基于ＺｉｇＢｅｅ的智能车库系统研究与实现 ・６９・ 基于ＺｉｇＢｅｅ的智能车库系统研究与实现 王作成，摆玉龙 （西北师范大学物理与电子信息工程学院，甘肃兰州７３００７０） 摘要：提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ的智能车库系统的实施方案，通过多节点、自组织的传感器网络，实现了 智能车库系统。介绍了系统的构成和工作原理，主要采用了以ＣＣ２４３０为核心的一套嵌入式ＺｉｇＢｅｅ应 用片上系统作为节点处理单元，利用无线通信模块使节点与节点之间形成自组织网络结构，实现信息的 传递。设计的智能小车能准确识别道路，较好地完成了各项设计功能。 关键词：ＺｉｇＢｅｅ技术；飞思卡尔单片机；智能车库；自组织网络 中图分类号：ＴＮ９１５．０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８８２９（２０１３）０１—００６９—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｇａｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ＷＡＮＧ Ｚｕｏ—ｃｈｅｎｇ，ＢＡＩ Ｙｕ—ｌｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏａｈｗｅｓｔ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｇａｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌ— ｔｉｐｌｅ ｎｏｄｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏ— ｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ＣＣ２４３０ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＺｉｇＢｅｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ ａ ｎｏｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔＯ ｆｏｒｍ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｉｎ－ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｒｏａｄ，ａｎｄ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｕｎｃ— ｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ ＭＣＵ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｇａｒａｇｅ；ｓｅ ｆ ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ 车联网是通过装载在车辆上的无线射频等识别技 术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和 静态、动态信息进行提取和有效利用，根据不同的功能 要求对所有车辆的运行状态进行有效的监管并提供综 合服务。车联网时代的到来将会推动更多无线技术的 应用和普及，它将作为物联网的一个应用，在人们的日 常生活中逐步成熟。智能车库作为车联网的一部分， 是解决小区停车难的有效手段之一。智能车库以其布 置灵活、能耗低、性价比高、安全可靠等优点，越来越受 到人们的青睐，其中升降横移类的车库在国内应用最 为广泛¨ 。本文设计研究的基于ＺｉｇＢｅｅ的智能车库 系统，利用节点的自组织网络结构，来实现节点与节点 之间的通信，有效地完成了信息的传递过程，加强了车 辆入库行驶的安全性。 ＺｉｇＢｅｅ是ＩＥＥＥ ８０２．１５．４协议的代名词，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 ］。ＺｉｇＢｅｅ可工作在２．４ ＧＨｚ频段上，具有 最高２５０ ｋｂｉｔ／ｓ的传输速率，目前工作在这个频段的 还有蓝牙、无线局域网ｗｉ—Ｆｉ等其他无线通信技术。 