1、目录 辽宁工业大学工程硕士专业学位论文 I 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 研究背景及意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.2.1 国外发展现状 .2 1.2.2 国内发展现状 .2 1.3 课题来源与本文主要研究内容 .3 第 2 章 需求分析 .4 2.1 系统功能需求 .4 2.2 数据流图分析 .4 2.3 系统工作流程图 .4 第 3 章 可行性分析及相关技术介绍 .6 3.1 技术可行性 .6 3.2 经济可行性 .6 3.3 社会可行性 .6 3.4 系统使用的相关技术介绍 .6 3.4.1 Zigbee 技术概述 .6 3.4.2 Zigbee 技术特点 .6
2、3.4.3 Zigbee 协议简介 .7 3.4.4 CC2530 芯片介绍 .7 3.4.5 IAR Embedded Workbench 开发环境简介 .8 第 4 章 智能车位管理系统总体设计 .10 4.1 系统模块设计 .10 4.2 系统功能模块图 . 11 第 5 章 超声波车位检测模块设计 .12 5.1 超声波测距原理 .12 5.2 超声波车位检测的实现 .12 5.3 超声波车位检测模块硬件设计 .13 5.3.1 硬件概述 .13 5.3.2 电平触发测距工作原理 .14 5.3.3 串口触发测距工作原理 .15 5.3.4 CC2530 开发板简介 .16 5.4 超
3、声波车位检测模块软件设 计 .18 第 6 章 环境温度检测模块设计与上位机设计 .20 目录 辽宁工业大学工程硕士专业学位论文 II 6.1 环境温度检测硬件概述 .20 6.2 温度检测模块软件设计 .22 第 7 章 总结 .26 参考文献 .28 附 录 I.29 附 录 II .33 本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 中国经济的高速发展以及城市化步伐的加快，人民对生活水平的要求越来高，私家车数量也在成几何倍数增长，道路拥堵、停车困难己经成为各大城市临的难题。城市停车问题己经比较严重地暴露出来，严重影响了城区的经济发和百姓生活。 经济的进一步发展受限
4、，投资环境影响严重。一是由于道路拥堵，停车困难，自己开车不如公共交通方便，人们的购买欲被压制，进而影响了汽车的销量。二是在城市商业圈中一些大型购物商场容易受停车场效率的制约，接纳不了过量的客户，导致流失部分客户，商场效益受到影响。三 是私人汽车为寻找停车位，需要在路边来回行驶，不仅仅浪费了驾驶员的时间，还浪费了能源，破坏环境。四是一个整洁有序的道路通行情况和便利的停车场所，更有利于吸引外来企业对城市的投资建设。 城市品位难以提高，不利于塑造良好的城市形象。一是一些没有固定车位的社会车辆在道路两旁随意停放，没有统一的停放规则，出现乱停放的局面，大度降低了城市的整洁程度。二是一些汽车停放的人行道、
5、非机动车道没有按机动车道负荷设计，被机动车反复碾压后，路面受损情况较为严重，城市基础设施到破坏。三是从城市发展的角度看，合理布局、建造停车场，有利 于分散城市交通压力，可以有效的推进城市的均衡发展，加快现代化城市建设。 在现有停车场、停车位数量恒定的情况下，提高停车场的使用效率，优化停车环境无疑可以缓解交通拥堵情况，但是往往城市里缺少合理的停车设施的规划，也就谈不上科学合理的停车场建设。此时，一个智能车位管理系统可以最大可能的缓解交通拥堵的问题，可以有效的查看车位使用状况，从而提高停车位的使用效率。智能车位管理系统是依据现有的研究成果，快速确定车位使用情况、车场外部环境等信息，帮助机动车驾驶员
6、快速的在停车场找到停车位，停好车，提高停车效率。同时减少停车 场入口处的排队拥堵，避免城市道路的拥堵，保证城市道路的行车通畅。 同时，中国私家车数量也在迅速增加，截至 2012 年底，全国私家车数量达 5308 万辆，年增速达 22.8%。汽车给人们带来了非常多的便利，但是，面对如此快的增长速度，在道路建设滞后的情况下，从优化停车管理的角度入手，无疑可以缓解一些交通拥堵、停车位难找等问题。近年来智能交通系统己成为了众多高校和科研院所重点研究领域之一，智能车位管理系统更是重要的研究方向。合理布局、科学管理的停车场己经成为了很多大型商业圈及居民小区必备的配套设施。城市的核心商业圈， 通常位于城市的
