的收费停车场。 1 2 2 基于车位控制器的解决方案 现今应用于停车场的车位控制器分为两种，手动车位器与自动车位器。简单 来说，手动车位器需要人为的控制车位器的开闭，而自动车位器只需发送一个控 制信号即可完成车位器控制。由于两者造价成本接近，现在自动车位器已在逐渐 取代手动车位器。 以本文所设计的遥控车位器为例，整个系统包含了电气和机械两部分。其中， 电气部分主要包括了微控制器、电源、控制电机和遥控模块等，负责车位器的升 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 降或开闭控制。机械部分包括弹簧、机械离合开关和金属固定部分等。一般用于 室内或地下停车场的车位器采用蓄电池供电，用于室外的车位器也可选择采用太 阳能供电。 由于车位器控制简单，成本较低，既能适用于收费场合，也可在免费或临时 停车场推广使用。所以现在一般应用于居民小区或者规模不是很大的停车场。 1 3 无线网络技术的发展现状 无线网络技术已经发展了很多年，现在已被广泛地应用于各个领域，以使用 最为广泛的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 为例说明，它是一种由传 感器节点构成的面向任务的分布式网络，综合了传感器技术、嵌入式计算、无线 通信和分布式信息处理等多个领域技术。各个传感器节点通过对信息目标的实时 监测，且由嵌入式微处理器对监测得到的信息进行加工处理，然后通过无线通信网 络将处理后的信息传送至远程或者最终用户。 无线传感器网络所利用的传输媒体有空气、红外、激光、超声波等，而且随 着无线通信技术不断发展，各种新型的无线技术层出不穷。现今常用的无线通信 技术有：8 0 2 1 l b 、z i g b e e 、b l u e t o o t h 、u w b 、r f i d 、i r d a 等。当前在无线传感 器网络中应用最多的是z i g b e e 、b l u e t o o t h 和普通射频芯片，一些常用的无线传感 器网络特性比较如表1 1 所示。 表1 1 常用的无线传感器网络 注：婊示数字l 一9 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 具体来说，z i g b e e 是一种高可靠的无线数传输网络，类似于c d m a 和g s m 网络。它是一种低功耗、低速率、近距离、短延时、高安全和低成本的双向无线 通信技术，完整的协议栈只有3 2k b ，可以嵌入到各种常用设备中，通讯距离从 标准的7 5 m 到几百米、几公里。 牙( b l u e t o o t h ) 是一种短距离无线电技术，是无 线数据和语音传输的开放式标准，它可以将各种通信设备、计算机、数字数据系 统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频 和短包技术，支持点对点及点对多点通信，传输距离为1 0 c m 1 0 m 。但相比z i g b e e 来说，蓝牙技术显得过于复杂，传输距离也不及z i g b e e 远。普通的射频芯片也由 于其低功耗低成本，应用仍旧相当广泛。 g s m 系统虽然是一种数字移动通信系统，但从其传输数据的方式及传输特 征来看，属于无线网络技术的进一步发展。而且g s m 是一种典型的开放式结构， 是一种面向未来的通信系统，可以依照用户的需要为用户提供各种形式的通信。 g s m 系统所提供的基本业务可以分为承载业务和电信业务。承载业务提供接入 点之间的传输信号的能力。电信业务主要包括话音业务、数据业务及短消息业务 等。g s m 系统采用了f d m a t d m a 的复用方式，频率利用率比较高，同时它具 有灵活方便的组网结构，可满足用户的不同容量需求。