基于ZigBee的智能車庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

荊鵬宇 李 廣 許田正 鄭鵬輝 于海霞

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院電子與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116000）

0 引言

近年來，我國的綜合國力和經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們的生活水平也不斷提高，以前只有富裕人群才能夠使用的汽車，如今在普通老百姓的生活中也隨處可見[1]，這便導(dǎo)致國內(nèi)汽車數(shù)量的大幅度增加；同時(shí)，普通老百姓開車自駕游、使用汽車日常上下班等活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致城市交通出現(xiàn)擁堵、停車的困難。

針對(duì)我國停車?yán)щy的問題，最直接有效的方法是增加停車位和車庫的數(shù)量，以滿足不斷增加的停車需求，但是在現(xiàn)代化城市中，土地資源不足，增加大量車庫的解決辦法很難行得通。因此，通過提高車庫的管理水平、增加智能化的技術(shù)來優(yōu)化車庫管理的方法更為合理。利用智能車庫的企劃來提高整個(gè)車庫的智能化、自動(dòng)化和信息化，就不需要使用大量人力資源來完成相關(guān)工作，采用人工智能的方法進(jìn)行科學(xué)高效的管理運(yùn)營，可以節(jié)省大量的成本，而且保證了數(shù)據(jù)更新的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。通過實(shí)時(shí)更新車庫中的車輛停泊信息，可以及時(shí)更新空閑車位的信息，并且還可以精確地計(jì)算車輛進(jìn)出車庫的時(shí)間，從而計(jì)算應(yīng)當(dāng)收取的停車費(fèi)用。

該文將ZigBee 無線通信技術(shù)、圖像智能識(shí)別技術(shù)與車庫管理相結(jié)合，設(shè)計(jì)制作了基于ZigBee 的智能車庫，優(yōu)化了車庫管理方式，解決了“停車慢、停車難”的問題。

1 基于ZigBee 的智能車庫設(shè)計(jì)方案

1.1 紫蜂（Zigbee）技術(shù)

紫蜂（ZigBee）技術(shù)是一種新興的信息傳輸技術(shù)，其具有使用頻率較低、傳輸速率較低、時(shí)間延遲較低、能量消耗較低以及系統(tǒng)投入成本較低等特點(diǎn)，因此在一些自動(dòng)控制領(lǐng)域和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用，其在應(yīng)用過程中簡單方便，易于操作。ZigBee 技術(shù)除了具有以上鮮明的特點(diǎn)之外，還擁有良好的定位功能，因此也廣泛應(yīng)用于軍事和一些建筑領(lǐng)域。ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)容量較大，可以允許多個(gè)設(shè)備進(jìn)行相互連接以及允許不同類型的設(shè)備相互傳遞數(shù)據(jù)，形成網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，ZigBee 技術(shù)與藍(lán)牙（bluetooth）技術(shù)、2.4G 技術(shù)以及射頻技術(shù)相比，其多樣化、靈活性的特點(diǎn)十分顯著。

近年來，ZigBee 技術(shù)的市場份額持續(xù)增加，其網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低的特點(diǎn)深受人們的喜愛。市場調(diào)研機(jī)構(gòu)ABI Research 的研究數(shù)據(jù)顯示，ZigBee 的市場份額在2005—2012年的增加率為63%，在2012 年ZigBee 的市場份額已經(jīng)達(dá)到了3.5 億，ZigBee 的市場應(yīng)用廣泛，可以在電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)外設(shè)、電子玩具、醫(yī)療、工業(yè)以及房屋等領(lǐng)域中應(yīng)用。