7、繁华地段，在繁华地段通行的车辆比较多，需要停靠的车辆也比较大，为了保证城市道路的畅通，必须要高效的把停车场的停车位利用起来。使用智能车位管理系统，可以有效的引导需停车的车辆前往闲置的停车位场。为了有效的保证道路的畅通及可靠的停车，以本科生毕业设计（论文） 2 智能的停车位车辆检测技术作为核心技术的智能车位管理系统就可以大放异彩。 本设计根据超声波测距原理，通过在停车场的车位上方布置超声波传感器，当有车辆停在车位上时，传感器会测到距离变化，可以据此来检测当前车位上是否有车。并通过 Zigbee 协议传输数据，最终传输到上位机， 并通过上位机的算法进行判定，从而可以判定当前车位的使用情况。此外，本
8、设计还设置了车场温度检测模块，使管理者和使用者可以更好地了解车场情况。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外发展现状 目前在整个全球范围内，大中城市中的智能停车引导系统逐渐成为 ITS（物联网技术中的智能交通系统 )的重要组成部分之一，对于智能车位管理系统目前欧美等国家中完成了大批量设计研发的工作。然而在 1971 年期间，全球范围内的首个建成城市智能停车场的车位管理系统的是德国的亚琛市完成的。到了 1973 年时，亚洲的国家之一，日本在柏崎市也建 设其国家内的第一个智能停车系统。等到 1986 年时，在德国的科隆市完成建成了具有历史跨越性的智能停车系统。 1988 年，德国西部的科隆市是
9、一个现代化的大都市，该市在过去的基础上对车位系统进行了多方面的改进，建设了一个集多功能为一体的控制中心。可以看出，国外在这方面起步较早，目前在很多发达国家，例如美国、德国等，技术己经很成熟，形成了功能完善的智能化车位管理系统。 1.2.2 国内发展现状 目前的停车场数量也在不断增长，但最重要的问题还是“一车难停”的问题。要解决这个难题，一方面是加大现有停车场的建设；另一方面 是运用科学的管理方式解决停车场车位闲置使用效率低的问题，为人们的停车带来方便，从而合理利用资源。对于现阶段来说，解决现有停车场车位使用率低成为当务之急。因此需要有一套科学的、高效的智能车位管理系统来解决现阶段的关键问题。
10、虽然现阶段对城市停车场管理的相关研究很多，但是大多数的停车管理是将车辆引导进入停车场后，没有很好的帮助管理员和驾驶员快速确定停车场内是否有空闲的车位。因此，针对此问题本文进行了智能车位管理系统的研究。 经过深切解析和市场调研获得目前停车场的状况。通过对国内外智能停车场先进技术的取其精华去其 糟粕后，进行的先进技术整合和创新，并且针对我国特有国情下的各个城市特点的综合分析后，开发并设计了具有完善体系和架构的智能车位管理系统。 然而我国到了上个世纪九十年代期间，才正式开始投入力量研究智能化交通系统，我国经过多年的不断努力和技术不断创新的发展，我国也在智能化交通系统的智能车位管理系统的市场方面逐渐取
11、得了一定程度的科研成果。对于智能车位管理系统我国国内第一个建设完成使用此项目系统的城市是首都北京，北京市将智能车位管理系统部署在本科生毕业设计（论文） 3 王府井区域内并且实施完成，智能车位管理系统将王府井地区停车场 80%以上的停车 位连通在一起，使得整个区域内的停车场成为一个大的智能化网络设施。 2010 年，上海市建成了集信息采集处理于一体的智能化停车场系统。截止到目前为止，我国国内的城市智能车位管理建设的城市主要有北京、厦门、沈阳、成都、西安、广州、重庆、深圳、南京等大约 20 多个城市。我国的智能化车位管理系统的发展时间不长，与国外发达国家相比，智能化停车场的建设相对落后，系统有待改
12、善。 对于目前多年的国内智能停车场的车位管理系统应用方案和经验之后，本系统对于停车位的检测方案主要是选择由超声波传感器制作的的超声波车位检测模块作为停车场车 位使用状况的数据信息采集系统的核心重要组成部分，同时把数据信息的传输系统，由温湿度传感器制作的环境温度检测模块等共同构成了智能车位管理系统。通过介绍系统的概念，解析系统的架构和特点功能，硬件及软件来更好的帮助了解认知智能车位管理系统，为我们的日常生活提供更大的方便。 1.3 课题来源与本文主要研究内容 本课题来源于毕业实习。在大庆市交投公共汽车有限公司的实习经历让我萌生了设计智能车位管理系统的想法，并在张兴老师的帮助下最终实行。 本设计主
