论文总字数：20673字

目 录

一、引言 5

1.1选题的目的和意义 5

1.2国内外现状 5

1.3本文的主要研究 6

二、车位检测技术和无线网络 7

2.1磁阻传感器车位检测原理： 7

2.1.1磁阻效应： 7

2.1.2各向异性磁阻传感器检测原理： 8

2.2 ZigBee技术 8

2.2.1 ZigBee技术特点 8

2.2.2 ZigBee网络结构 9

三、检测系统的硬件电路设计 11

3.1 微处理器模块 12

3.1.1晶振电路的设计 13

3.1.2电源去耦和旁路电路设计 13

3.1.3射频电路的设计 14

3.2电源模块 14

3.3传感器模块 15

3.4串口通信模块 17

3.5 JTAG调试接口 17

3.6 oled显示模块 18

3.7按键和指示灯的设计 18

3.8硬件电路pcb设计 19

四、车位检测系统的软件设计 20

4.1开发环境 20

4.2 I2C总线驱动程序设计: 21

4.3 ZigBee组网技术 23

4.3.1 Z-Stack协议栈结构： 23

4.3.2数据的发送和接收 28

4.3.3串口通信： 29

4.4 车位检测算法 30

五、系统调试 30

5.1系统的硬件调试 30

5.2系统的软件调试 31

5.3系统测试 31

六、总结和展望 35

参考文献 37

致谢 38

基于ZigBee和磁阻传感器的车位检测系统

李豪杰

，China

Abstract：From the point of view of parking space detection ,compared with some of the mature parking space detection means which have the problem of instability，high cost and limited application, this paper comes up with a parking detectors based on magnetic sensor. It is mainly used to solve the parking lot parking problem. This design checks the changes in the magnetic field around the parking spaces to Judge the presence or absence of parking spaces through the measurement of the sensor. It transmits the data by using the ZigBee networking technology. It

can achieve the function of parking space detection at the entrance to the parking lot. It has a certain positive significance in practical application of the parking lot.

Key words: ZigBee magnetic Sensor Parking space detection

一、引言

1.1选题的目的和意义

随着我国社会经济的飞速增长，城镇化和现代化建设的不断推进，人民对于出行的要求越来越高。至2016年上半年，我国汽车数量达到1.8亿，四十多个城市车辆数量达到百万量级。^[1]但是伴随而来的不仅仅是交通拥堵，更是衍生除了一系列如停车困难和环境污染等问题。据统计，世界道路增长的速率始终低于车辆数目增长的速率，在一些发达国家，道路几乎不再增长，这也表明未来车与路的矛盾可能会越来越严重。以停车管理去缓解和解决交通拥堵问题成为许多专家学者的共识。在对待停车问题上，单纯的去增加停车位从长远角度看并不能解决停车问题，限制汽车的使用和通行只能算作权宜之计，且不利于经济的发展。如何去优化停车场资源配置，就显得尤为重要，大范围地、根本上地、以较小的代价去解决停车难的问题。

车位检测信息在整个停车场管理系统中是最底层的信息，掌握了车位信息才能对信息进行整合处理，本设计主要是通过ZigBee技术组网获得终端车位检测节点的信息来实现对于整个车停车场车位监测，车位检测节点方面采用的磁阻传感器探测地磁来获取车位信息。

车位检测系统的目的和意义：

车位检测首先可以非常精确的知道每个车位的信息，不仅解决了驾驶员找车位难，而且解决了偌大停车场的管理问题，间接的减少了汽车尾气排放等了环境污染，同时减少了车流量。停车场较大和人流量较多的情况下，这种优势尤为明显。

1.2国内外现状

车位检测技术的国内外研究现状

车位检测是智能化停车场的一部分，车位检测系统帮助人们减少寻找车位的时间，减少车辆拥堵问题，充分利用停车场资源。车位检测技术已经日趋成熟，现如今比较成熟的车辆检测技术包括超声波、红外、地感线圈等检测方式。国外最早开始进行停车场建设的是日本和德国等国家，在路口和停车场入口处放置电子显示牌，提示驾驶员车位信息。近年来，停车场车位检测已经和^[2]无线通信、^[3]图像处理甚至互联网加技术相结合。