1.2 功能概述及設(shè)計(jì)框圖

基于ZigBee 設(shè)計(jì)的智能車庫主要可以分為智能車庫發(fā)射端和智能車庫接收端2 個(gè)部分。

如圖1 所示，智能車庫發(fā)射端可以控制攝像頭監(jiān)測模塊，對(duì)車輛的車牌進(jìn)行圖像處理，無論是想要進(jìn)入智能車庫，還是要駛出智能車庫的車輛，智能車庫發(fā)射段都會(huì)利用攝像頭監(jiān)測模塊對(duì)車輛的車牌進(jìn)行快速智能識(shí)別，一旦智能車庫發(fā)射端成功識(shí)別車牌，便會(huì)對(duì)該車牌數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，然后發(fā)送給ZigBee 無線通信發(fā)射模塊，ZigBee 無線發(fā)射模塊會(huì)對(duì)該車牌數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制處理，將其變成ZigBee 無線通信信號(hào)，并將含有車牌識(shí)別數(shù)據(jù)的ZigBee 無線通信信號(hào)發(fā)送給智能車庫接收端。

圖1 智能車庫發(fā)射端設(shè)計(jì)框圖

如圖2 所示，基于ZigBee 設(shè)計(jì)的智能車庫接收端在接收到智能車庫發(fā)射端發(fā)送的含有車牌識(shí)別數(shù)據(jù)的ZigBee 無線通信信號(hào)之后，會(huì)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，解調(diào)出其中含有的車牌識(shí)別數(shù)據(jù)，并對(duì)該車牌識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷和處理，并根據(jù)不同車輛的實(shí)際情況，控制LCD12864 液晶顯示模塊顯示當(dāng)前車輛的收費(fèi)情況。

圖2 智能車庫接收端設(shè)計(jì)框圖

2 基于ZigBee 的智能車庫硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee 無線通信模塊

在眾多的無線通信模塊中，ZigBee 無線通信模塊憑借其低功耗、近距離、低時(shí)延以及專攻低速率傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，在智能車庫設(shè)計(jì)應(yīng)用上脫穎而出。在ZigBee 無線通信模塊片上系統(tǒng)SOC 解決方案中，CC2530 芯片是最具代表性的，因此該文采用以CC2530 芯片為核心的ZigBee 無線模塊、以CC2530芯片為核心的ZigBee 無線通信模塊。

CC2530 芯片內(nèi)部集成了當(dāng)今性能最優(yōu)良最權(quán)威的RF無線射頻收發(fā)器，且同時(shí)適用于2.4 GHz、IEEE802.15.4、ZigBee 與RF4CE 應(yīng)用的第二代SOC 片上系統(tǒng)CMOS 解決方案，可以更為準(zhǔn)確地進(jìn)行無線控制[2]。

2.2 智能車庫發(fā)射端

基于ZigBee 設(shè)計(jì)的智能車庫發(fā)射端主要由5 V 直流電源、攝像頭監(jiān)測模塊、核心處理器STM32 單片機(jī)以及ZigBee無線發(fā)射模塊組成。

ZigBee 智能車庫發(fā)射端在工作時(shí)會(huì)利用OV7670 攝像頭監(jiān)測模塊對(duì)想要進(jìn)入智能車庫或者要駛出智能車庫的車輛的車牌進(jìn)行準(zhǔn)確掃描，并將掃描后的數(shù)據(jù)發(fā)送給核心處理器STM32 單片機(jī)進(jìn)行處理，STM32 單片機(jī)會(huì)對(duì)掃描到的車牌進(jìn)行圖像處理，并生成車牌識(shí)別數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee 無線發(fā)射模塊，ZigBee 無線通信發(fā)射模塊對(duì)該車牌識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制處理，將其調(diào)制成在空氣中抗干擾能力強(qiáng)的ZigBee 無線射頻信號(hào)，并將該ZigBee 無線射頻車牌識(shí)別信號(hào)發(fā)送給智能車庫接收端。

2.2.1 核心處理器

智能車庫發(fā)射端的核心處理器為STM32 單片機(jī)。STM32單片機(jī)是性價(jià)比非常高的32 位微型處理器，同時(shí)也是嵌入式系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種單片機(jī)。

