《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐》課件項(xiàng)目10

項(xiàng)目十基于物聯(lián)網(wǎng)的智能泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)10.1任務(wù)一:智能泊車系統(tǒng)的簡述10.2任務(wù)二:系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10.3任務(wù)三:系統(tǒng)的模塊接口設(shè)計(jì)10.4任務(wù)四:系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)10.5任務(wù)五:系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

10.1任務(wù)一:智能泊車系統(tǒng)的簡述

1.系統(tǒng)簡介

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能泊車系統(tǒng)結(jié)合RFID、ZigBee技術(shù)、Wi-Fi及Android技術(shù)實(shí)現(xiàn)了停車場的智能泊車。系統(tǒng)主要包括控制、出入口、停車位、Android客戶端軟件等四部分。控制部分主要包括系統(tǒng)管理及界面的顯示；出入口部分包括讀卡、閘機(jī)控制、拍照三部分；停車位部分通過ZigBee外接光敏傳感器來實(shí)現(xiàn)車位狀態(tài)的獲取，并發(fā)送到協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)模塊化，安裝方便。

(2)真實(shí)場景，形象直觀。

(3)方便快捷，簡單生動(dòng)。

2.實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

(1)實(shí)現(xiàn)ETC一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化收費(fèi)。

(2)在目前已有的循跡賽道上，增加兩個(gè)閘門，一個(gè)控制器(使用ARM替代原有PC)，一個(gè)兩通道UHF讀卡器，兩路攝像頭，根據(jù)需要可增加停車位。

(3)讀卡器通過網(wǎng)線連接到控制器，攝像頭直接連接到控制器上，閘口動(dòng)作由ZigBee節(jié)點(diǎn)控制步進(jìn)電機(jī)完成。

(4)讀卡操作采用：在每一個(gè)閘口上放置一個(gè)天線，進(jìn)行讀卡操作。

(5)拍照操作：在每一個(gè)閘口上放置一個(gè)攝像頭，進(jìn)行操作。

(6)停車位通過ZigBee連接光敏傳感器實(shí)現(xiàn)。

(7)建立進(jìn)站刷卡界面。

(8)建立出站計(jì)費(fèi)界面。

10.2任務(wù)二:系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖10.1所示。圖10.1系統(tǒng)框圖

2.基本架構(gòu)及各模塊功能

1)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖10.2所示。圖10.2系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

2)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖10.3所示。

本系統(tǒng)軟件主要包括上位機(jī)、下位機(jī)、Android手機(jī)客戶端三部分。圖10.3系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

3)基本流程圖

基本流程圖如圖10.4所示。圖10.4基本流程圖

10.3任務(wù)三:系統(tǒng)的模塊接口設(shè)計(jì)

1.?ZigBee控制

基本結(jié)構(gòu)體如下：

(1)表示ZigBee網(wǎng)絡(luò)基本信息結(jié)構(gòu)體。

(2)表示ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的基本信息結(jié)構(gòu)體。

(3)表示ZigBee節(jié)點(diǎn)的基本信息結(jié)構(gòu)體。

(4)?ZigBee節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

(5)基本函數(shù)如下：

①獲取網(wǎng)絡(luò)的基本信息函數(shù)：

NwkDesp*GetZigBeeNwkDesp(void);

功能：獲取當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基本信息。

參數(shù)：無

返回值：NwkDesp指針。②控制閘口的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)：

intSetSensorStatus(unsignedintnwkaddr,unsignedintstatus);

功能：設(shè)置ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳感器狀態(tài)(只針對(duì)設(shè)置型傳感器)。

參數(shù)：nwkaddr傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，status狀態(tài)，0設(shè)置IO低電平，1設(shè)置IO高電平。

返回值：整形，0成功，非0失敗。③獲取節(jié)點(diǎn)傳感器狀態(tài)函數(shù)：

SensorDesp*GetSensorStatus(unsignedintnwkaddr);

功能：獲取當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳感器狀態(tài)。

參數(shù)：ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址。

返回值：SensorDesp指針。④獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息函數(shù)：

DeviceInfo*GetZigBeeDevInfo(unsignedintnwkaddr);

功能：獲取當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息。

參數(shù)：ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址。

返回值：DeviceInfo指針。⑤獲取當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈表函數(shù)：

NodeInfo*GetZigBeeNwkTopo(void);

功能：獲取當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈表。

參數(shù)：無。

返回值：DeviceInfo指針，即保存ZigBee節(jié)點(diǎn)信息的鏈表頭。⑥?ZigBee串口監(jiān)聽線程開啟處理函數(shù)：

intComPthreadMonitorStart(void);

功能：ZigBee串口監(jiān)聽線程開啟處理函數(shù)。負(fù)責(zé)創(chuàng)建串口監(jiān)聽線程，并處理相應(yīng)串口數(shù)據(jù)包。應(yīng)用程序需要調(diào)用該函數(shù)方可以更新監(jiān)測ZigBee網(wǎng)絡(luò)信息及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

參數(shù)：無。

返回值：整形，0成功，非0失敗。⑦?ZigBee串口監(jiān)聽線程關(guān)閉函數(shù)：

intComPthreadMonitorExit(void);

功能：ZigBee串口監(jiān)聽線程關(guān)閉函數(shù)。

參數(shù)：無。

返回值：整形，0成功，非0失敗。

說明：主要用到了紅筆標(biāo)注的函數(shù)。

2.?UHF(

UltraHighFrequency特高頻)讀卡

3.拍照接口

4.

