項目十基于物聯網的智能泊車系統設計10.1任務一:智能泊車系統的簡述10.2任務二:系統的結構設計10.3任務三:系統的模塊接口設計10.4任務四:系統的界面設計10.5任務五:系統的軟件設計

10.1任務一:智能泊車系統的簡述

1.系統簡介

基于物聯網的智能泊車系統結合RFID、ZigBee技術、Wi-Fi及Android技術實現了停車場的智能泊車。系統主要包括控制、出入口、停車位、Android客戶端軟件等四部分。控制部分主要包括系統管理及界面的顯示；出入口部分包括讀卡、閘機控制、拍照三部分；停車位部分通過ZigBee外接光敏傳感器來實現車位狀態的獲取，并發送到協調器。系統具有如下特點：

(1)模塊化，安裝方便。

(2)真實場景，形象直觀。

(3)方便快捷，簡單生動。

2.實現目標

(1)實現ETC一體化系統，實現智能化收費。

(2)在目前已有的循跡賽道上，增加兩個閘門，一個控制器(使用ARM替代原有PC)，一個兩通道UHF讀卡器，兩路攝像頭，根據需要可增加停車位。

(3)讀卡器通過網線連接到控制器，攝像頭直接連接到控制器上，閘口動作由ZigBee節點控制步進電機完成。

(4)讀卡操作采用：在每一個閘口上放置一個天線，進行讀卡操作。

(5)拍照操作：在每一個閘口上放置一個攝像頭，進行操作。

(6)停車位通過ZigBee連接光敏傳感器實現。

(7)建立進站刷卡界面。

(8)建立出站計費界面。

10.2任務二:系統的結構設計

1.系統框圖

系統框圖如圖10.1所示。圖10.1系統框圖

2.基本架構及各模塊功能

1)硬件架構

系統的硬件架構如圖10.2所示。圖10.2系統的硬件架構

2)軟件架構

系統的軟件架構如圖10.3所示。

本系統軟件主要包括上位機、下位機、Android手機客戶端三部分。圖10.3系統的軟件架構

3)基本流程圖

基本流程圖如圖10.4所示。圖10.4基本流程圖

10.3任務三:系統的模塊接口設計

1.?ZigBee控制

基本結構體如下：

(1)表示ZigBee網絡基本信息結構體。

(2)表示ZigBee傳感器節點的基本信息結構體。

(3)表示ZigBee節點的基本信息結構體。

(4)?ZigBee節點結構。

(5)基本函數如下：

①獲取網絡的基本信息函數：

NwkDesp*GetZigBeeNwkDesp(void);

功能：獲取當前ZigBee網絡的基本信息。

參數：無

返回值：NwkDesp指針。②控制閘口的開關狀態函數：

intSetSensorStatus(unsignedintnwkaddr,unsignedintstatus);

功能：設置ZigBee網絡中傳感器狀態(只針對設置型傳感器)。

參數：nwkaddr傳感器節點網絡地址，status狀態，0設置IO低電平，1設置IO高電平。

返回值：整形，0成功，非0失敗。③獲取節點傳感器狀態函數：

SensorDesp*GetSensorStatus(unsignedintnwkaddr);

功能：獲取當前ZigBee網絡節點的傳感器狀態。

參數：ZigBee網絡節點網絡地址。

返回值：SensorDesp指針。④獲取網絡節點設備信息函數：

DeviceInfo*GetZigBeeDevInfo(unsignedintnwkaddr);

功能：獲取當前ZigBee網絡節點的設備信息。

參數：ZigBee網絡節點網絡地址。

返回值：DeviceInfo指針。⑤獲取當前ZigBee網絡節點的拓撲結構數據鏈表函數：

NodeInfo*GetZigBeeNwkTopo(void);

功能：獲取當前ZigBee網絡節點的拓撲結構數據鏈表。

參數：無。

返回值：DeviceInfo指針，即保存ZigBee節點信息的鏈表頭。⑥?ZigBee串口監聽線程開啟處理函數：

intComPthreadMonitorStart(void);

功能：ZigBee串口監聽線程開啟處理函數。負責創建串口監聽線程，并處理相應串口數據包。應用程序需要調用該函數方可以更新監測ZigBee網絡信息及節點狀態。

參數：無。

返回值：整形，0成功，非0失敗。⑦?ZigBee串口監聽線程關閉函數：

intComPthreadMonitorExit(void);

功能：ZigBee串口監聽線程關閉函數。

參數：無。

返回值：整形，0成功，非0失敗。

說明：主要用到了紅筆標注的函數。

2.?UHF(

UltraHighFrequency特高頻)讀卡

3.拍照接口

4.