STM32 單片機(jī)是由意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的32 bit 系列的微型處理器，其內(nèi)部資源比8051、AVR 等單片機(jī)多很多，可以在手機(jī)、平板等智能設(shè)備上應(yīng)用，STM32 單片機(jī)CPU 的功能強(qiáng)度堪比計(jì)算機(jī)CPU。STM32 單片機(jī)的內(nèi)核為ARM32 位Cortex-M3CPU，工作頻率可以達(dá)到72 MHz，其內(nèi)部擁有Flash 存儲(chǔ)器和SRAM 存儲(chǔ)器，儲(chǔ)存容量分別高達(dá)32 KB～512 KB 和6 KB～64 KB，工作電壓與I/O 接口的驅(qū)動(dòng)電壓為2.0 V～3.6 V，其內(nèi)部有40 kHz 的RC 振蕩電路，可以作為時(shí)鐘電路使用，I/O 快速端口高達(dá)112 個(gè)，定時(shí)器共有11 個(gè)，通信接口共有13 個(gè)[3]。ZigBee 智能車庫接收端的核心處理器是STC89C51 單片機(jī)。

2.2.2 OV7670攝像頭模塊

該設(shè)計(jì)利用OV7670 攝像頭模塊對(duì)車輛的車牌進(jìn)行智能識(shí)別。

雖然OV7670 攝像頭模塊的CMOS 圖像傳感器像素時(shí)鐘（PCLK）可以達(dá)到24 MHz，但是STM32 單片機(jī)的工作頻率是72 MHz，由于STM32 單片機(jī)與攝像頭模塊的工作頻率不同，STM32 單片機(jī)的I/O 口想要直接讀取OV7670 攝像頭模塊的數(shù)據(jù)是十分困難的，且十分占用CPU 資源，因此使用帶FIF0 OV767070 的攝像頭模塊，該模塊擁有一個(gè)FIFO 幀存儲(chǔ)芯片AL422B，可將OV7670 模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FIFO 中，這樣STM32 單片機(jī)只需要根據(jù)時(shí)序邏輯[4]在數(shù)據(jù)讀取引腳上生成脈沖來讀取FIFO 中的數(shù)據(jù)即可。

2.3 智能車庫接收端

基于ZigBee 設(shè)計(jì)的智能車庫接收端主要由電源電路、ZigBee 無線接收模塊、核心處理器以及LCD12864 液晶顯示模塊組成。

ZigBee 智能車庫接收端會(huì)利用ZigBee 無線接收模塊接受來自智能車庫發(fā)射端所發(fā)射的ZigBee 無線射頻車牌識(shí)別信號(hào)，ZigBee 無線接收模塊在接收到無線車牌識(shí)別信號(hào)之后，會(huì)將其解調(diào)成智能車庫接收端核心處理器可以識(shí)別的車牌識(shí)別數(shù)據(jù)，智能車庫接收端核心處理器為STC89C51 單片機(jī)，STC89C51 單片機(jī)會(huì)對(duì)車牌識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷，例如ZigBee 智能車庫接收端會(huì)對(duì)第一次識(shí)別的車牌進(jìn)行計(jì)費(fèi)操作，而對(duì)第二次識(shí)別的車牌進(jìn)行停止計(jì)費(fèi)操作。并且智能車庫接收端核心處理器會(huì)將車牌號(hào)以及收費(fèi)的具體金額顯示在LCD12864 液晶顯示模塊上。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)上主要由2 個(gè)部分組成：智能車庫發(fā)射端程序設(shè)計(jì)和智能車庫接收端程序設(shè)計(jì)。此外，智能車庫發(fā)射端對(duì)進(jìn)入和駛出車庫的車輛進(jìn)行車牌識(shí)別，因此還涉及較為重要的車牌識(shí)別技術(shù)。

3.1 車牌識(shí)別技術(shù)