13、要任务是完成智能车位管理系统的整体方案的开发设计研究。主要方式是通过超 声波传感器测距确定车位上是否有车辆，通过温湿度传感器检测车场环境温度信息，然后通过 Zigbee 技术将信息发送到上位机进行处理，并将处理结果在上位机上显示。 本文的主要章节内容安排如下： 第一章 、绪论 第二章 、需求分析 第三章 、可行性分析及相关技术介绍 第四章 、智能车位管理系统总体设计 第五章 、超声波车位检测模块设计 第六章 、环境温度检测模块设计与上位机设计 第七章 、总结本科生毕业设计（论文） 4 第 2 章 需求分析 2.1 系统功能需求 系统需求分析是在业务需求和用户需求的基础上，将现实生活中具象的概念
14、抽象成系统层面的组成要素，进而得出系统的逻辑模型，并为系统设计提供依据。系 统需求分析是系统设计和开发的前提和基础，用于确定系统功能、结构等，反映的是业务层面概念，一般不涉及具体的系统及实现细节，确定系统的逻辑模型，为下一步的系统开发提供方案。 本设计主要包括车位检测和环境温度检测两个功能： （ 1）车位检测：现阶段车场管理的主要困难就是难以确定车位使用状况。传统的人工统计过于浪费人力和时间。本设计采用超声波测距的方法自动监测车位使用情况。具体是通过在车位下方布置超声波传感器进行测距，当测到距离小于三米时，判定车位上有车辆。当测到距离大于三米时，判定车位上没有车辆。以此来检测车位使用 状况。
15、（ 1）环境温度检测：车场温度对于车辆养护有着非常重要的影响。在北方冬天，车场温度过低还会导致车辆启动难、刚洗过车的车辆车窗易被冻住等问题。在本设计中，采用了温湿度传感器来检测环境温度。便于车场管理者及时了解车场温度情况。 2.2 数据流图分析 数据流图反映了系统数据的具体流向，同时也展现了系统每个功能模块中所涉及到的数据流以及相关数据存储。通过对系统功能需求分析过程，得到系统数据流图如图 2-1所示。 主控板温度检测车位检测车位检测上位机图 2.1 数据流图 2.3 系统工作流程图 本科生毕业设计（论文） 5 开始系统开启是否有车进入否是是否有空车位 否 汽车离开是拍照上传被占车位号汽车是否
16、还在否上传车位空闲是结束图 2.2 系统流程图 本科生毕业设计（论文） 6 第 3 章 可行性分析及相关技术介绍 3.1 技术可行性 本系统是为了方便车位管理而设计的系统。主要包括硬件和软件两方面内容。 硬件方面，本设计主要采用的是 CC2530 开发板和 US-100 声波测距传感器， dht11温度传感器。主要采用的技术是传感器技术。所采用的硬件完全能满足此系统的需要。 软件方面，本系统用到的主要工具为 IAR Embedded Workbench 开发环境。目前已经相当成熟，具备技术可行性。 3.2 经济可行性 本系统作为一个毕业设计，无需开发经费，并且本系统实施后可以显著提高车位管理效
17、率，有助于实现车位自动管理。所以本系统在经济上是可行的。 3.3 社会可行性 目前停车难、车难停、难停车的问题越来越严重，交通压力不堪重负，在公共场所停车位本就紧张的情况下，车主因为不清楚停车位的情况只能临时寻找，这就导致有些地段的停车位十分紧张，而有些地段停车位则相对空闲的局面，这对于资源本就紧张的当今社会显得尤为突出，无形中也加剧了交通拥堵压力和资源利用率 。本系统的宗旨就是实时显示车位信息，缓解交通压力。因此，本系统具备社会可行性。 3.4 系统使用的相关技术介绍 3.4.1 Zigbee 技术概述 现在， ZigBee 的中文译名为“紫蜂”。其英文命名的灵感来源是 :外形小巧玲珑、消耗
18、能量也少的蜜蜂会通过跳舞来向同伴传递新发现的花粉的方向和距离等重要信息，这一特点与 ZigB ee 的主要技术特点极为相似。 3.4.2 Zigbee 技术特点 ZigBee 技术包含的特点主要有以下几点 : (1)功耗低：这是 ZigBee 技术的重要特点之一。 ZigBee 设备自带发射功率控制方 式，并支持设备体眠来降低功耗。一般的普通干电池就可以支撑它工作几个月以上。 (2)组网能力强： ZigBee 网络可采用星型、树型和网状等拓扑结构。网络最大可支持 65000 个节点。 (3)成本低： ZigBee 协议比蓝牙协议更为简化，从而降低了对硬件设备的要求 ;同时，因为使用 ZigBe