GPRS發(fā)送短信

(1)?tty_init();：串口初始化。

(2)?gprs_init();：GPRS初始化。

(3)?voidgprs_msg(char*number,char*pText):：發(fā)送短信。

參數(shù)：number為電話號(hào)碼，pText為短信內(nèi)容。

返回值：無。

(4)?tty_end();：關(guān)閉串口。

5.下位機(jī)ZigBee控制舵機(jī)接口

函數(shù)如下：

intSetSensorStatus(unsignedintnwkaddr,unsignedintstatus);

功能：設(shè)置ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳感器狀態(tài)(只針對(duì)設(shè)置型傳感器)。

參數(shù)：nwkaddr傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，status狀態(tài)，0設(shè)置IO低電平，1設(shè)置IO高電平。

返回值：整形，0成功，非0失敗。

該函數(shù)可根據(jù)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，控制閘口的開關(guān)狀態(tài)。

10.4任務(wù)四:系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

1.控制器界面顯示

主要功能：

(1)出入口RFID卡號(hào)，對(duì)應(yīng)的車輛參數(shù)。

(2)車輛登記編號(hào)。

(3)車型顯示。

(4)車輛照片。

(5)卡片金額相關(guān)信息。

(6)顯示出入口拍攝的照片。

(7)出入口閘門狀態(tài)。

(8)手動(dòng)開關(guān)閘操作。

(9)閘口節(jié)點(diǎn)狀態(tài)顯示。

(10)讀卡器通信狀態(tài)顯示。

(11)停車位節(jié)點(diǎn)在線狀態(tài)顯示。

(12)停車位占用狀態(tài)顯示。

(13)停車位預(yù)約狀態(tài)顯示。

控制器的基本界面如圖10.5所示。圖10.5基本界面

2.?Android客戶端界面

(1)停車位節(jié)點(diǎn)在線狀態(tài)顯示。

(2)停車位占用狀態(tài)顯示。

(3)停車位預(yù)約狀態(tài)顯示。

(4)停車位預(yù)約功能。

(5)車輛進(jìn)入停車場動(dòng)畫演示。

Android客戶端的基本界面如圖10.6所示。圖10.6Android客戶端的基本界面

10.5任務(wù)五:系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1.?ZigBee電機(jī)控制程序

1)步進(jìn)電機(jī)工作原理簡介

步進(jìn)電機(jī)是將輸入的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的特殊同步電機(jī)，它的特點(diǎn)是每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)一步，轉(zhuǎn)一步的角度稱為步距角，步距角愈小，表明電機(jī)控制的精度越高。由于轉(zhuǎn)子的角位移與輸入的電脈沖成正比，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度便與電脈沖頻率成正比。

圖10.742BYGH1.8步進(jìn)電機(jī)

圖10.8繞線圖

2)步進(jìn)電機(jī)42BYGH1.8說明

步進(jìn)電機(jī)相序表如表10.1所示。

3)步進(jìn)電機(jī)42BYGH1.8驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)42BYGH1.8驅(qū)動(dòng)電路如圖10.9和圖10.10所示。圖10.9ZigBeeCore圖10.10步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

4)程序代碼

詳見本書提供的資源。

2.基于Z-Stack的串口控制程序

1)實(shí)現(xiàn)原理

使用IAR開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)程序，在ZStack-1.4.2-1.1.0協(xié)議棧源碼例程SampleApp工程基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)及通信。即協(xié)調(diào)器自動(dòng)組網(wǎng)，路由或終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)入網(wǎng)，并設(shè)計(jì)上位機(jī)串口數(shù)據(jù)協(xié)議，檢測和控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與相關(guān)傳感器狀態(tài)。

2)?ZigBee(CC2430)模塊LED硬件接口

ZigBee(CC2430)模塊LED硬件接口如圖10.11所示。圖10.11LED硬件接口

ZigBee(CC2430)模塊硬件上設(shè)計(jì)有2個(gè)LED燈，用來編程調(diào)試使用。分別連接CC2430的P1_0、P1_1兩個(gè)IO引腳。從原理圖上可以看出，2個(gè)LED燈共陽極，當(dāng)P1_0、P1_1引腳為低電平時(shí)候，LED燈點(diǎn)亮。