早在20 世紀(jì)70 年代，英國的有關(guān)學(xué)者就開展了關(guān)于車牌檢測的相關(guān)研究，開發(fā)了一個(gè)用于被盜車輛的車牌識(shí)別監(jiān)控系統(tǒng)。此后車牌識(shí)別也取得了許多成就。國外的車牌識(shí)別技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，國外的車牌字符單一，而且格式規(guī)范有序，相對(duì)比較容易識(shí)別，這對(duì)我國的車牌識(shí)別技術(shù)具有很好的參考價(jià)值。自我國引入車牌識(shí)別技術(shù)以來，國內(nèi)的學(xué)者就針對(duì)我國的車牌特點(diǎn)研究出了許多行之有效的算法，例如中科院自動(dòng)化研究所劉志勇等人開發(fā)出的車牌定位和車牌識(shí)別的準(zhǔn)確率就很高，南京大學(xué)熊軍等人研究的車牌字符位置定位算法正確率也在96%以上。

車牌識(shí)別技術(shù)是智能車庫的重要組成部分，車牌識(shí)別技術(shù)可對(duì)車輛的唯一身份證——車牌號(hào)碼進(jìn)行智能識(shí)別，該技術(shù)涉及圖像處理、模式識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)。車牌識(shí)別技術(shù)的工作原理是當(dāng)車輛在攝像頭的識(shí)別范圍內(nèi)且車輛觸發(fā)了車牌識(shí)別檢測的檢測裝置時(shí)，攝像頭便會(huì)對(duì)該車牌進(jìn)行拍照，并將照片圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給圖像處理器，處理器便會(huì)對(duì)該車牌照片進(jìn)行圖像預(yù)處理、車牌定位、字符分割以及字符識(shí)別等一系列的分析和處理[5]，最終識(shí)別車牌的相關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制中心。

車牌定位就是根據(jù)車牌照片對(duì)車牌進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并且對(duì)車牌進(jìn)行提取。字符分割就是在車牌成功定位成功之后（車牌的區(qū)域已經(jīng)被選擇了出來），對(duì)車牌中的字符進(jìn)行分割和識(shí)別，準(zhǔn)確地識(shí)別車牌上的漢字?jǐn)?shù)字以及字母，因此需要將每個(gè)字符從車牌圖片中進(jìn)行分割，形成單個(gè)字符圖像，然后提取出來，這會(huì)影響后面的字符識(shí)別。

字符識(shí)別環(huán)節(jié)決定了車牌識(shí)別系統(tǒng)的性能，該設(shè)計(jì)對(duì)車牌照片進(jìn)行預(yù)處理、車牌定位、字符分割以及歸一化處理之后，就得到了規(guī)格相同的字符圖像，該設(shè)計(jì)需要提取該圖像的特征，然后對(duì)圖像進(jìn)行分析，準(zhǔn)確識(shí)別出字符圖像中的字符，這樣該設(shè)計(jì)的車牌識(shí)別過程才算完成。字符識(shí)別算法是車牌識(shí)別系統(tǒng)中最核心的一個(gè)環(huán)節(jié)[6]，其精準(zhǔn)性和實(shí)效性決定了車牌識(shí)別系統(tǒng)的性能。

3.2 智能車庫發(fā)射端程序設(shè)計(jì)