且具有较强的鉴权和加密 功能，能确保用户和网络的安全需求，而且系统抗干扰能力较强，通信质量高。 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) l 均简称，是一种以g s m 为基础的数据传输技术，可以说是g s m 技术的延续，但是它又突破了g s m 网络 只能提供电路交换的方式，因此在网络资源的利用率上有了很大的提高而且传输 速率可以提升至5 6 到1 1 4 k b p s 。相比较于g s m 来说，g p r s 拥有1 7 1 2 k b p s 的访问 速度，而g s m 仅拥有9 6 k b p s 的访问速度；在连接建立时间方面，g s m 建立连接 一般需要1 0 3 0 秒，而g p r s 只需要极短的时间就可建立连接并访问到相关请求； 对于费用来说，g s m 一般是按照连接时间来计费的，而g p r s 是按数据流量来计 费的；g p r s 还可以大幅度提高网络资源的利用率。 无线网络技术发展到今天，其应用范围也已由原先的军用转向民用，现在 更被广泛的应用于各种手持设备、智能家居，远程监控、医疗护理、森林火灾、 交通运输等领域，因此有着广阔的应用前景和发展潜力，更被商业周刊预测 为未来的四大新技术之一。作为一个新兴前沿的技术，新的理论与技术突破也不 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 断推动着它的继续发展，相信不久的将来，其应用可以涉及到人类日常生活和社 会生产活动的所有领域。 1 4 本文的主要内容和结构安排 本文主要研究了如何利用基于g s m 的无线网络构建区域停车场管理系统，给 出了详细的硬件和软件设计方案。 全文共五章，主要结构安排如下： 第一章主要概述了城市交通中存在的“停车难”问题，分析了各种常用的停车 场解决方案，并比较了各种无线网络技术，提出了基于g s m 的停车位管理系统 解决方案。 第二章主要分析了基于g s m 无线网络技术的车位管理系统的功能与结构设 计，阐述了微控制器的选择问题，并详细论述了为什么选择g s m 技术，且简要 介绍了g s m 的主要业务与结构组成。 第三章主要概述了车位管理系统总体硬件设计原理，设计实现了系统各个模 块的功能。大体介绍了车位器实物及硬件电路总体设计，具体分析了p s o c 控制 器模块、无线收发模块、u a r t 模块、电机驱动模块、电源模块和g s m 收发模 块等具体模块的组成与功能设计。 第四章主要概述了车位管理系统总体软件设计原理，简要介绍了p s o c 系统 的开发环境，实现了车位器节点、通信控制器节点及g s m 网络的软件设计，最 后完成了管理层的软件设计。 第五章总结了全文的工作，提出了需要改进的地方并加以展望。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章车位系统总体方案设计与规划 2 车位系统总体方案设计 本章主要分析了基于g s m 无线网络的车位管理系统的功能与结构设计，阐 述了微控制器的选择问题，并详细论述了为什么选择g s m 技术，且简要介绍了 g s m 的主要业务与结构组成。 2 1 系统功能概述 本课题研究的基于无线网络技术的车位管理系统主要是为了实现区域停车 场资源的最有效及最大化利用。该系统的基本功能如下： ( 1 ) 车主可以利用本系统所设计的遥控车位器进行自动停车。首先需在停 车场入口处领取车位遥控器，然后到指定的停车点停车。通过遥控器上的按钮控 制，可以实现对相应停车位上车位锁的开闭控制。一开始车位锁处于关闭状态时， 车主要停车入位需先使用遥控器将将车位锁打开，然后驶车进入停车位，至此整 个停车过程结束。当车主需要将车辆驶离时，只需将车辆驶离停车位，然后使用 遥控器关闭停车位，最后在入口处交还遥控器即完成整个驶离操作。