我国对于智能停车场的萌芽在八九十年代，当时我国汽车数量较少，只有少数学者关注智能停车场的建设问题。^[4]郑州解放军学院的孙亮于1996年在借鉴日本等发达国家停车场管理系统的基础上运用超声波检测原理提出了基于超声波的车位检测，但是还是通过有线进行数据传输。在进入21世纪之后，中国人出行方式发生了革命性的变革，汽车成为了人们出行的主流交通工具，停车场各大资金厂商开始加大对于停车场建设的资金投入，停车场管理系统迎来了它的春天。^[5]厦门大学的沈冬萍使用AMR传感器来检测车位，证明了磁场检测方案在车辆检测方面是可行的。^[6]湖南大学的邓应伟射频卡应用于停车场管理和图像处理相结合，结合遗传算法，驾驶员可以通过led屏幕找到最佳停车路线。但是停车场管理系统依旧存在系统造价昂贵，维护成本高，运行不稳定等大量问题，这是停车场管理系统没有得到广泛推广的关键问题，亟待我们去解决。

1.3本文的主要研究

本设计研究内容包括两个方面：一是传感器实现车位检测，二是通过ZigBee实现信号的无线传输。车位检测选用AMR传感器检测车位周围磁场变化来判断车位状况。^[7]ZigBee组建无线传感器网络，对节点所采集到的数据在协调器进行处理，在协调器上安装oled显示屏，模拟停车场的大led屏幕，显示出停车场车位占用情况。

具体的研究内容：

在了解传感器的特性及工作原理，熟练掌握c程序编程，充分理解ZigBee的网络结构包括网络体系结构、协议架构和网络拓扑结构的基础之上，提出了自己对于整个系统的设计思路。

系统硬件设计：

主要硬件电路模块包括电源、传感器、串口通信、oled显示等模块、天线的设计等。由于检测节点，路由器和协调器只在传感器模块和显示模块存在一些差别，所以三者都采用相同的设计，然后完成印刷电路板的设计。

系统软件设计：

将磁阻传感器检测到的磁场信号通过I2C总线驱动传输至单片机，单片机利用车位检测算法对传输到来的磁场信号进行处理，判定车位当时的状态。组建强大的无线传感器网络，在z-stack协议栈的基础上完成节点的软件设计，包括数据包结构、协调器组建网络和节点入网，实现数据传输。

二、车位检测技术和无线网络

2.1磁阻传感器车位检测原理：

地球是有磁场的，而且地磁是一个相对固定的值，在同一区域较短的时间范围磁场强度变化不大，一般地球磁场强度在500到600毫高斯，所以我们才可以通过比较磁场强度来实现车位的判断。如图2.1，汽车周围的磁感线是存在一定程度的弯曲的，而且我们发现在轮胎和发动机的这两个地方磁感线弯曲的尤为明显，这是因为这两个部分是汽车金属含量最多的地方。鉴于上述这两点，我们是可以选择在车辆周围或是下方放置传感器来实现对于车位的检测的。

图2.1 车辆磁感线分布

2.1.1磁阻效应：

所谓磁阻效应是指在磁场中的电子受到洛伦兹力的作用使得载流子产生螺旋或者偏转运动，运动路线发生改变，和其他电子接触和碰撞的概率增加，使得对外显示整个导体的电阻发生了改变。

磁阻传感器的种类很多，本次设计采用的传感器芯片为HMC5883L，是一个各向异性磁阻触感器，它与其他磁阻传感器的主要区别在于检测范围的不同，不过近年来也有使用巨磁阻传感器来检测车位的。下图所示主要是各种磁阻传感器的检测范围。

图2.2 各磁阻传感器及其检测范围

2.1.2各向异性磁阻传感器检测原理：

根据上述的磁阻效应，我们可以知道如果导体处在一个磁场之中，那么导体的电阻率必然会发生某种变化，这个电阻的变化我们可以通过将这个电阻接在一个惠斯通电桥中，测量电压的变化，这种电压和磁场的函数关系我们是可以通过实验测量出数据然后建立的，然后我们就可以得到磁场和电阻的变化函数关系。

2.2 ZigBee技术

2.2.1 ZigBee技术特点

ZigBee技术^9]始于国外，ZigBee联盟由最初发起的四家公司发展到如今的三百多家公司，前景十分广，ZigBee技术以其成本低，功耗低的特点迅速抢占了无线通信技术的部分市场，但是ZigBee技术也因为传输距离短和传输数据慢等特点在某些领域的发展和应用受到限制，比如图像传输等等。现如今，ZigBee主要应用领域还是在智能家居、工业控制。

功耗低：

如上文所述ZigBee的数据传输速率比较低，但是ZigBee传输速率低使得它的功耗也比较低，再加上ZigBee还支持低功耗模式，在不使用的时候一直处于休眠状态，直到用户把它唤醒，一般来说，两节五号电池可以使得一个节点工作半年以上，续航十分强大。

成本低：

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