基于ZigBee的智能停车场远程监控与管理系统

基于ZigBee的智能停车场远程监控与管理系统(二)

信息的实时采集，并通过ZigBee网络通信到中央控制器。

区域控制器 区域控制器主要负责停车场指定区域的车位信息管理，包括空位数以及空位号统计，将本区域的统计信息发送给中央控制器处理。

入口主显示屏 入口主显示屏安装在停车场入口处，受中央控制器无线控制，主要负责显示整个停车场空位占用情况、当前最佳车位、欢迎词等信息。

诱导显示屏 诱导显示屏安装在停车场内部十字交叉路口处，受中央控制器无线控制，主要起引导作用，显示用户车牌号和引导箭头，负责将用户车辆诱导至系统计算出来的最佳车位上。

中央控制器 中央控制器负责处理区域控制器传过来的信息，统计整个停车场车位剩余总量并无线发送给车位信息显示屏显示，存储空位号并计算最佳车位分配给当前用户，并发送控制信息给诱导显示屏，点亮诱导显示屏显示当前用户车牌号和引导箭头。

2.3诱导系统工作流程

在诱导系统的引导下，用户停车流程见图2-2。

车辆进入停车场区位引导入口提示车位引导用户停车系统分配最佳车位用户走出停车场图2-2 用户停车流程

用户驾车驶进停车场停车，在停车次入口刷卡后管理系统记录车辆信息（包括入口监控摄像头抓拍的车辆车牌号），中央控制器将计算得出的最佳车位分配给用户，将控制信息通过ZigBee无线网络发送到所有停车场内部十字路口处的引导显示屏，用户进入停车场后通过引导显示屏的引导，将车顺利停在最佳车位上后走出停车场，此时车位信息采集模块会采集到该位置被占用，通过中央控制器的控制，更新停车场当前车位占用情况并同步到入口主显示屏，并计算出刷新后的最佳车位等待下一个用户停入。

2.4 本章小结

本章主要介绍了系统设计理念和设计原则，系统总体设计方案，系统各模块的功能和诱导系统引导下的用户停车流程，下面章节将会对系统所有模块做详细介绍。

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第3章 系统通信网络

在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有很多优点，但仍然有很多缺陷。对工业、家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等缺点。智能停车场是一个庞大而复杂的系统，车位信息采集要求实时性好、抗干扰能力强，网络节点众多，因此要求所使用的网络具有低功耗、低成本、抗干扰能力强、高容量等特点，而ZigBee正能满足智能停车场这方面的需求，因此本文的系统通信网络选用ZigBee无线传感网。

3.1 ZigBee技术概述

ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的 组网、安全和应用软件方面的通信技术。

ZigBee这一名词来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee技术主要适合于自动控制和远程控制等领域，也可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

总体来说，ZigBee主要具有低速率、近距离、低成本、低功耗、短时延、高容量、高安全、高可靠等特点[8]。

低速率 ZigBee技术数据传输速率有3种，即20~250kb/s（2.4GHz），40kb/s（915MHz）和20kb/s（868MHz），满足低速率传输数据应用要求。

近距离 传输范围一般在10~100m之间，在增加RF（Radio Frequency）发射功率后，也可增加到1~3km。如果通过路由和节点间通信接力（即组网），传输距离可以更远。 低成本ZigBee模块的最初成本在6美元左右，估计很快就降到1.5~2.5美元，因为ZigBee传输速率低，协议简单，所以大大降低了开发成本，并且ZigBee协议免收专利费用，所以网络节点硬件成本也低。

低功耗 由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mw，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其他无线设备望尘莫及的。

短时延 ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连续进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3~10ms、WiFi需要3s。

高容量 ZigBee可采用星形、树形、网状三种网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层节点管理，最多可主成65000个节点的大网。

高安全 ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能,，支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

高可靠 采取了载波侦听多路访问（CSMA/CA）冲突避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问

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题可以进行重发。

3.2 ZigBee协议栈[9]

ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。ZigBee协议的体系结构如图3-1所示。

ZigBee标准的分层结构是在OSI七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义的。其中IEEE 802.15.4-2003标准定义了物理层（Physical Layer，PHY）和媒体访问控制层（Medium Access Control Sub-Layer，MAC）。ZigBee联盟再次基础上定义了（Network Layer，NWK）和应用框架层（Application Layer，APL）架构。

应用框架层网络层MAC层PHY层ZigBee联盟IEEE802.15.4ZigBee 协议

图3-1 ZigBee协议栈的分层结构

ZigBee协议栈各层的功能总结如下：

应用框架层（APL） 定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层用户。ZigBee应用层框架包括应用支持层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。ZigBee设备对象的功能包括：定义设备在网络中的角色（如ZigBee协调器和终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。

网络层（NWK） ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。具体内容包括：网络发现；网络形成；允许设备连接；路由器初始化；设备同网络连接；直接将设备同网络连接；断开网络连接；重新复位设备；接收机同步；信息库维护。

介质接入控制子层（MAC） MAC层支持多种LLC标准，通过SSCS（Service –Specific Cinvergence Sub2layer）业务相关汇聚子层协议承载IEEE 802.2类型的LLC标准，且允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 MAC层的服务。MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路，MAC层功能包括：网络协调器产生信标；与信标同步；支持PAN(个域网)链路的建立和断开；为设备的安全性提供支持；信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA-CA）机制；处理和维护保护时隙（GTS）机制；在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。

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