如果车位使 用权是车主所有，遥控器可由车主自行保管。 ( 2 ) 该系统可以对区域停车场内的停车信息进行实时的收集、统计与分析， 从而得出现有停车泊位资源的分布与利用状况。当有车主需要在该区域停车时， 可以通过手机、上网或者电话的方式查询该区域内停车位相关信息或者预定相应 停车位。当有车辆停入或者驶出时，相关的停车信息也会及时传送到上层管理系 统，相关信息会在数据库中得到及时的更新。 ( 3 ) 该系统具有很强的扩展性。采用了基于远距离的无线传感网络后，可 以将多个相隔区域的停车场信息做统一汇总与处理，达到可以调配几个街道或者 小区停车场资源的效果。同时，最后完成的上位机管理系统是基于w e b 页面方 式的，采用i n t e r n e t 传输方式很容易将整个系统合并到采用其它停车场方案的管 理系统中，从而使实现整个城市或城区的停车场车位管理方案成为可能。 浙江大学硕士学位论文 第二章车位系统总体方案设计与规划 2 2 系统结构设计 整个系统分为三层，最下面一层是用户层，主要是由众多车位器节点组成， 每个车位器节点相互独立，互不干扰，且设置有各自独立的d 号。它们通过 r s 4 8 5 总线连接到一个通信控制器节点，该控制器节点对车位器节点的信息进行 汇总并传送至更上一层。中间层为通信层，主要采用了g s m 无线网络，网络两 端各设置了g s m 收发器。连接在通信控制器一端的g s m 收发器主要负责发送 消息到管理层，即发送经控制器节点汇合的用户层车位器节点信息到管理层，而 连接在管理层上的g s m 收发器就恰好实现了接收来自用户层的信息并传送至上 层的功能。系统最上层为管理层，通过接收通信层传送来的消息实现对底层车位 信息的收集、处理与更新，实现对整个车位管理系统的控制与管理。其中用户层 及管理层都通过r s 2 3 2 总线与通信层的g s m 收发器节点相连，并通过该总线交 换信息，且可以实现双向通信。系统整体结构图如图2 1 所示。 g 跚收 管理层 ( 一般位于机房或控制中心) 通信层 ( 通过g s m 无线网络传输数据) 用户层 ( 一般位于小区或者地下车库) 夕夕夕夕。单嚣怒器， 2 3 微控制器的选择 图2 1 系统整体结构图 单片机经历了几十年的高速发展，至今为止，世界上已有三四十家供应商 提供了约2 0 种不同的m c u 架构和上万种不同型号的微控制器，比较常见的如 浙江大学硕士学位论文 第二章车位系统总体方案设计与规划 i n t e l 的m c s 5 1 ，m o t o r o l a 的6 8 h c 0 5 等等。但由于每种微控制器都有自己的特 点，设计人员每次都需在选择单片机型号上花费大量时间。而且设计需求千变万 化，每次都需在控制器周边添加各种各样的元器件配置外围电路。 为了减小产品体积和成本，降低系统设计周期，同时又可完成一系列功能 的个性化定制，c y p r e s s 半导体公司于2 0 0 3 年推出了p s o c 器件。p s o c 器件是 一种可编程片上系统的微控制器，它将一个8 位微控制器与可编程的模拟阵列和 数字阵列集成到了一个芯片上，也被称作可配置型混合信号阵列。与一般单片机 不同的是，它既具有8 位微控制器的处理能力，又具有组成多种可编程模拟或数 字用户模块的能力，但是它又不需要外部电路，采用一片p o s c 芯片就可以实现 一个电子系统。如图x x 所示，虚线框内的为传统的通用微处理器所具备的功能， 实线框中的为p s o c 微控制器具有的功能。从中可以看出，p s o c 具备了可编程 的数字和模拟模块的功能。p s o c 除了上述资源外，相比传统的微控制器而言， 还集成了更多的内部资源，例如低电压监测电路( l v d ) 、开关式升压泵( s m p ) 、 内部参考电压等。而且，p s o c 还具有片内片外两种系统时钟源，不需要外部晶 振就可自行工作。