一种基于无线通信的停车诱导系统通信方法

一种基于无线通信的停车诱导系统通信方法1 引言随着城市化进程和城市车辆的迅速增加,各种室内外停车场得到迅速发展,能够提高停车效率和停车场管理水平的停车诱导系统应运而生。然而目前绝大多数停车诱导系统采用有线通信方式, 对现场要求高, 布线复杂, 成本高等问题极大限制了诱导系统的应用, 尤其难以适应室停车场的要求。针对这些应用中的实际问题,本文结合ZigBee 无线传感网络和GPRS 通信技术给出了一种停车诱导系统的无线通信方法,尤其适用于室外停车诱导系统。2 无线传感网络与GPRS 原理2.1 ZigBee无线传感网络ZigBee 技术是一种短距离、大容量无线网络技术,主要用于近距离无线连接,以多跳接力的方式实现无线通信。ZigBee 技术建立在IEEE802.15.4 标准之上,支持点对点、星型、链状、树状以及网状等多种拓扑方式, 它使用2 . 4 G H z 全球免费无线频段( 2 . 4 0 5 2 .480GHz传输速率约为250Kbps,传输距离约为100-2000 米。低功耗、短时延、大容量、自组网等特点使得ZigBee 技术非常适合应用于监控领域。2.2 GPRS 无线通信GPRS 是通用分组无线服务(General Packet RadioService)的缩写,是一种基于GSM 系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP 连接。GPRS 具有传输速率高、登陆快捷、永远在线、按流量计费等特点,完全符合远程监控系统的要求。3 系统方案设计3.1 诱导系统通信结构设计智能停车场诱导系统由无线车位检测模块、无线区域接收装置、远程控制服务器、LED 诱导屏等几部分组成。车位检测模块实时采集车位状态信息,并将该信息发送给无线区域接收装置; 无线区域接收装置收集管辖区域内的车位信息,整合处理后传输给远程控制服务器;服务器接收车位信息并将处理后的信息发送给各LED 诱导屏,由LED 屏显示空车位,从而引导车辆进入空位。同时服务器计算机将数据存放到数据库中, 用户通过车位诱导系统软件即可查询停车场的实时车位信息及各种统计数据。系统结构图如下图所示。图1如图1 所示,无线车位检测模块、无线中继装置和区域接收装置组成ZigBee 无线传感网络,实现车位信息的采集。一个完整的ZigBee 无线网络由唯一的网络协调节器节点、若干个路由节点和终端节点组成,本系统中区域接收装置作为网络协调器节点,检测装置作为终端节点, 中继节点作为路由节点, 网络拓扑选择树型结构。车位检测装置将采集到的车位信息通过无线传感网络发送到区域接收装置。GPRS 通信存在于远程控制服务器与无线区域接收装置以及LED 车位诱导屏之间。无线区域接收装置通过GPRS 将本区域内车位信息传送到远程控制服务器,远程控制服务器处的GPRS 模块接收车位信息后通过串口传输给服务器计算机,服务器将车位信息进行处理和存储, 通过上位机软件进行显示。同时, 服务器计算机通过GPRS 将空位信息发送到LED 诱导屏进行诱导显示。此外, 系统能够与其他系统实现对接, 比如停车场入口门禁系统也可以通过GPRS 与远程控制服务器通信, 当有车辆需要进入停车场时, 如果停车场内存在空位,门禁打开允许车辆进入;当停车场内没有空位时,门禁系统不再打开, 拒绝车辆进入。3.2 系统硬件设计车位检测装置由检测电路,MCU,无线射频模块和电源模块组成,电源模块采用电池供电;区域接收装置由MCU,无线射频模块,GPRS 模块和电源模块组成;远程控制服务器由服务器计算机和GPRS 模块组成。各组部件组成框图如图2 所示:图23.2.1 ZigBee无线模块ZigBee 模块采用英国JENNIC 公司的JN51XX模块。JN51XX 系列模块是JENNIC 公司推出的高性能、低功耗的无线SoC 模块,该系列模块具有高性能CPU、超低功耗、大容量存储、优异的无线RF 性能等特点,同时包含了丰富的外围器件接口。该模块兼容IEEE802.15.4、ZigBeePRO、JenNet 等多种网络协议栈,支持点对点、星型、树型、网状等多种拓扑方式5。同时, 模块提供睡眠(Sleep)和休眠(Doze)两种低功耗模式, 休眠电流仅2 . 6 u A , 满足本系统的低功耗要求。3.2.2 GPRS 模块GPRS 通信模块主要用于实现区域接收装置与远程监控中心之间的无线通信。本系统采用飞凌公司的TE-GPRS 模块,该模块搭载华为GTM900-C 两频段GSM/GPRS 无线模块, 具备5 线串口, 支持数据传输和语音通话。华为GTM900-C 无线模块支持标准的AT 命令及增强的AT 命令,是高速数据传输的理想解决方案。通过RS-232 串口向GPRS 模块发送AT 命令, 轻松实现模块设定、系统连接、数据输入/ 输出等功能。3.3 系统软件设计系统软件分为下位机软件和上位机软件, 下位机软件主要是无线传感网络部分, 实现车位信息的采集和传输;上位机软件安装在远程监控服务器上,远程接收处理各区域接收装置的信息, 实现停车诱导系统的显示和诱导功能。3.3.1 下位机软件下位机软件主要包括两部分,一是无线区域接收装置组网,监听,接收车位信息、与GPRS 模块的数据通信等功能的实现;二是无线车位检测模块入网、采集、发送数据等功能的实现。