然而ＺｉｇＢｅｅ提供了很多机制来保证和其他无线标准 共存，它有１６个信道，提供基于循环冗余校验（ＣＲＣ） 的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用 ＡＥＳ．１２８的加密算法，保证了通信信息的安全性。 ｌ 系统结构总体设计 智能车库系统主要运用到了ＺｉｇＢｅｅ技术 ，它可 收稿日期：２０１２—０４—０５ 使几种不同类型的节点联系起来，组成动态的拓扑网。 整个系统的节点类型可分为：路况节点、车库节点、车 辆节点、路口路由节点等，所有类型节点具有唯一的 ＩＥＥＥ地址和网络地址。另外还有协调节点的协调器 以及主控室。智能车库网络拓扑图如图１所示。整个 系统的信息传递过程为：当一辆带有ＺｉｇＢｅｅ节点的车 辆驶入基于ＺｉｇＢｅｅ网络的智能车库系统后，它会找到 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１０６１０３８） 作者简介：王作成（１９８６一），男，湖南张家界人，硕士研究生，主 要研究方向为计算机测量与控制；摆玉龙（１９７３一），男，回族， 甘肃会宁人，副教授，博士，主要研究方向为机电系统的设计与 研究。 ・７０・ 离自己车辆最近且已组建好的ＺｉｇＢｅｅ网络，并加入它 们，形成一个由车辆节点为终端的网络。随着车辆的 行驶，ＺｉｇＢｅｅ网络会不停地更换，接收到不同的消息。 其信息的流向如图１中箭头所示。 ①路况节点：收集附近路况信息，包括车流量、车 辆速度等信息，并反馈给车辆。 ②车库节点：将汽车入库的信息收集发送到主控 室，以及给汽车发送入库信息。 ③车辆节点：将汽车信息发给车库，并对车库发 出请求入库信号，接收应答信号。 ④路Ｅｌ路由节点：起到基站的作用，并发送路口 停止超车信号。 ⑤协调器：收集车辆入库信息，包括车辆的ＩＤ号 等 ｌ某 ！小 Ｃ栋 ｌ区 ：平 ＋ Ｂ栋 ● ： ： Ａ栋 ＇『ｌ 。 茸／ 国路电器 ｜ ＼ 路况节点 册 ＞＜ ｌ ｉ。ＺｉｇＢｅｅ网络区域 ：．，‘ ／ 。 Ｄ栋 图１ 智能车库网络拓扑图 ２智能车库的模拟实验 智能车库模拟实验包括以下部分：智能小车、车库 的软／硬件设计和模拟场地的搭建。 ２．１ 智能小车、车库的硬件设计 智能小车选用飞思卡尔公司研发的ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８ 单片机作为主控模块，ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８是一款增强型１６ 位单片机，其具有稳定性高、可靠性高、控制能力强、运 算速度快、开发应用简单等特点 ；它提供１６个ｌ０位 模数转换器（ＡＤＣ）接口、８信道的脉冲宽度调制 （ＰＷＭ）、易于扩展的外围电路、很强的高级中断功能； 带有追踪缓存的片上单线后台调试模式（ＢＤＭ），具有 很高的性价比。该芯片具有方便的下载调试接口，可 以方便地下载调试程序，这很大程度上简化了系统的 开发和调试的复杂度。然后使用光敏二极管（灰度） 《测控技术））２ｏ１３年第３２卷第ｌ期 传感器作为检测装置检测小车循迹和小车入库边界，４ 块ＢＴＳ７９６０芯片作为减速电机的驱动，即４轮坦克式 模型减速电机，这样的设计提高了小车的转弯速度和 走直线的准确度。智能小车的原理框图如图２所示。 稳压模块 电源转换模块 １３Ｖ电压Ｉ ５Ｖ电压 、 驱动 电机 ｌ采集Ｅ二 ＞ ｌ模块ｌ ＭＣ９ＸＳ１２８ Ｓ１２一 — ＣＣ２４３通信 ０ 模块 控制模块 模块 图２智能小车的原理框图 智能小车和车库的发射与接收模块由Ｃｈｉｐｃｏｎ公 司推出的ＣＣ２４３０来实现 。ＣＣ２４３０是一套嵌入式 ＺｉｇＢｅｅ应用片上系统，其功能模块集成了ＣＣ２４２０ＲＦ 收发器、增强的８０５１ＭＣＵ、３２／６４／１２８ ＫＢ闪存、８ ＫＢ ＳＲＡＭ等高性能模块，并内置了ＺｉｇＢｅｅ协议栈，功耗 很低。ＣＣ２４２０收发器的选择性和敏感性指数超过了 ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准的要求，可确保短距离通信的有 效性和可靠性；其内置的一个数字直接序列扩频调制 调解模块，扩频增益为９ ｄＢ，其数据通信速率可达到 ２５０ ｋｂｉｔ／ｓ。为了保证数据传输的安全，ＣＣ２４３０内部 提供了高级加密标准（ＡＥＳ）的密码协处理器，利用 ＡＥＳ协处理器完成加密解密操作，极大地减轻了ＣＰＵ 的负担。ＣＣ２４３０片上系统外围电路如图３所示。 ＣＣ２４３０ＭＣＵ ＲＥＳＥＴ＿Ｎ Ｐ２．３ＸＯＳＣＱ Ｐ ２ｌ４ｘｏｓｃ ＲＦｌＮ 信息 ＸＯＳＣＱｌ ＴＸＴＲ ＳＷＩＴＣＨ 接收 ＸＯＳＣＱ２ 一ＲＦ Ｐ 发送 电路 图３ ＣＣ２４３０片上系统外围电路 ２．