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。 模拟j _ 伺暖_ l 模报 | 输出l 1 j 输入 - 广 i 伺服 梏t 墨r 一：酵母：斟j 徽控 v系统 _ 1 制器 r s 船2 印i 开关量：人机l i g g m w , | l 男t l l i i 图2 2p s o c 与传统微控制器比较图 作为一种可编程半导体器件，p s o c 与现场可编程门阵列f p g a 和在系统可 编程模拟器件i s p p a c 相比而言又有属于自身的几个特点： 。 ( 1 ) p s o c 把f p g a 和i s p p a c 的功能融为一体，既具有了f p g a 的可编程 数字阵列，又拥有了i s p p a c 的可编程模拟阵列，具备了处理数字信号和模拟信 浙江大学硕士学位论文 第二章车位系统总体方案设计与规划 号两种信号的功能。同时，p s o c 所具有的a d ，d a 用户模块解决了两个阵列之 间的通信接口问题。 ( 2 ) 与f p g a 相比，p s o c 极大地降低了设计难度，由于f p g a 需要设计实 现一个软核微控制器或微处理器，而p s o c 本身就拥有一个8 位微控制器，这样 就极大地方便了系统设计的实现。 ( 3 ) 与i s p p a c 相同，p s o c 不需要任何编程器就能够在系统运行中编程，以修 改和重构电子系统，因此使用灵活方便。 因此，本课题中的停车位管理系统的硬件模块选用了p s o c 混合信号处理器， 既能节约开发成本，又能提供良好的性能，还可以在不添加其他外围器件的基础 上扩展额外功能。 2 4g s m 系统简介 2 4 1g s m 系统的特点 本课题研究的系统是运行于区域性的停车场，信号传输的距离比较大。目前 应用较为广泛的b l u e t o o m 、z i g b e e 等都属于短距离无线传感器网络系统，无法满 足长距离的停车位信息的收集与处理。而且底层的节点及控制器等多采用8 位微 处理器，但b l u e t o o t l l 的协议栈非常复杂，不便于编程处理。虽然现在很多应用都 开始采z i g b e e 技术，由于z i g b e e 本身所采用的冲突避免算法存在一定的缺陷， 容易受到其它网络的干扰，造成通信质量下降，网络传输性能减弱。所以短距离 无线传感器网络无法满足本系统的运行要求。 基于数字移动通信的无线网络技术g s m ，由于采用了频率复用的方式，使 其容量大增，同一频率可以被相距足够远的几个小区同时使用，整个系统的设备 和网络复杂度大为增加，通信质量和安全性能也大大增加。 g s m 系统的主要特点如下： ( 1 ) g s m 系统有几个子系统组成，各子系统间有明确且详细的接口标准， 可以使不同厂商提供的g s m 设备互连。同时，g s m 与各种公用通信网问也定义 了相应的标准化接口方案，可以很方便地和这些公用通信网互连。 ( 2 ) g s m 系统是一种多业务系统，除了提供话音业务和数据业务这些传统 1 0 浙江大学硕士学位论文第二章车位系统总体方案设计与规划 业务外，还开放了各种承载业务、4 1 、充业务以及和i s d n 相关的各类业务。 ( 3 ) g s m 系统采用了时分多址( t d m a ) 和频分多址( f d m a ) 及跳频的 复用方式，频率复用率高，同时它具有灵活方便的组网结构，可满足不同用户的 需求。 ( 4 ) g s m 系统具有较强的加密及鉴权功能，能确保用户和网络的信息安全 需求。 ( 5 ) g s m 系统具有较强的抗干扰能力，系统通信质量高。 基于以上考虑，本文所设计的系统采用了g s m 网络作为通信传输网络。 2 4 2g s m 系统的主要业务 g s m 支持的业务包含有线i s d n ，现有模拟蜂窝系统和无线寻呼系统提供的 一切服务。