下位机软件采用Eclipse 平台进行开发。无线区域接收装置作为ZigBee 网络的网络协调器, 负责网络的组建, 监听, G P R S 数据传输等内容。接收装置上电后, 首先进行系统初始化, 包含网络配置、ZigBee 协议栈的初始化、与GPRS 模块建立连接; 随后开启网络, 等待车位检测模块的入网请求, 当有连接请求时, 为新入节点分配短地址, 建立连接; 接收到车位信息后将该信息通过GPRS 模块发送到远程监控服务器。车位检测装置作为无线传感网络的终端节点, 实现入网, 发送车位信息, 低功耗等功能。首先, 车位检测模块上电后, 首先进行模块自身初始化, 随后进行扫描, 寻找网络: 当找到同一区域的协调节点或已存在的父节点后, 申请入网成功后即可向区域接收装置发送本车位数据信息。为了实现低功耗, 车位检测装置采用定时睡眠模式, 定时唤醒时采集数据进行发送, 随后进入睡眠模式。(a) 无线区域接收装置流程图(b) 无线检测装置流程图图3 软件流程图3.3.2 无线通信数据结构车位检测装置每次休眠醒来后采集车位信息发送给区域接收装置, 数据结构如下: 表1 车位检测模块与区域接收装置通信数据格式泊位状态分为五种: 1 - 有车, 2 - 无车, 3 - 电量低,4 - 掉线, 5 - 未知设备故障区域接收装置接收车位检测信息后进行判断,当车位状态改变后,发送信息给远程控制服务器,数据结构如下:表2 区域接收装置与远程控制器通信数据格式3.3.3 上位机软件上位机软件安装在远程监控服务器计算机上,利用SQL2005 数据库与VC+ 6.0 进行开发, 采用模块化结构设计, 分为显示模块, 数据库模块, 通信模块三个部分。通信模块通过R S 2 3 2 串口接收GPRS 传过来的泊位数据信息 6 , 存储到数据库并将空位信息通过GPRS 发送到LED 诱导屏上; 数据库模块存储所有泊位数据信息, 为显示模块提供查询服务; 显示模块从数据库中提取数据, 进行显示。软件界面如下图所示:图4 上位机软件界面4 系统关键技术4.1 无线传感网络关键机制ZigBee 组网机制:组建一个完整的ZigBee 网络包括两个过程,网络初始化和节点加入网络。网络初始化由全网唯一的网络协调器完成, 网络协调器开启后, 首先进行信道扫描, 选择一个最好的、相对安静的信道, 随后协调器为网络选定一个本信道中唯一的网络标识符(PAN ID),完成以上步骤后,即可允许节点加入网络;节点加入网络可以通过两种方式,通过与网络协调器连接入网或者通过已有父节点入网。待加入的节点首先扫描周围网络, 寻找网络协调器或已经入网的父节点, 随后向其发送请求信息, 如果发出的请求被批准, 那么网络会分配一个16 位网络短地址给它,此时入网成功,可以利用此短地址进行数据收发。网络自修复机制: 自修复机制主要通过节点掉线检测和重新申请入网实现。父节点通过ping 机制和子节点最大活跃时间来判断子节点是否掉线, 在最大活跃时间段内如果子结点不向父节点发送数据并且子结点没有向父节点ping 的话,父节点即判断子结点掉线, 将其信息从本节点处删除并且报告给网络协调器, 将其信息从本网络中删除。子节点自身通过设置最大连续丢包数和最大ping 失败数来判断自己是否被父节点抛弃, 如果子节点的连续丢包数超过设置值并且连续ping 失败超过设置值即判断自己掉线,重新申请加入网络。数据可靠传输机制: 为了增强无线通信的抗干扰性,确保数据的可靠传输,采用QPSK 编码调制、发前监听、接收校验确认和重发机制。QPSK 调制技术具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性;当有数据需要发送时, 设备首先监听当前信道是否被占用, 当信道占用时,进行一个随机短时间退避后再进行发送;接收方接收数据后首先进行校验,校验通过正确接收到数据后发送确认信息给发送方;如果发送方在规定时间内没有收到确认信息则进行自动重发, 最多发送四次, 如果四次均失败则判断发送失败, 放弃此次传输。4.2 无线传感网络拓扑分布ZigBee 无线传感网络支持星型、树型、网格型拓扑结构, 本系统采用树型结构, 无线区域接收装置作为网络协调器, 考虑到无线车位检测装置的低功耗要求,车位检测装置只作为终端设备, 不具有路由功能, 增加若干个中继模块作为路由结点, 以增加网络覆盖范围。在实际布点时,避免长距离链式分布,避免直接遮挡,尽量以无线区域接收装置为圆心进行节点分布,在适当的位置布放中继节点。典型的网络拓扑分布如下图所示:其次, 节点数目的配置也有一定要求, 网络协调器和路由节点的直接子节点数量最多1 6 个, 为了维护网络的健壮性, 应避免单个父节点负担过重, 避免满额配置。图5 典型网络拓扑分布4.3 GPRS 通信GPRS 数据传输分两步实现:拨号上网和Socket 网络通信,均通过AT 指令实现。首先登陆GPRS,通过回令判断登陆是否成功;登陆成功后加载TCP 协议建立连接3,连接成功后即可进行数据收发。为了确保通信正常连接,引入心跳包机制和重连机制。由于只有当车位信息有变化时才向GPRS 发数据,可能较长一段时间没有数据,为了防止GPRS 掉线,引入心跳包,