基于嵌入式的智能停车场远程监控系统*

李正明,汪付川

(江苏大学电气信息工程学院,江苏 镇江 212013)



基于嵌入式的智能停车场远程监控系统*

李正明*,汪付川

(江苏大学电气信息工程学院,江苏 镇江 212013)

摘要:针对现阶段的停车场的管理存在管理复杂、工作效率低等问题,设计了一种基于嵌入式和ZigBee技术的智能停车场远程监控系统,以实现停车场的智能化控制。该系统通过ZigBee传感器网络采集停车场中停车位的信息,利用嵌入式系统和GSM模块进行数据的处理和传输,并通过上位机对整个停车场进行远程监控。介绍了系统的设计方案和工作原理,详细阐述了系统框架,硬件设计和软件设计。通过数据传输性能和整体性能的测试表明,该系统完全达到停车场监控系统的应用要求。

关键词:嵌入式系统;停车场;GSM;ZigBee;无线传感网络;监控

随着社会经济和科学技术的飞速发展,城乡居民的生活水平有了显著的提高,人们对私家车的需求日益增加。汽车在给人们带来方便的同时,由于停车场的监控系统的缺陷而造成许多不便。智能停车场是解决我国许多大中城市停车问题的有效手段。

目前国内外大多停车场监控系统都是基于传统布线的基础上实现停车场的监控,宋飞等人在停车场安全监控系统中提出了多媒体监控[1],但是传统布线繁琐,而王慧等人则利用单片机对停车场远程监控[2],实时性较差。本文智能停车场监控系统采用先进的技术,将嵌入式技术及无线传感技术有机结合起来。针对停车场传统监控方法的不足,提出了基于嵌入式和ZigBee技术的停车场监控系统的设计方案。该系统具有成本低、网络具有自组织性、相应快且实时性好的优点。能够很好满足智能停车场的监控需要,具有一定的先进性和实用性。

1　系统框架描述

系统主要由ZigBee监控终端节点,超声波传感器单元、GSM模块、处理器单元以及上位机构成。首先,通过超声波传感器检测停车位的“占”、“空”状态,利用ZigBee无线传感网络进行数据采集和传输,并将信息传输到ARM处理器,ARM处理器分析并处理该信息,将处理的信息以AT命令的形式发送给GSM模块,GSM模块通过串口与ARM板相连,用户可以通过短信查询到停车场车位信息。在智能停车场内部安装协调器和路由节点,组成一个庞大的ZigBee网络。实时检测停车位的状态,智能停车场监控系统功能包括以下几点:(1)实时监控停车场各个停车位的状态;(2)远程控制停车场灯光;(3)短信查询停车场的剩余空车位和车位信息;④紧急情况发出报警信号。系统各模块连接实物图如图1所示。

图1　系统连接实物图

2　系统硬件设计

系统硬件部分由ARM核心板、超声波传感器、GSM模块和ZigBee模块等组成。系统硬件框图如图2所示。

图2　系统硬件电路框图

2.1超声波传感器单元

国内常用车位检查器的类型主要有磁阻传感器、地传感器、视频车位检测器和超声波传感器等等。但是由于种种原因限制,一些车位检查器的使用受到条件约束[3]。比如磁阻传感器需要在地表以下30 cm左右,挖取路面来埋设,更换传感器较为麻烦。而地传感器相对应其他传感器反应速度较慢。视频车位检测则容易受天气环境影响。超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300 mm～500 mm波长大于5 mm的传感器检测范围可达8 m。影响超声波传感器精度的因素有许多,其中最主要的影响因素是随温度变化的声波速度,因而许多超声波传感器具有温度补偿的特性。该特性能使模拟量输出型的超声波传感器在一个宽温度范围内获得高达0.6 mm的重复精度。

因此,本文选取超声波传感器,这种传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波传感器接收和发射电路原理图如图3、图4所示。

图3　超声波接收电路原理图

图4　超声波发射电路原理图

2.2GSM通信模块

系统采用西门子公司生产的GSM模块TC35i。此模块设计紧凑,集射频和基带于一体,向用户提供标准的AT命令接口。射频就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1 000次的交流电称为低频电流,大于10 000次的称为高频电流,而射频就是这样一种高频电流。TC35i模块就是采用射频传输方式,TC35i与ARM控制器通过UART接口1进行连接。