g s m 的业务可以分成两种：基本业务和补充业务。基本业务又可进 一步分为电信业务和承载业务两个项目。补充业务是在承载业务和电信业务基础 上获得的。 承载业务保证了用户在两个接入点之间传输有关信号所需要的带宽容量，主 要使用户间能实时可靠地传递信息，且此类业务与o s i 模型的低三层有关。承载 业务定义了对网络功能的需求，使g s m 用户可以发送和接收速率高达9 6 0 0 b s 的 数据。表2 1 列出了g s m 主要的承载业务。 表2 1g s m 主要的承载业务 业务内容 异步数据 3 0 0 9 6 0 0 b s 同步数据 1 2 0 0 - 9 6 0 0 b s p a d 接入3 0 0 9 6 0 0 b s ，分组打包和拆包，为g s m 用户接入分组网 提供一个异步连接，且该业务只能由移动台主叫发起 分组接入2 4 0 0 9 6 0 0 b s ，为g s m 用户接入分组网提供一个同步连 接，且该业务只能由移动台主叫发起 话音数据交替 在呼叫过程中i 提供话音和数据的交替 话音后数据先话音连接，而后进入数据连接 浙江大学硕士学位论文第二章车位系统总体方案设计与规划 电信业务为用户提供了足够的容量，包括了终端设备功能，以及和其他用户 的通信等。它们结合了与信息处理功能相关的传输功能，使用承载业务来传送数 据及提供更高层的功能，这些更高层的功能和o s i 模型的4 到7 层相对应。电信业 务主要包括了话音业务、数据业务、传真业务及短消息业务等。表2 2 列出了g s m 主要的电信业务。 表2 2g s m 主要的电信业务 业 务内容 话音服务全速( 1 3 k b s ) ，半速( 6 5 k b s ) 。这项服务提供 语音信息和语音信号到网络的传输 紧急呼叫典型的是，紧急电话在一些受限的情况下更具优先 权，且一般只提供移动用户主叫发起 短消息服务短字符消息，小于1 6 0 个字符。这项服务用于消息 ( 到移动电话终端，m t p p )处理系统提供短消息给移动用户 短消息服务短字符消息，小于1 6 0 个字符。这项服务用于移动 ( 移动电话发起，m o p p )用户给服务中心提供短消息 短消息传输( 小区广播)短字符消息，小于9 3 个字符。这项服务用于传输对 小区范围内的所有的移动用户。这是一对多的服务 自动传真第三类传真。这项服务自动提供第三类呼叫和被呼 模式传真 补充业务一般不能单独使用，需在联合一项或者多项承载业务中使用，而且 必须和基本电信业务一起提供给用户。g s m 的补充业务共分8 大类，主要有：号 码是被、呼叫服务、呼叫完成、多方通信类、集团类、计费类、附加信息传送类 以及呼叫限制类。 2 4 3g s m 系统的结构 g s m 系统是由一系列完整的功能单元组成的，系统的整体结构如图2 3 所示。 主要i 圭i m s ( 移动台) 、n s s ( 网络子系统) 、b s s ( 基站子系统) 和o s s ( 操作 维护子系统) 等几个主要部分组成。其中，m s ，如用户携带的移动电话，它是 浙江大学硕士学位论文第二章车位系统总体方案设计与规划 g s m 系统中用户直接接触的一类设备；b s s 结合了移动台共同控制无线链路； n s s 主要用于实现移动用户间、固定用户和移动用户间的呼叫转换，完成交换功 能和用户数据与安全性管理、移动性管理等所需的数据库功能；o s s 主要负责了 控制与维护整个系统的实际运行。 f 一一。一 ；撩住支捧系统o s si 图2 3g s m 系统结构图 ( 1 ) 移动台( m s ) 是整个系统中直接由用户使用的设备，可以分为车载 式、便携式和手持式三种。移动台由两个部分组成，即移动终端与用户识别卡， 也就是s i m 卡。移动终端完成话音编码、信息加密、信道编码、信息调制解调与 信息的发送与接收。