19、e 协议不需要付费，从而使 ZigB ee 设备的价格得到了降低。 (4)安全性高：提供了三种不同的安全模式，通过在实际的应用案例中灵活选用不同本科生毕业设计（论文） 7 的模式，可以有效地保证传输数据的安全。 (5)通信距离扩展力强：一般而言， ZigBee 设备的通 信距离在 10 到 100 米之间，但这并不是 ZigB ee 网络的最大通信距离。在增强 ZigBee 设备的发射功率后，可以达到数百米之远。同时，如果通过路由器之间的不断转发，通信距离还可以达到更远。 (6)可靠性高：该技术使用的数据传输机制，能够确保数据的完整发送。 3.4.3 Zigbee 协议简介 ZigBee 无线
20、网络协议根据国际标准化组织 (ISO)提出的开放式通信系统互联参考模型 (Open System Interconnection Reference Model，即 OSI 模型 )修改，定义了其中只涉及ZigBee 通信的层。如图 3.1 所示， ZigB ee 无线网络协议结构由物理层（ PHY）、媒体访问控制层（ MAC）、网络层（ NWK）和应用层（ APL）等组成，其中物理层（ PHY）和媒体访问控制层（ MAC）由 IEEE802.15.4 定义了硬件的技术规范，网络层（ NWK）和应用层（ APL）由 ZigBee 联盟定义了软件的技术规范。 图 3.1 ZigBee 无线网络协
21、议结构 3.4.4 CC2530 芯片介绍 CC2530 芯片由 TI 公司于 2009 年推出，是一个真正的片上系统 (SoC)解决方案。能本科生毕业设计（论文） 8 够支持 ZigBee, ZigBee PRO 和 ZigB eeRF4CE 标准。该芯片集成了业界通用的增强型8051 单片机内核，与上一系列的 CC2430 芯片相比，该芯片拥有更大的闪存空间，并对RF 功能进行了增强改进。这些年来，该芯片在消费电子、智能家居、交通监控等领域都有着广泛的应用。该芯片的主要特性如下： （ 1）强大的无线通信能力：内置符合 IEEE802.15.4 标准的 2.4GHz 射频收发器，性能一流的
22、49dB 相邻通道抑制技术，卓越的链路预算（ 102dBm）。 （ 2）丰富的低功耗控制： 24mA 的接收模式， 29mA 的发送模式， 0.2mA 的 4 微秒唤醒功耗模式 1， luA 的睡眠计时器运行功耗模式 2， 0.4 u A 的外部中断功耗模式 3。 （ 3）高性能的单片机内核：内部集成业界通用的增强型 8051 单片机内核，内置高达 256KB 的可编程闪存和 8KB 的内存，支持硬件调试功能。 （ 4）丰富的外设资源：功能强大的 5 通道 DMA，可配置分辨率的 8 通道 12 位 ADC，AES-128 加密安全协处理器，两个强大的全双工串口， 21 个通用数字输入 /输出
23、引脚，符合 IEEE 802.15.4 标准的 MAC 定时器，一个 16 位通用定时器， 2 个 8 位通用定时器等。 3.4.5 IAR Embedded Workbench开发环境简介 本文使用的是 IAR Embedded Workbench for 8051 软件来进行 ZigBee 无线通信的软件设计。 IAR Embedded Workbench(简称 EW)是 IAR System 公司出品的一款高性能的集成开发环境，它的不同产品可以分别用于对 8 位、 16 位和 32 位的单片机或者微处理器进行程序编译、代码链接、程序下载和在线调试等操作。 IAR Embedded Wor
24、kbench 具有以下主要特点： （ 1）统一的解决方案：如图 3.2 所示，该软件对各种各样 不同架构的单片机或者微处理器，都提供了几乎一模一样的使用界面和操作方法，从而减轻了用户的学习成本。 （ 2）无缝集成工具链：该软件在同一个开发环境中集成了包括 C/C+交叉编译器和汇编器等在内的各种各样的工具，并且能同第三方的仿真器驱动、编译器、代码编写等工具联动使用，使用户能够在同一个开发环境中进行完整的软件开发工作。 （ 3）芯片级支持：该软件不光支持各种各样的单片机和微处理器内核，还能提供芯片级的支持，以及提供常用芯片的示例代码等，大大加快了用户的开发速度。 （ 4） C/C+优化编译器：该软件内置的 C/C+交叉编译器性能优良，能够最大限度地编译出体积小而且速度快的代码，并且可以根据不同的优化需求，直接在开发环境中调节优化方式和级别。 （ 5）强大的 C-SPY 调试器：与传统的只支持代码行单步操作的调试器不同， IAR Embedded Workbench 内置的 C-SPY 编译器可以提供函数级的单步操作控制，并能灵活地设置代码断点和数据断点。 （ 6）支持硬件仿真器： IAR Embedded Workbench 不光可以支持芯片公司提供的标
