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(fā)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(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備,，按約定的協(xié)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(jiān)控和管理的一種網絡,。
傳統(tǒng)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(tǒng)，可以把一座城市的停車位信息整合到一起,，并動態(tài)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(jié)約了大量的人力物力資源,。
1 系統(tǒng)模型
基于物聯網技術的城市停車位管理系統(tǒng)采用“監(jiān)控中心—停車場主控節(jié)點—停車位測控器”的三層結構，通過2.5G/3G的技術將監(jiān)控中心的城市停車場控制系統(tǒng)軟件和停車場主控節(jié)點聯系起來,，而停車場主控節(jié)點又通過自主研發(fā)的停車位網絡將停車位的數據信息發(fā)送到相關的停車位節(jié)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(tǒng)的結構圖如圖1所示,。
圖1 城市停車位監(jiān)控系統(tǒng)的結構圖
圖1中的停車位節(jié)點1至N通過自主研發(fā)的網絡協(xié)議實現了通信的網絡結構,，每個停車場主控節(jié)點作為該停車場的主控節(jié)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(fā)送到世界上任何一個有Internet網絡覆蓋的地方。停車場主控節(jié)點將停車位信息發(fā)送到中心服務器,，從而存入數據庫中,，監(jiān)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(jiān)測。
2 核心硬件設計
2.1 車載電子標簽和停車位測控節(jié)點
ZigBee技術是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研發(fā)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(tǒng)的穩(wěn)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(jié)點均采用Freescale公司的MC13213芯片，標簽采用2.4G ZigBee無線協(xié)議傳輸數據,，平常處于低功耗休眠狀態(tài),，只有當被喚醒之后才無線發(fā)送用戶的ID數據，之后立即進入休眠狀態(tài),，電子標簽工作電壓范圍2.0~3.3 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(jié)點接收到從電子標簽發(fā)來的用戶ID信息時,，停車位測控節(jié)點打開車位上的擋車器，并將用戶ID信息無線發(fā)送至停車場主控節(jié)點,，停車場主控節(jié)點再通過25 G或3 G模塊將用戶ID信息發(fā)送至監(jiān)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(jiān)控中心將該用戶ID逐步傳遞至停車位測控節(jié)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(jié)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(jié)點，停車場主控節(jié)點即時通過GPRS短信通知用戶,。
2.2 停車場主控節(jié)點
停車場主控節(jié)點作為一個停車場網絡的路由節(jié)點和主控節(jié)點,，是Internet和停車場網絡的接口網關。停車場主控節(jié)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(jié)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(fā)送到2.5G/3G數據收發(fā)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(fā)送到監(jiān)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(jiān)控中心的命令數據后,，交由MCF52223解析,，然后將解析后的命令發(fā)送到停車位網絡的主控節(jié)點。主控節(jié)點將數據發(fā)送到停車位網絡中傳輸,。
3 軟件設計
3.1 停車位測控節(jié)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(tǒng)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(fā)模塊來進行相關操作,。
3.2 停車場主控節(jié)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(fā)送至2.5G/3G數據收發(fā)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(huán)掃描緩存區(qū)，一旦發(fā)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(fā)數據,，轉發(fā)數據前要先發(fā)送同步信號，保持通信的同步和穩(wěn)定,。已發(fā)送數據幀緩存區(qū)定時清除,。
3.2.2 RFZigBee發(fā)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(fā)處理模塊發(fā)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(fā)送給停車位傳感網絡。
所以MC13213無線傳感網絡主控節(jié)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(fā)送給2.5G/3G的數據收發(fā)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(jiān)控中心發(fā)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(fā)送到MC13213無線傳感網絡主控節(jié)點模塊,。
?、?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(fā)送到監(jiān)控中心的服務器上,。
4 實驗及效果
某國家級工業(yè)園區(qū)2010年初開始實施城市停車位管理系統(tǒng),，在進行停車位改造的同時，將無線傳感節(jié)點嵌入停車位擋車器中,，并在每個停車場安裝主控節(jié)點設備,，形成了一個覆蓋整個區(qū)域停車場和停車位的無線傳感網絡,。對區(qū)內的車輛安裝車載終端，對進入區(qū)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(tǒng)，已經有了一定的效果,，隨著應用區(qū)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(chuàng)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(tǒng)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(tǒng)一實時監(jiān)控。
實驗說明,，本文的工作具有較高的研究價值和產業(yè)化價值,。
