基于ZigBee网络的智能停车场系统中低频唤醒技术的研究
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摘要
随着车辆的迅速增加，在大中城市特别是经济繁华的商业区附近，很多车辆因找不到停车场或因停车场管理效率低而导致交通严重堵塞。现有停车场大多采用人工收费方式进行管理，少量停车场则采用无源射频卡实现了自动化管理。但是无源射频卡系统不仅识别距离近，不能很大程度地提高收费效率，而且也不能利用其实现车辆信息的查询，特别是这样的管理系统没有车位检测的功能，不能实现泊车引导。目前无论是新建停车场还是对已有停车场的改造，无论是停车场管理者还是机动车司机都希望出现一种能实现不停车收费、实时车位检测及车辆的信息查询高效率和人性化的智能停车场管理系统。
ZigBee技术是一种专注于低速率、低成本、低功耗、低复杂度和高安全性的新兴技术，其应用平台成本低廉而且用途非常广泛，因而近年备受关注，成为目前无线技术研究的一个新热点。为满足市场需求，本文设计了一种基于ZigBee网络的具有不停车收费(自动收费)、泊车引导、车位检测和车辆信息查询功能的智能停车场管理系统。整个系统由入口通道子系统、场内子系统、泊车引导子系统、出口通道子系统和控制中心五部分组成。各个子系统通过ZigBee网络进行通信，其中场内子系统由主控器、读写器和标签三部分组成，三者之间也是通过ZigBee网络进行通信的。
本文主要完成了场内子系统的读写器和标签的设计，主要研究内容如下：
(1)设计了超声波测距电路，实现了读写器的车位检测功能。
(2)设计了低频唤醒电路，解决了接收端标签的功耗问题。低频唤醒电路由发射电路(读写器)和接收电路(标签)两部分组成，发射电路主要是由电流驱动器AS4420和串联谐振电路组成；接收电路主要由低频接收芯片ATA5283和并联谐振电路组成。
(3)编写了标签端的程序，实现了低频唤醒确认码的识别和数据的发送，有效地解决了干扰问题。
(4)经过对ZigBee协议栈的简化，优化了程序，大大减少了代码量，使得标签可以用低成本的单片机C8051F410来设计并同时提高了标签的效率和稳定性。最后，对系统低频磁场的覆盖范围和标签被唤醒时的方向性问题进行了测试，结论表明低频唤醒的效果良好，达到了市场的要求。
With the quick increment of the vehicle, many vehicles cause the traffic jam because of the lack of parking space and the low efficiency of park management, especially in the prosperous business streets of the big cities. Though a few parks can realize automatic management using passive RF Card, many parks still adopt the manual mode. Because the passive RF Card has much shorter working distance, it can not improve the efficiency of charge. And the information of vehicles is not inquired by using this system, especially in which the parking guidance can not be implemented. So, a kind of intelligent park management system, which satisfies the function of no parking charge, real-time parking space detection and inquiry of the vehicle information, is expected to the market.
Zigbee is a new technique, which has advantages of low rate, low cost, low power consumption, low complexity and good security. Therefore Zigbee technique is becoming a hotpot of the wireless communications field. In order to meet the demand of markets, this thesis designs a kind of intelligent park management system based on Zigbee network to realize the above functions.
The system is composed of entrance sub-system, park sub-system, park guide sub-system, export sub-system, and control center. All the sub-systems can communicate with each other by Zigbee network. The park sub-system includes master、reader and tag, and they also communicate by Zigbee network.
The thesis mainly finished the design of reader and tag in park sub-system, the research is as follows:
1. We design the ultrasonic circuit for measuring distance and realize the function of park space detection.
2. We design the low frequency wakeup circuit, which is composed of the transmitting circuit and the receiving circuit, to solve the power consumption problem of the tag. The transmitting circuit is mainly composed of AS4420 and the serial resonance circuit, and the receiving circuit is mainly composed of ATA5283 and the parallel resonance circuit.
3. We finish the program of the tag, which can identify the code of the low frequency wakeup circuit and transmit the data, to resolve the interference efficiently.
4. By simplifying the protocol stack, the program is optimized and the number of code is decreased. The tag can adopt a low cost MCU C8051F410, and the efficiency and stability of the tag is also improved.