2.3ZigBee模块

在停车场中,停车位与传感器一般都是一一对应的关系,而一般大型停车场的停车位的数目至少数百。智能停车场控制系统中,安全性以及传输效率都符合要求,采用ZigBee技术可以很好地传输控制信息[4]。

本停车场监控系统是针对五百个左右车位的大型智能停车场所设计的,整个监控系统包括上位机监控中心、超声波传感器、视频监控等硬件设备。上位机监控中心负责管理和协调整个监控系统,集中处理来自停车场内的所有数据,并对各个子操作系统发出操作指令,并且可以提供数据报表。在每个停车位上都安装基于CC2430模块的无线传感器终端设备,每个区构成一个ZigBee无线传感器网络。整个停车场含有一个ZigBee协调器,每个区含有一个ZigBee路由器和多个具有精简功能的无线传感终端设备,ZigBee设备之间都是无线传输,ZigBee协调器与上位机监控中心通过串口进行通信。

3　系统软件设计

系统软件设计部分基于Linux操作系统平台,包括路由器节点软件设计、GSM通信设计、系统移植和驱动设计。

3.1路由器节点软件设计

路由器节点的软件设计主要负责各个停车位上方传感器采集信号,并进一步进行信息融合,将综合后的数据发送给协调器[5]。流程图如图5所示。

图5　路由器节点流程图

3.2GSM通信设计

通过GSM模块,用户可以通过手机短信查询停车场内剩余空车位信息。TC35i短信模块提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范。在TC35i使用之前,需要通过AT指令对其进行配置[6]。发送短信时,先将短信进行编码,然后以PDU数据形式发送;接收短信时,利用AT指令读取数据,接收到的数据以十六进制7b编码形式存储在SIM卡内。GSM短信模块通信流程图如图6所示。

图6　GSM短信模块通信流程图

3.3系统移植与驱动设计

建立嵌入式开发平台,根据自己设计的硬件平台制作U-boot引导程序以及文件系统,使用Linux-2.6.31内核,内核需要移植DM9000,ADC,摄像头等驱动。客户端通过网页远程访问服务器,实现远程监控,这样就需要在服务器端建立一个Web服务器。本系统选择Boa服务器,它是一个单任务的HTTP服务器,支持CGI技术。而智能停车场远程监控系统的关键技术为CGI编程[7]。CGI是“公共网关接口”(Common Gateway Interface)的简称,它是Web服务器和主机应用程序之间进行信息交换的一种接口标准或规范。CGI处理步骤:①通过Internet把用户请求送到服务器;②服务器接收用户请求并交给CGI程序处理;③CGI程序把处理结果传送给服务器;④服务器把结果送回到用户。CGI程序中的标准输出是经过重定向了的。CGI程序并不会在服务器上产生任何的输出内容,而是被重定向到客户浏览器。这样,如果编写一个C的CGI程序的时候,把一个HTML文档输出到它的Std上,这个HTML文档会被在客户端的浏览器中显示出来。这也是CGI程序的一个基本原理[8]。

首先,移植嵌入式Web服务器Boa,同时修改Boa.conf文件指定网页文件和Cgi-bin的路径。将jpeg、SDL库从交叉编译器的lib目录拷贝到根文件系统的/lib目录下,并且运行mjpg-streamer,在串口终端输入命令:#mjpg-streamer-i“/lib/input_uvc.so”-o“/lib/output_http.so-w 192.168.1.10:8080”。其中-i表示输入模块,-o表示输入模块,ARM板的IP地址和服务器端口号是8080。客户端使用这个IP地址和端口号就能登录服务器。

4　测试结果

4.1网络数据传输测试

对协调器与数据集中器的传输两点间的测试,网关通过RS232串行接口连接到数据集中器,由数据采集器转至电脑。本系统采用1个协调器节点,2个路由器节点和4个终端节点进行测试。网络数据传输效率即数据接收端成功接收到来自数据发送端的数据率[10]。测试过程中,分别采用发送周期10 ms、20 ms、30 ms、40 ms和50 ms进行测试,可以知道当数据发送周期为50 ms时,丢包率为0。为了记录数据包收发情况,节点上位机程序均采用串口调试程序。网络数据传输效率测试结果如表1所示。