GPRS發送短信

(1)?tty_init();：串口初始化。

(2)?gprs_init();：GPRS初始化。

(3)?voidgprs_msg(char*number,char*pText):：發送短信。

參數：number為電話號碼，pText為短信內容。

返回值：無。

(4)?tty_end();：關閉串口。

5.下位機ZigBee控制舵機接口

函數如下：

intSetSensorStatus(unsignedintnwkaddr,unsignedintstatus);

功能：設置ZigBee網絡中傳感器狀態(只針對設置型傳感器)。

參數：nwkaddr傳感器節點網絡地址，status狀態，0設置IO低電平，1設置IO高電平。

返回值：整形，0成功，非0失敗。

該函數可根據節點的網絡地址，控制閘口的開關狀態。

10.4任務四:系統的界面設計

1.控制器界面顯示

主要功能：

(1)出入口RFID卡號，對應的車輛參數。

(2)車輛登記編號。

(3)車型顯示。

(4)車輛照片。

(5)卡片金額相關信息。

(6)顯示出入口拍攝的照片。

(7)出入口閘門狀態。

(8)手動開關閘操作。

(9)閘口節點狀態顯示。

(10)讀卡器通信狀態顯示。

(11)停車位節點在線狀態顯示。

(12)停車位占用狀態顯示。

(13)停車位預約狀態顯示。

控制器的基本界面如圖10.5所示。圖10.5基本界面

2.?Android客戶端界面

(1)停車位節點在線狀態顯示。

(2)停車位占用狀態顯示。

(3)停車位預約狀態顯示。

(4)停車位預約功能。

(5)車輛進入停車場動畫演示。

Android客戶端的基本界面如圖10.6所示。圖10.6Android客戶端的基本界面

10.5任務五:系統的軟件設計

1.?ZigBee電機控制程序

1)步進電機工作原理簡介

步進電機是將輸入的電脈沖信號轉換成角位移的特殊同步電機，它的特點是每輸入一個電脈沖，電動機轉子便轉動一步，轉一步的角度稱為步距角，步距角愈小，表明電機控制的精度越高。由于轉子的角位移與輸入的電脈沖成正比，因此電動機轉子轉動的速度便與電脈沖頻率成正比。

圖10.742BYGH1.8步進電機

圖10.8繞線圖

2)步進電機42BYGH1.8說明

步進電機相序表如表10.1所示。

3)步進電機42BYGH1.8驅動電路

步進電機42BYGH1.8驅動電路如圖10.9和圖10.10所示。圖10.9ZigBeeCore圖10.10步進電機驅動電路

4)程序代碼

詳見本書提供的資源。

2.基于Z-Stack的串口控制程序

1)實現原理

使用IAR開發環境設計程序，在ZStack-1.4.2-1.1.0協議棧源碼例程SampleApp工程基礎上，實現無線組網及通信。即協調器自動組網，路由或終端節點自動入網，并設計上位機串口數據協議，檢測和控制ZigBee網絡中節點與相關傳感器狀態。

2)?ZigBee(CC2430)模塊LED硬件接口

ZigBee(CC2430)模塊LED硬件接口如圖10.11所示。圖10.11LED硬件接口

ZigBee(CC2430)模塊硬件上設計有2個LED燈，用來編程調試使用。分別連接CC2430的P1_0、P1_1兩個IO引腳。從原理圖上可以看出，2個LED燈共陽極，當P1_0、P1_1引腳為低電平時候，LED燈點亮。

系統的框圖如圖10.12所示。圖10.12系統框圖

3)?SampleApp簡介

TI的ZStack-1.4.2-1.1.0協議棧中自帶了一些演示系統DEMO，存放在默認安裝目錄的C:\TexasInstruments\ZStack-1.4.2-1.1.0\Projects\zstack\Samples目錄下，本次系統將利用該目錄下的SampleApp系統工程來實現ZigBee模塊的自動組網和通信。

4)?MT層串口通信

協議棧中將串口通信部分放到了MT層的MT任務中去處理了，因此我們在使用串口通信的時候要在編譯工程(通常是協調器工程)時候在編譯選項中加入MT層相關任務的支持：MT_TASK、ZTOOL_P1或ZAPP_P1。

串口解析上位機串口數據流程如圖10.13所示。圖10.13MT層任務處理流程由于上述處理過程是針對特定輸出格式的串口數據，在一般串口終端中無法解析。TI默認使用的Z-Tool工具上位機串口數據格式如圖10.14所示。圖10.14MT層串口數據格式

5)應用層任務

本系統中應用層任務為SampleApp任務，該任務負責ZigBee網絡的創建和加入控制流程，主要是根據ZigBee閃存中網絡信息來啟動系統。圖10.15工程模板的選擇

6)分別下載上面編譯好的程序到ZigBee模塊

圖10.15所示的DemoEB工程編譯后選擇debug即可下載至模塊中，進入debug模式后點擊run運行工程，方可運行軟件。

7)啟動設備測試

首先啟動協調器模塊，建立網絡成功后LED2點亮，再啟動路由節點ZigBee模塊，入網成功后該模塊的LED2也點亮。網絡組建成功后，通過將PC機串口線接到ZigBee協調器調模塊對應的串口上，打開串口終端軟件，設置波特率為115?200，即可在串口終端中輸入程序中指定的串口命令控制協調器模塊。協調器通過串口接收到命令后，無線控制遠程節點狀態。