At the end, we finish two kinds of test, including the covering area of the low frequency magnetic field and the orientation problem when the tag is waked. Conclusions show that the effect of the low frequency wakeup is all right and it can meet the demand of markets
ZigBee技术是一种专注于低速率、低成本、低功耗、低复杂度和高安全性的新兴技术，其应用平台成本低廉而且用途非常广泛，因而近年备受关注，成为目前无线技术研究的一个新热点。为满足市场需求，本文设计了一种基于ZigBee网络的具有不停车收费(自动收费)、泊车引导、车位检测和车辆信息查询功能的智能停车场管理系统。整个系统由入口通道子系统、场内子系统、泊车引导子系统、出口通道子系统和控制中心五部分组成。各个子系统通过ZigBee网络进行通信，其中场内子系统由主控器、读写器和标签三部分组成，三者之间也是通过ZigBee网络进行通信的。
本文主要完成了场内子系统的读写器和标签的设计，主要研究内容如下：
(1)设计了超声波测距电路，实现了读写器的车位检测功能。
(2)设计了低频唤醒电路，解决了接收端标签的功耗问题。低频唤醒电路由发射电路(读写器)和接收电路(标签)两部分组成，发射电路主要是由电流驱动器AS4420和串联谐振电路组成；接收电路主要由低频接收芯片ATA5283和并联谐振电路组成。
(3)编写了标签端的程序，实现了低频唤醒确认码的识别和数据的发送，有效地解决了干扰问题。
(4)经过对ZigBee协议栈的简化，优化了程序，大大减少了代码量，使得标签可以用低成本的单片机C8051F410来设计并同时提高了标签的效率和稳定性。最后，对系统低频磁场的覆盖范围和标签被唤醒时的方向性问题进行了测试，结论表明低频唤醒的效果良好，达到了市场的要求。
With the quick increment of the vehicle, many vehicles cause the traffic jam because of the lack of parking space and the low efficiency of park management, especially in the prosperous business streets of the big cities. Though a few parks can realize automatic management using passive RF Card, many parks still adopt the manual mode. Because the passive RF Card has much shorter working distance, it can not improve the efficiency of charge. And the information of vehicles is not inquired by using this system, especially in which the parking guidance can not be implemented. So, a kind of intelligent park management system, which satisfies the function of no parking charge, real-time parking space detection and inquiry of the vehicle information, is expected to the market.
Zigbee is a new technique, which has advantages of low rate, low cost, low power consumption, low complexity and good security. Therefore Zigbee technique is becoming a hotpot of the wireless communications field. In order to meet the demand of markets, this thesis designs a kind of intelligent park management system based on Zigbee network to realize the above functions.
The system is composed of entrance sub-system, park sub-system, park guide sub-system, export sub-system, and control center. All the sub-systems can communicate with each other by Zigbee network. The park sub-system includes master、reader and tag, and they also communicate by Zigbee network.
The thesis mainly finished the design of reader and tag in park sub-system, the research is as follows:
1. We design the ultrasonic circuit for measuring distance and realize the function of park space detection.
2. We design the low frequency wakeup circuit, which is composed of the transmitting circuit and the receiving circuit, to solve the power consumption problem of the tag. The transmitting circuit is mainly composed of AS4420 and the serial resonance circuit, and the receiving circuit is mainly composed of ATA5283 and the parallel resonance circuit.
3. We finish the program of the tag, which can identify the code of the low frequency wakeup circuit and transmit the data, to resolve the interference efficiently.
4. By simplifying the protocol stack, the program is optimized and the number of code is decreased. The tag can adopt a low cost MCU C8051F410, and the efficiency and stability of the tag is also improved.