表1　网络数据传输效率测试结果

4.2系统性能测试

首先,用网线连接ARM板与PC机的网口,确保网络连通,Zigbee模块与arm通过串口连接。然后打开电源,运行操作系统。最后,在PC机上运行web浏览器,在地址栏输入相应的IP地址http://192.168.1.10[9]。进入登录界面,输入用户名和密码,成功登陆后进来智能停车场远程监控系统的主页面。如图7所示,通过视频监控、灯光控制、车位状态和报警4个按钮可以实现相应的功能。

图7　智能停车场远程监控系统主页面

5　结束语

本文设计了一种基于ARM和ZigBee的嵌入式智能停车场监控系统,同时结合了GSM模块,方便用户查询剩余停车位信息。由于现阶段的停车场监控系统大部分是利用布线来传输数据,存在布线繁琐的问题,还有许多停车场则利用单片机来实现远程监控,实时性相比ARM处理器较差。而利用ZigBee网络以及传感器控制电路进行智能停车场车位信息的采集和对相应情况进行控制,解决了布线问题。在Linux操作系统下,编写驱动程序,建立web服务器并对CGI网络编程。用户可以通过上位机远程对智能停车场进行监控,解决了实时性差的问题。需要改进的地方是:没有考虑外接传感器后的数据处理和传输问题,在后续研究中,还应考虑更多的因素。

参考文献:

[1]宋飞,冯复科.停车场安全监控系统[J].西安文理学院学报(自然科学版),2006,9(1):102-105.

[2]王慧,王海舰.基于单片机与组态软件的停车场远程监控系统[J].计算机系统应用,2011,20(10):252-254.

[3]许明,闫旻.基于ARM11和WinCE的温室大棚嵌入式监控系统设计[J].仪表技术与传感器,2013,38(3):88-90.

[4]张纪元,武利生.基于ARM的水文测量报警系统[J].仪表技术与传感器,2013,38(6):135-138.

[5]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:341-346.

[6]汤宇.基于ZigBee的智能停车场系统研究[D].大庆:东北石油大学,2011.

[7]Li Xiangyang,Zhang Weiqiang,Hu Jing.Design of Intelligent Home Appliance Control System Based on ARM and ZigBee[C]//The International Conferenceon Consumer Electronics,Communica-tions and Networks(CECNet2011),Xianning,2012.

[8]侯艳波,秦会斌,胡建人,周迎新.基于嵌入式和ZigBee技术的节能系统的设计与实现[J].电子器件,2012,35(6):670-673.

[9]Hofmann C,Weigand C,Bernhard J.Evaluation of Zigbee for Medical Sensor Networks[J].WSEAS Trans Electr,2006,3(3):121-125.

[10]彭吉崇.基于ZigBee技术停车场车位的组网与通信设计[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2012.

李正明(1958-),男,汉族,江苏沭阳人,江苏大学电气信息工程学院博士生导师,主要从事嵌入式系统,工业过程集散控制的研究,18013449187@163.com;

汪付川(1988-),男,汉族,江苏大丰人,江苏大学电气信息工程学院硕士研究生,主要从事嵌入式系统研究,842653950@qq.com。

IntelligentParkingRemoteMonitoringandControlSystemBasedonembedded*

LIZhengming*,WANGFuchuan

(School of Electronic and Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

Abstract:As the management of the parking lot exists lots and lot of complicated and inefficient management problems at this stage,an intelligent parking remote monitoring system was designed,which combine embedded and ZigBee,in order to achieve the intelligent control of parking.This system uses ZigBee sensor network to collected a lot of the parking lot information,and uses embedded systems and GSM module for data processing and transmission.And through the host computer the system perfects the remote monitoring of the entire parking lot.This paper introduces the system design and operating principle,and describes the system frame,hardware and software design exhaustively.Through the data transmission performance and overall performance tests show that the system fully meets the application requirements of parking control system.

Key words:embedded system;parking;GSM;wireless sensor networks;monitor

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.034

中图分类号:TP27

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0742-04

收稿日期:2013-08-18修改日期:2013-09-11

项目来源:江苏高校优势学科建设工程项目(苏政办发[2011]6号)