s i m 卡就像我们现在用的i c 卡一样，其作用类似于“身份证”， 存有与认证用户身份相关的信息，而且执行与信息安全相关的重要操作，以防止 非法用用进入其网络。s i m 卡还存储了和网络与用户相关的管理数据。只有当插 入s i m 卡后，移动终端才能接入网络正常通信。 ( 2 ) 基站子系统( b s s ) 包含了g s m 数字移动通信系统中无线通信部分的 所有基础设施，通过无线接口和移动台直接实现通信连接，同时又为移动台与交 换子系统提供传输通路，所以它在整个移动网络中主要起到中继器的作用。b s s 由两个基本组成部分：通过无线接口与移动台一侧相连的基站收发台( b t s ) 和 与交换机一侧相连的基站控制器( b s c ) 。通常把基站收发台看作传输设备，负 责无线传输；把基站控制器看作管理设备，负责控制和管理。 基站收发台可以看作一个无线调制解调器，负责移动信号的接收和发送处 理。在一般情况下，某个特定区域内，可以把收发台和多个子基站相互组成一个 浙江大学硕士学位论文第二章车位系统总体方案设计与规划 蜂窝状的网络，通过控制收发台和收发台间的信号相互传送与接收，完成移动通 信的传送。基站作为g s m 系统中最基本的网络覆盖单元，主要由控制部分和射 频部分组成，如图2 4 所示。控制部分负责将基站各部分连为一个整体，从而控 制整个基站的工作，同时将从b s c 来的信号转变成适合基站处理的格式并完成相 反转换。射频部分主要负责无线信号的发射与接收、解码与编码。 ( a ) 基站控制部分 【b ) 基站射频鄂分 图2 4 基站控制和射频组成 基站控制器通过基站收发器和移动台的远端命令管理所有无线接1 ：2 ，主要负 责无线信道的分配、释放和越区信道切换的管理等，起着交换设备的作用。b s c 由b t s 的控制部分、交换部分及公共处理部分等组成。一般来说，一# b s c 可以 控制几个到几十个b t s 。 ( 3 ) 网络与交换子系统( n s s ) 具有交换功能和数据库功能，数据库中存 有用户数据和安全性管理、移动性管理所需的数据库功能。它由一系列功能实体 组成，各功能实体之间以及n s s 和b s s 间通过7 号信令互相通信。它的主要作用 是管理g s m 用户与其他网络用户间的通信。n s s 各功能实体介绍如下： 移动业务交换中心( m s c ) ：它是g s m 网络的核心，主要功能是完成基本的 交换功能，实现移动用户与其它网络用户间的通信连接。同时还提供了g s m 网和公共交换电话网p s t n 等其它公用通信网间的接口，具有无线资源管理 和移动性管理等功能。 归属位置寄存器( h l r ) ：它是用于移动用户管理的数据库。从理论上讲， 每个移动网有一个h l r ，h l r 存储的信息分两种，一种是永久性信息，如用 浙江大学硕士学位论文第二章车位系统总体方案设计与规划 户类别，电信业务，承载业务等等；另外一种是关于用户当前位置的临时性 信息，如移动用户漫游号( m s r n ) 等。 访问位置寄存器( v l r ) ：它包含了所有当前在服务m s c d e 移动用户的有关 数据，通常每一个移动交换区有一个v l r 。v l r 是一个动态数据库，需要保 证数据的有效性，因此总是需要与相关的h l r 进行大量的数据交换，而且设 备供应商也总将v l r 与m s c 整合在一起提供。 鉴权中心( a u c ) ：它是认证移动用户身份和产生相应认证参数的功能实体。 它为每一个在相关h l r 登记的移动用户设置一个识别字，该识别字用于产生 鉴别移动用户身份的数据及对移动台和网络之间无线信道加密的另一个密 匙。在物理上，a u c 和h l r 共存。 设备识别寄存器( e i r ) ：它是存储有关移动台设备参数的数据库，可以对 移动台的i m e i 进行核查，以防止非法移动台使用。 