At the end, we finish two kinds of test, including the covering area of the low frequency magnetic field and the orientation problem when the tag is waked. Conclusions show that the effect of the low frequency wakeup is all right and it can meet the demand of markets
引文
1．刘立国，程继夏．汽车保有量与国民经济GDP及相关产业关系．长安大学学报，2005
2．梁颖，刘劲夫．城市停车问题对策研究．道路交通与安全，2004
3．王泽河，毛恩容．大城市停车诱导系统设计方法的研究：[博士学位论文]．北京：中国农业大学，2005
4．高敏杰．南京市停车场需求分析及管理：[硕士学位论文]．南京：南京林业大学，2004
5．吴涛．停车引导和信息系统—ITS在停车领域的应用．国外公路，2000
6．邓应伟．停车场智能管理系统：[硕士学位论文]．长沙：湖南大学，2006
7．蔡文沁．我国智能交通系统发展的战略构想．交通运输系统工程与信息，2003高洁．基于非接触式IC卡的大型停车场管理系统的研究：[硕士学位论文]．青岛：山东科技大学，2006
8．李传军．计算机视觉技术在智能停车场中的应学位论文]．北京：北京理工大学，2003
9．滕继涛．智能交通系统中车辆调度问题的遗传算法研究．北京航空航天大学学报，2003
10．杨赓．Zigbee无线传感器网络的研究与实现：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2006
11．于光华．非接触IC卡停车场管理系统：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2006
12．张深基．停车场智能管理系统．湖南工程学院学报，2003
13．张晓红．非接触式IC卡在停车场收费管理中的应用．鞍山师范学院学报，2005
14．刘志远．双红外传感器多目标跟踪方法研究：[硕士学位论文]．大连：大连理工大学，2004
15．杨景常，贺德全，杨洪．停车场收费系统自动吐卡设备的设计．四川工业学院学报，2001
16．沈庆宏，高健，李耀华．停车场自动控制器的研究与实现．交通与计算机，2004，
17. Guly B , Demet O. A tube search algorithm for vehicle routing problem Computer&Operation Research, 1999
18. Arjang Hourtash , Mahmoud Tarokh . Manipulator path planning by decomposition algorithm and analysis. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 2001
19. Goel A K, Ail K S, Donnellan MW. Multistrategy adaptive path planning. IEEE Intelligent Systems and Their Applications, 1994
20．康华光．模拟电子技术基础(第四版)．北京：高等教育出版社，2002
21．孙利民，李建中．无线传感器网络．北京：清华大学出版社，2005
22．王锐华，于全．浅析Zigbee技术．电视技术，2004
23．李伟，刘英男．无线个域网实现技术的比较．电信技术，2001
24．王金龙，王呈贵．AdHoc移动无线网络．北京：国防工业出版社，2004
25．薛峻，齐赛．HomeRF无线家庭网络技术．电子技术，2001
26. ZigBee Alliance. Security Serivices Specification(Version 1.0), 2004
27. ZigBee Alliance. ZigBee Device Profile(Version 1.0), 2004
28．赵振丰．IEEE 802．15．4b开发平台与基带信号发生器的设计实现：[硕士学位论文]．北京：北京师范大学，2005
29．梁颖，刘劲夫．城市停车问题对策研究．道路交通与安全，2004
30．陈峻．城市停车设施规划方法研究：[博士学位论文]．南京：东南大学，2000
31．宁秋平．非接触IC卡停车场管理系统设计：[大连理工大学硕士学位论文]．大连：大连理工大学
32．张晓红．非接触式IC卡在停车场收费管理中的应用．鞍山师范学院学报，2005
33．张敬东．发展中的停车场收费管理系统及其工作原理．公路交通科技，1998
34．蔡文沁．我国智能交通系统发展的战略构想．交通运输系统工程与信息，2003
35．杨景常，贺德全，杨洪．停车场收费系统自动吐卡设备的设计．四川工业学院学报，2001
36．李传军．计算机视觉技术在智能停车场中的应用研究：[硕士学位论文]．北京：北京理工大学，2003
37．尹寒，陈峰．近耦合识别系统的工作原理及天线设计．单片机与嵌入式系统应用，2002
38．谢刚．基于多种车辆特征信息识别的停车场管理系统．计算机应用研究，2006
39．吕伟．新型地磁车辆检测器在停车场中的应用．IB智能建筑与城市信息，2006
40．邹旭东．基于GIS的停车场规划与信息管理系统研究．青岛理工大学学报，2006
41．包燕平．RFID在智能交通及停车场管理中的应用．中国防伪报道，2006
42．袁勇．无线传感器网络节能传输技术研究：[博士学位论文]．武汉：华中科技大学，2005
43．李宜安．基于IEEE．802．15．4标准的无线传感器网络研究：[硕士学位论文]．南京：东南大学，2006
44．侯琪．无线传感器网络MAC协议的研究与实现：[硕士学位论文]．南京：东南大学，2006