首先，智能車庫發(fā)射端在上電成功后，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行初始化；其次，攝像頭模塊、核心處理器、ZigBee 無線發(fā)射模塊以及液晶顯示屏模塊都會(huì)同時(shí)進(jìn)行初始化。在初始化成功之后，整個(gè)智能車庫發(fā)射端會(huì)處于一個(gè)等待檢測車牌的狀態(tài)。如果沒有檢測到車牌，那么ZigBee 智能車庫發(fā)射端便會(huì)一直處于等待狀態(tài)，一旦攝像頭監(jiān)測范圍內(nèi)出現(xiàn)了圖像，智能車庫發(fā)射端便會(huì)判斷是否檢測到車牌，如果沒有檢測的車牌，那么繼續(xù)處于等待檢測車牌的狀態(tài)。如果檢測到車牌，那么智能車庫發(fā)射端會(huì)利用車牌識(shí)別技術(shù)對(duì)該車牌照片進(jìn)行圖像預(yù)處理、車牌定位、字符分割、歸一化處理以及字符識(shí)別等一系列操作分析車牌數(shù)據(jù)。ZigBee 智能車庫發(fā)射端核心處理器會(huì)對(duì)識(shí)別出的車牌數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給ZigBee 無線發(fā)射模塊，ZigBee 無線發(fā)射模塊會(huì)對(duì)車牌識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制處理，將車牌識(shí)別數(shù)據(jù)調(diào)制成ZigBee射頻無線通信信號(hào)，并將含有車牌識(shí)別數(shù)據(jù)的ZigBee 無線射頻信號(hào)發(fā)送給智能車庫接收端。

3.3 智能車庫接收端程序設(shè)計(jì)

智能車庫接收端在成功上電后，ZigBee 無線接收模塊、核心處理器以及LCD12864 液晶顯示模塊會(huì)進(jìn)行初始化，智能車庫接收端便會(huì)處于等待ZigBee 無線通信信號(hào)的狀態(tài)。為了方便演示和解釋該設(shè)計(jì)的軟件功能，將智能車庫的車位數(shù)量設(shè)計(jì)為2 個(gè)，分別為一號(hào)停車位和二號(hào)停車位。

如果智能車庫接收端沒有接收到無線通信信號(hào)，那么就會(huì)一直處于等待狀態(tài)，一旦智能車庫接收端接收到含有車牌識(shí)別數(shù)據(jù)的無線通信信號(hào)，ZigBee 無線接收模塊便會(huì)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，將其解調(diào)成智能車庫接收端核心處理器能夠識(shí)別的車牌識(shí)別數(shù)據(jù)，此后，智能車庫接收端核心處理器便會(huì)對(duì)該車牌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

如果該車牌數(shù)據(jù)是第一次被識(shí)別，那么智能車庫接收端便會(huì)對(duì)該車牌數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，并且會(huì)依次對(duì)一號(hào)停車位和二號(hào)停車位進(jìn)行檢測，然后引領(lǐng)該車牌數(shù)據(jù)所屬車輛進(jìn)入空缺停車位，同時(shí)開始對(duì)該車輛的計(jì)費(fèi)。如果該車牌數(shù)據(jù)是第二次被識(shí)別，那么就關(guān)閉該車輛在智能車庫中的計(jì)費(fèi)。如果當(dāng)前狀態(tài)下，車庫內(nèi)的車位已滿，智能車庫接收端核心處理器就會(huì)控制LCD12864 液晶顯示模塊，在液晶屏上顯示“非常抱歉，車位已滿”。

4 結(jié)語

該文在設(shè)計(jì)過程中力求解決社會(huì)中存在的一些停車問題。該文將車牌識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在基于ZigBee 設(shè)計(jì)的智能車庫上，利用車牌識(shí)別技術(shù)，可以對(duì)進(jìn)出停車場車輛的車牌進(jìn)行監(jiān)測，從而實(shí)時(shí)了解每個(gè)車輛的信息。在對(duì)停車位的檢測方面，該文采用系統(tǒng)軟件對(duì)各個(gè)停車位車牌數(shù)據(jù)進(jìn)行相互對(duì)比的方式來對(duì)停車位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)車位的實(shí)時(shí)檢測，另外從雙重確認(rèn)的角度考慮，該設(shè)計(jì)可以在各個(gè)停車位增加車位檢測模塊，這樣車位檢測模塊與核心處理器對(duì)各個(gè)停車位車牌數(shù)據(jù)的相互對(duì)比結(jié)合起來，將會(huì)大大提升該智能車庫智能化和可靠化管理的效率。