3.?RFID讀卡程序

RFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標簽。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。

1)?UHF讀寫器模塊

本系統采用的讀寫器是結構完整、功能齊全的915?M的RFID讀寫器，它含有射頻(RF)模塊、Wi-Fi模塊、數字信號處理、輸入/輸出端口和串行通信接口，具備讀寫器同步功能。是多協議UHF讀寫器，支持ISO18000—6B和EPC協議國際標準，能讀寫UCODE、TI、Alian等標簽，本系統采用的是EPC協議國際標準標簽。可以通過更換外接不同增益的天線(最多2個)，擴展讀卡有效范圍，降低用戶硬件成本。圖10.16通信協議結構圖

(1)通信協議——物理層。

物理層完成信號的比特數據發送與接收，物理層應符合RS-232規范要求。具體設計要求如下：

1位起始位、8位數據位、1位停止位、無奇偶校驗。

(2)通信協議——數據鏈路層。

數據鏈路層具體規定命令和響應幀的類型和數據格式。幀類型分為命令幀、響應幀、讀寫器命令完成響應幀。

命令幀格式定義如下：為了說明這一算法，我們以讀寫器單卡識別EPC標簽的命令為例，讀寫器識別單標簽命令幀如下：響應幀格式定義如下：讀寫器命令完成響應幀格式定義如下：

2)主要協議

UHF讀寫器支持多種協議，主要包括：獲取及設置讀卡器參數、升級類協議、ID匹配類協議、天線設置類協議、功率設置協議、讀卡及寫卡協議等。

本IOT-ETC系統，主要用到多通道讀卡協議及讀取ID數據命令幀協議，MultipleTagIdentify(Extension)協議如下：對于ISO18000—6B標簽，響應幀格式如下表所示：

GETIDBUF協議如下：讀寫器接收此命令幀后，返回命令響應幀，命令響應幀格式如下表所示：

3)關鍵代碼分析

(1)建立連接。

函數接口：intGetConnect(char*ipaddr,intport)。

功能：建立到到讀卡器服務器的連接。

參數：ipaddr為服務器地址，port為端口號(默認為4001)。

返回值：成功返回int型soketfd，連接錯誤返回?-1。

(2)雙通道讀卡函數。

函數接口：

intMultipleTagIdentify(intfd,unsignedintTagType,unsignedchar**pInIdBuff,unsignedchar**pOutIdBuff)；

功能：獲得出入口讀到的卡號。參數：fd為連接Socket，TagType：1為ISO18000標簽，4為獲取gen標簽的EPC值，對6在此版本中不支持；返回正確時，**pInIdBuff為指向入口(通道1)的卡號(12*sizeof(unsignedchar)個)，**pOutIdBuff為指向出口(通道2)的卡號(12*sizeof(unsignedchar)個)，未讀到卡返回NULL。

返回值：正常為0，網絡連接阻塞時返回?-1，系統出現錯誤時返回?-2。

4.智能泊車系統GUI綜合程序

1)實現原理

物聯網IPA系統控制器部分界面采用Qt跨平臺的GUI設計方法，對系統中的RFID讀卡模塊、ZigBee無線傳感器模塊、攝像頭模塊等進行本地的界面顯示和控制。

2)系統總體流程圖

系統總體流程圖如圖10.17所示。圖10.17系統流程圖

3)?RFID線程

RFID線程負責讀卡與整個系統聯動控制，流程圖如圖10.18所示。圖10.18RFID流程圖

4)?ZigBee線程

ZigBeeQT線程負責使用串口相關命令獲取ZigBee設備鏈表節點信息，提供給其他線程或結盟線程服務。

5)?ZigBee設備鏈表維護線程

ZigBee網絡中節點維護是使用鏈表的方式，通過串口指定的命令格式來獲取協調器設備傳遞的網絡節點信息，關于ZigBee支持的串口命令的具體見ZigBee部分相關系統文檔。

6)?SQLite數據庫

系統中分別使用2個SQLite數據庫對RFID讀卡的信息進行邏輯判斷和信息處理，其中存儲了ID卡的相關信息如ID號、狀態、時間、車輛及車主信息等。另外一個數據庫用來保存停車位信息及預約狀態。

5.?Android服務器

本系統完成一個簡單的Server服務器。Server實現的功能，從數據庫讀取停車位的狀態信息，為客戶端提空車位查詢、預約車位、查找車位、短信確認等功能服務。

1)多線程實現Server服務器

服務器采用C/S方式，能夠解決多客戶端的問題，主要采用多線程、多進程來實現。由進程占用資源較大，所以采用多線程實現客戶端。服務器為每一個客戶端連接啟動一個線程，進行通信然后斷開連接，銷毀線程。

2)?SQLite3數據庫的使用

SQLite是一種嵌入式數據庫。它實現了對外部程序庫以及操作系統的最低要求，這使得它非常適合應用于嵌入式設備，同時，可以應用于一些穩定的，很少修改配置的應用程序中。SQLite是使用AN