２智能小车入库软件设计 智能小车用灰度传感器读取路面信息，保证小车 的正常行驶。ＺｉｇＢｅｅ网络的建立，是让进入网络的 ＺｉｇＢｅｅ智能小车自由地进行网络拓扑，从而接收到超 车、禁止超车、入库、禁止入库等消息，并执行相应的操 作。智能小车的整个工作流程如图４所示。 当小车行驶在模拟的道路上时，先由灰度传感器 基于ＺｉｇＢｅｅ的智能车库系统研究与实现 获取道路信息，使小车能智能循迹，在循迹的过程中， 不断接收是否有超车、禁止超车、入库或等待等一系列 消息，如果接收到某一个消息，系统自动进行相应的操 作。这样保证了小车行驶、人库的安全性。 图４软件工作流程 ２．３模拟场地的搭建及实验思路 实验中使用了两辆智能小车，标记上甲、乙。先让 乙车在前，甲车在后，它们以相同的行驶速度前行到十 字路口，当甲、乙两车都收到了禁止超车的信号时，甲 车禁止超车，以相同速度继续前行；当乙车和甲车行驶 到能检测到车库节点的位置时，如果甲、乙两车均人 库，甲、乙两车相互发送人库信息并向协调器发送入库 信息，两车减速，分别入库；如果乙车入库，而甲车不入 库，则乙车减速停止前进，并对甲车发送超车信号，甲 车超车前行，乙车入库并将此信息传送给主控室。经 实验验证，上述功能均能实现，且性能可靠。 ３实验与测试结果 为了验证智能小车系统入库的可靠性，利用带有 ＺｉｇＢｅｅ开发平台的Ｐｃ，在实验室内（隔墙）和室外两 种环境下对智能小车入库系统中节点终端与服务器之 间的丢包率、信号强度及接收功率进行了测试，其中接 收功率根据ＣＣ２４３０芯片内建的ＲＳＳＩ（接收信号强度 指示）测得。当接收端发送１０ Ｂ的数据包，通信信道 设定为０ＸＯＢ，其测试结果分别如表１和表２所示。 表１实验室测试结果 ・７ｌ・ 表２室外测试结果 在实验室内场地模型的实验中，由两个小车节点、 一个车库节点，以及一个路口节点构成。各个节点安 装的情况如图５所示。 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ． ．．． 【．．． ．．．．．．．．．．．．．．一 圆圃 ｏＦ—－Ｅ—－ｑ圃 ｌｏ交通节点 ’ｏ车库节点 ｒ－－－－－ｉ ＺｉｇＢｅｅ节点小车 Ａ厍Ｂ厍 图５模拟小区车辆入车库的路线 实验开始，甲、乙两车行驶到十字路口，加入路口 ＺｉｇＢｅｅ子网络，小车监测到路口节点的信号以及路口 节点收到小车反馈信号的标志位置位如表３所示。当 甲、乙小车行驶人车库ＺｉｇＢｅｅ子网络时，加入此网络， 小车监测到车库节点的信号以及车库节点收到小车反 馈信号的标志位置位如表４所示。各节点能依照标志 位的不同作出相应的响应。 表３小车、路口节点标志位置位表 ＩＤ号 名称 接 号 各节点行为 ｏｏ２。１ｏｏ８０ｏｏｏｏｃ８４小车甲节点 ｌ ｇ０ａｇｌ ＝： 监测到路口信号，减速 ｏｏ２。ｌｏｏ８０ｏ０ｏ。ｃ８５小车乙节点 ｌ ｇ０ａｇｌ ＝： 监测到路口信号，减速 …ｏｏｓ一 路口节点 ’ Ｖｌａｇ２＝１ Ｆｌａｇ３＝１ 监测到车库信号，减速 Ｒａｇ２＝１ ｒｉｎｇ３＝１ 监测到车库信号，减速 Ｆｌａｇ００２０１００８０００００Ｃ８７ Ａ车库节点 ＿Ｇ＝１ 监测到小车入库， Ｃｏｕｎｔ２＋＋ 车辆计数器加１ Ｆｌａｇ＿Ｇ＝１ 监测到小车入库， Ｃｏｕｎｔ２＋＋ 车辆计数器加１ ４ 结束语 本系统利用ＺｉｇＢｅｅ动态性网络特点、ＺｉｇＢｅｅ节点 的网状拓扑结构，解决了整个网络线路堵塞等问题，使 带有ＺｉｇＢｅｅ节点的汽车能自由地加入和退出某个已 （下转第７５页） 基于模糊控制的火电厂湿法烟气脱硫系统 遥ｚＡ Ｏ ８ ６ ４ ２ Ｏ ・７５・ ［Ｊ］．环境科学与技术，２００８，３１（１０）：１３５—１３６，１４１． ［４］ 郭瑞堂．石灰石活性和塔内流场对湿法烟气脱硫效率的 影响研究［Ｄ］．杭州：浙江大学，２００８：４６—５６． ［５］ Ｗａｒｙｃｈ Ｊ，Ｓｚｙｍａｎｏｗｓｋｉ Ｍ．Ｏｐｔｉｍｕｍ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａ— ｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ“ｗｅｔ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｆｌｕｅ ｇａｓ ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ Ｓｙｓ— ｔｅｒｎ”［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｅＭ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，２５ （４）：４２７—４３２． ［６］ 李士勇．