新大学硕士学位论土第三章车位管理系统的硬件设计 3 车位管理系统的硬件设计 本章主要概述了车位管理系统总体硬件设计原理，设计实现了系统各个模块 的功能。大体介绍了车位器实物及硬件电路总体设计，具体分析了p s o c 控制器 模块、无线收发模块、u a r t 模块，电机驱动模块、电源模块和g s m 收发模块 等具体模块的组成与功能设计。 3 1 系统硬件总体结构 3 1 1 车位器介绍 车位器如图31 所示，该控制设备位于车位管理系统三层结构中的用户层， 属于车位器节点部分。车位器由机械部分、驱动电机、控制电路，电源等几部分 组成。控制电路是车位控制器的核心，这部分内客将在本章后续小节中作详细的 讨论，通过控制电路可以实现对机械部分，尤其是驱动电机的控制。整个系统由 6 v 蓄电池供电。 囤3 1 车位器实物图 机械部分主要由转动轴，齿轮、变速箱和机械位置开关等组成具体模块分 布如图3 2 所示。 浙江 学碗学位论文第三章车位管g 系统的硬件设计 图3 2 车位墨机械结构图 由上图可以看出，电机左侧连接有变速箱，电机的转动速度通过变速箱的变 速，去驱动转动轴上的齿轮，使齿轮发生齿距啮台从而使转动轴上的弹簧发生扭 转压缩，产生相应的驱动力矩使转动轴发生转动，带动车位臂的上升与下降。机 械位置开关固定在车位器的转轴上，车位器的升降将闭合或断开相应的位置开 关。如果位置开关发生了通断操作，则会通过电机驱动接口为微控制器提供车位 器的上升停止或下降停止的控制信号，微控制器根据收到的控制信号执行相应的 处理程序，并且发出实际的电机停止转动命夸。 当然，整个机械设计还需考虑很多其它囡索，比如怎样安装控制器电路板， 怎样设计蓄电池的安装位置，怎样做好密封工作等等，由于不是本文重点关注细 节，这里不再做详细说明。 驱动电机也是整个车位器设计中极为重要的部分，它主要用来带动机械部分 实现车位器的升降，以达到控制车位锁开胡状态的作用。本文设计的车位器主要 用于小区或者地下停车场，使用蓄电池供电，并采用直流电动机作为驱动电机。 直流电动机是将直流电能转换成机械能而带动生产机械运转的。由于其调速 范围广，起动性能优良，易于控制，可靠性高，因此在电气传动系统中，尤其是 对调速或者起动性能要隶较高的场合应用相当广泛。现在市面上应用的直流电机 浙江大学硕士学位论文第三章车位管理系统的硬件设计 主要有无刷和有刷电机两种。有刷电机大多采用机械换向，对控制系统的技术要 求比较低，成本也不高。无刷电机以电子换向取代机械换向，在技术上要优于有 刷电机，一定电流范围内的效率高于有刷电机，但成本高于有刷电机。考虑到本 系统中的电机应用环境不是很复杂，控制精度要求不是很高，只需完成简单的转 动控制操作即可，从节约成本考虑，最终选用了供电电压为6 v 的有刷直流电机 作为驱动电机。 3 1 2 硬件电路总体设计 本课题的硬件电路组成主要涉及到系统三层结构中的下面两层，即通信层和 用户层。通信层主要是g s m 模块相关的硬件模块设计，用户层包括车位器节点 和通信控制器节点两方面。车位器节点主要包括p s o c 控制器模块、无线收发模 块、电机模块及电源模块等，原理框图如图3 3 所示。 燕旧控制器| 1 一 u a r t ( r s 4 8 5 ) 一+，j c y 8 c 2 9 4 6 6 车位器节点 图3 3 车位器节点原理框图 射频接收器 通信控制器模块与车位器节点的硬件组成类似，主要由p s o c 控制器模块、 电源模块、u a r t 模块等组成，原理框图如图3 4 所示。它通过r s 4 8 5 总线可以 与多个车位器节点相连接，构成主从通信系统，并且通过r s 2 3 2 总线与g s m 收 发器相连接。 r 一一 r e 一一 0懈 锨佣 肺n 二m 砉i i 浙江大学硕士学位论文第三章车位管理系统的硬件设计 3 2p s o c 控制器模块