45．司宏林．基于ZigBee协议的无线传感器网络关键技术的研究和实现：[硕士学位论文]．南京：东南大学，2006
46．欧杰峰．基于IEEE802．15．4的无线传感器网络组网研究：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2006
47．贺文．基于IEEE802．15．4／ZigBee的无线传感器网络研究：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2006
48．李蛟．基于ZigBee技术的红外探测无线防盗报警系统研究：[硕士学位论文]．成都：电子科技大学，2006
49．赵炜．AODV路由协议算法研究与设计实现：[硕士学位论文]．成都：电子科技大学．2006
2．梁颖，刘劲夫．城市停车问题对策研究．道路交通与安全，2004
3．王泽河，毛恩容．大城市停车诱导系统设计方法的研究：[博士学位论文]．北京：中国农业大学，2005
4．高敏杰．南京市停车场需求分析及管理：[硕士学位论文]．南京：南京林业大学，2004
5．吴涛．停车引导和信息系统—ITS在停车领域的应用．国外公路，2000
6．邓应伟．停车场智能管理系统：[硕士学位论文]．长沙：湖南大学，2006
7．蔡文沁．我国智能交通系统发展的战略构想．交通运输系统工程与信息，2003高洁．基于非接触式IC卡的大型停车场管理系统的研究：[硕士学位论文]．青岛：山东科技大学，2006
8．李传军．计算机视觉技术在智能停车场中的应学位论文]．北京：北京理工大学，2003
9．滕继涛．智能交通系统中车辆调度问题的遗传算法研究．北京航空航天大学学报，2003
10．杨赓．Zigbee无线传感器网络的研究与实现：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2006
11．于光华．非接触IC卡停车场管理系统：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2006
12．张深基．停车场智能管理系统．湖南工程学院学报，2003
13．张晓红．非接触式IC卡在停车场收费管理中的应用．鞍山师范学院学报，2005
14．刘志远．双红外传感器多目标跟踪方法研究：[硕士学位论文]．大连：大连理工大学，2004
15．杨景常，贺德全，杨洪．停车场收费系统自动吐卡设备的设计．四川工业学院学报，2001
16．沈庆宏，高健，李耀华．停车场自动控制器的研究与实现．交通与计算机，2004，
17. Guly B , Demet O. A tube search algorithm for vehicle routing problem Computer&Operation Research, 1999
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21．孙利民，李建中．无线传感器网络．北京：清华大学出版社，2005
22．王锐华，于全．浅析Zigbee技术．电视技术，2004
23．李伟，刘英男．无线个域网实现技术的比较．电信技术，2001
24．王金龙，王呈贵．AdHoc移动无线网络．北京：国防工业出版社，2004
25．薛峻，齐赛．HomeRF无线家庭网络技术．电子技术，2001
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28．赵振丰．IEEE 802．15．4b开发平台与基带信号发生器的设计实现：[硕士学位论文]．北京：北京师范大学，2005
29．梁颖，刘劲夫．城市停车问题对策研究．道路交通与安全，2004
30．陈峻．城市停车设施规划方法研究：[博士学位论文]．南京：东南大学，2000
31．宁秋平．非接触IC卡停车场管理系统设计：[大连理工大学硕士学位论文]．大连：大连理工大学
32．张晓红．非接触式IC卡在停车场收费管理中的应用．鞍山师范学院学报，2005
33．张敬东．发展中的停车场收费管理系统及其工作原理．公路交通科技，1998
34．蔡文沁．我国智能交通系统发展的战略构想．交通运输系统工程与信息，2003
35．杨景常，贺德全，杨洪．停车场收费系统自动吐卡设备的设计．四川工业学院学报，2001
36．李传军．计算机视觉技术在智能停车场中的应用研究：[硕士学位论文]．北京：北京理工大学，2003
37．尹寒，陈峰．近耦合识别系统的工作原理及天线设计．单片机与嵌入式系统应用，2002
38．谢刚．基于多种车辆特征信息识别的停车场管理系统．计算机应用研究，2006
39．吕伟．新型地磁车辆检测器在停车场中的应用．IB智能建筑与城市信息，2006
40．邹旭东．基于GIS的停车场规划与信息管理系统研究．青岛理工大学学报，2006
41．包燕平．RFID在智能交通及停车场管理中的应用．中国防伪报道，2006
42．袁勇．无线传感器网络节能传输技术研究：[博士学位论文]．武汉：华中科技大学，2005
43．李宜安．基于IEEE．802．15．4标准的无线传感器网络研究：[硕士学位论文]．南京：东南大学，2006
44．侯琪．无线传感器网络MAC协议的研究与实现：[硕士学位论文]．南京：东南大学，2006
45．司宏林．基于ZigBee协议的无线传感器网络关键技术的研究和实现：[硕士学位论文]．南京：东南大学，2006
46．欧杰峰．基于IEEE802．15．4的无线传感器网络组网研究：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2006
47．贺文．基于IEEE802．15．4／ZigBee的无线传感器网络研究：[硕士学位论文]．杭州：浙江大学，2006
48．李蛟．基于ZigBee技术的红外探测无线防盗报警系统研究：[硕士学位论文]．成都：电子科技大学，2006
49．赵炜．AODV路由协议算法研究与设计实现：[硕士学位论文]．成都：电子科技大学．2006