模糊控制・神经控制和智能控制论［Ｍ］．２版． ０ １Ｏ ２０ ３Ｏ 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２０００：２８７—２９８． 时间／ｓ ［７］ 王沣浩，俞炳丰．模糊控制比例因子与空调系统稳定性关 图５模糊自适应ＰＩＤ控制 表２动态特性指标对比表 从图４和图５以及表２可以看出，使用模糊自适 应ＰＩＤ调节器的控制系统，其超调量小、振荡少、准确 度高，系统比较稳定。 ３．５ ＰＬＣ实现模糊控制算法 模糊控制的算法用查表法实现。先把得到的控制 表１变成存储器易存储的表格，即分别将Ｅ和ＥＣ量 化的ｌ３级变成｛０，１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２｝。 调用ＦＣ８４填表指令，把表１二维数组中，的值按行存 入ＤＢ１０１中。输入值经计算及模糊化和量化得到误 差及误差变化率，并分别对Ｅ和ＥＣ加６，得到的值正 好是二维数组表１的行数和列数减１的值，这样所对 应的，值的地址为：ＥＣ×２６＋２Ｅ（Ｅ、ＥＣ是模糊化后量 化的值），此值即为该功能块的ＩＮＤＸ参数，给ＦＣ８６赋 指定参数后即可查出值。 ４ 结束语 通过分析合理的脱硫参数工艺及模糊控制算法， 建立了湿法烟气脱硫系统的主要参数ｐＨ值的模糊自 适应控制器，并利用Ｍａｔｌａｂ对其进行了仿真。从仿真 图可以看到：模糊自适应ＰＩＤ算法消除了模糊控制所 不能消除的稳态误差；且相对于常规ＰＩＤ控制来说，采 用模糊自整定ＰＩＤ控制，具有较小的超调量，对干扰有 较快的响应，系统能在很短的时间达到稳定，烟气脱硫 效率高，有较高的应用价值。 参考文献： ［１］周至祥，段建中，薛建明．火电厂湿法烟气脱硫技术手册 ［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６：１３—４０，７４—１００，１９６ ——２３１． ［２］韩峻峰，李玉惠．模糊控制技术［Ｍ］．重庆：重庆大学出版 社，２００３：３３—４８． ［３］ 冯静，刘向东．模糊控制在湿法脱硫烟气系统中的应用 系的研究［Ｊ］．电子技术应用，２０００，２６（５）：３５—４０． ［８］楼顺天，胡昌华，张伟．基于ＭＡＴＬＡＢ的系统分析与设 计——模糊系统［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社， ２００１：９６—１１２． 口 （上接第７１页） 组建好的ＺｉｇＢｅｅ区域网络。在协调器组网成功、汽车 节点和车库节点注册完毕后，每个子节点都有唯一的 ＩＤ号，这样保证了消息传递的准确性。在智能小车的 实验及测试中，路口预警、小车入库以及超车等所有预 测的功能都能精准、安全地完成，运行过程稳定、抗干 扰能力强、反应速度快，且实验数据表明，ＺｉｇＢｅｅ网络 通信能达到室内及室外应用的要求。由于ＺｉｇＢｅｅ网 络的拓扑和自组织性，故本系统的扩展性强、通用性 高。将ＺｉｇＢｅｅ技术引入到车库系统中，提高了车库管 理系统对数据传输的有效性和车辆行驶、入库的安全 性，具有一定的推广意义。 参考文献： ［１］ 张强．基于ＭＰＩ的自动化车库监控系统设计［Ｊ］．机械工 程与自动化，２０１１（３）． 高守玮，吴灿阳，杨超，等．ＺｉｇＢｅｅ技术实践教程——基于 ＣＣ２４３０／３１的无线传感器网络解决方案［Ｍ］．北京：北京 航空航天大学出版社，２００９：８—４４． 杨福宝．基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点的研究［Ｊ］．制 造业自动化，２０１１，３３（１９）：８５—８８． 金纯，罗凤，陈峰，等．ＺｉｇＢｅｅ车辆自动识别系统的设计 ［Ｊ］．微计算机信息，２００７，２３（３５）：４１—４３． 刘之琳．全国大学生智能车竞赛与飞思卡尔￥１２单片机 ［Ｊ］．电子技术应用，２００７，３３（８）． 邵星灵，杨卫，王正言，等．基于ＺｉｇＢｅｅ的网域车辆监控 系统的设计［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１１（５）：１０８９— １０９１． 魏瑶，陈闳中．基于无线城域网的智能公交系统设计与实 现［Ｊ］．计算机应用研究，２０１０，２７（２）：６０３—６０６． 徐京莲，韩峻峰，童启武，等．智能传感器在汽车上的应用 ［Ｊ］．传感器与微系统，２００９，２８（８）：５—１１． 口 ］Ｊ，ｊ