系統(tǒng)的框圖如圖10.12所示。圖10.12系統(tǒng)框圖

3)?SampleApp簡介

TI的ZStack-1.4.2-1.1.0協(xié)議棧中自帶了一些演示系統(tǒng)DEMO，存放在默認(rèn)安裝目錄的C:\TexasInstruments\ZStack-1.4.2-1.1.0\Projects\zstack\Samples目錄下，本次系統(tǒng)將利用該目錄下的SampleApp系統(tǒng)工程來實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊的自動(dòng)組網(wǎng)和通信。

4)?MT層串口通信

協(xié)議棧中將串口通信部分放到了MT層的MT任務(wù)中去處理了，因此我們?cè)谑褂么谕ㄐ诺臅r(shí)候要在編譯工程(通常是協(xié)調(diào)器工程)時(shí)候在編譯選項(xiàng)中加入MT層相關(guān)任務(wù)的支持：MT_TASK、ZTOOL_P1或ZAPP_P1。

串口解析上位機(jī)串口數(shù)據(jù)流程如圖10.13所示。圖10.13MT層任務(wù)處理流程由于上述處理過程是針對(duì)特定輸出格式的串口數(shù)據(jù)，在一般串口終端中無法解析。TI默認(rèn)使用的Z-Tool工具上位機(jī)串口數(shù)據(jù)格式如圖10.14所示。圖10.14MT層串口數(shù)據(jù)格式

5)應(yīng)用層任務(wù)

本系統(tǒng)中應(yīng)用層任務(wù)為SampleApp任務(wù)，該任務(wù)負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和加入控制流程，主要是根據(jù)ZigBee閃存中網(wǎng)絡(luò)信息來啟動(dòng)系統(tǒng)。圖10.15工程模板的選擇

6)分別下載上面編譯好的程序到ZigBee模塊

圖10.15所示的DemoEB工程編譯后選擇debug即可下載至模塊中，進(jìn)入debug模式后點(diǎn)擊run運(yùn)行工程，方可運(yùn)行軟件。

7)啟動(dòng)設(shè)備測試

首先啟動(dòng)協(xié)調(diào)器模塊，建立網(wǎng)絡(luò)成功后LED2點(diǎn)亮，再啟動(dòng)路由節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊，入網(wǎng)成功后該模塊的LED2也點(diǎn)亮。網(wǎng)絡(luò)組建成功后，通過將PC機(jī)串口線接到ZigBee協(xié)調(diào)器調(diào)模塊對(duì)應(yīng)的串口上，打開串口終端軟件，設(shè)置波特率為115?200，即可在串口終端中輸入程序中指定的串口命令控制協(xié)調(diào)器模塊。協(xié)調(diào)器通過串口接收到命令后，無線控制遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

3.?RFID讀卡程序

RFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫，即射頻識(shí)別，俗稱電子標(biāo)簽。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。

1)?UHF讀寫器模塊

本系統(tǒng)采用的讀寫器是結(jié)構(gòu)完整、功能齊全的915?M的RFID讀寫器，它含有射頻(RF)模塊、Wi-Fi模塊、數(shù)字信號(hào)處理、輸入/輸出端口和串行通信接口，具備讀寫器同步功能。是多協(xié)議UHF讀寫器，支持ISO18000—6B和EPC協(xié)議國際標(biāo)準(zhǔn)，能讀寫UCODE、TI、Alian等標(biāo)簽，本系統(tǒng)采用的是EPC協(xié)議國際標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽?？梢酝ㄟ^更換外接不同增益的天線(最多2個(gè))，擴(kuò)展讀卡有效范圍，降低用戶硬件成本。圖10.16通信協(xié)議結(jié)構(gòu)圖

(1)通信協(xié)議——物理層。

物理層完成信號(hào)的比特?cái)?shù)據(jù)發(fā)送與接收，物理層應(yīng)符合RS-232規(guī)范要求。具體設(shè)計(jì)要求如下：

1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗(yàn)。

(2)通信協(xié)議——數(shù)據(jù)鏈路層。

數(shù)據(jù)鏈路層具體規(guī)定命令和響應(yīng)幀的類型和數(shù)據(jù)格式。幀類型分為命令幀、響應(yīng)幀、讀寫器命令完成響應(yīng)幀。

命令幀格式定義如下：為了說明這一算法，我們以讀寫器單卡識(shí)別EPC標(biāo)簽的命令為例，讀寫器識(shí)別單標(biāo)簽命令幀如下：響應(yīng)幀格式定義如下：讀寫器命令完成響應(yīng)幀格式定義如下：

2)主要協(xié)議

UHF讀寫器支持多種協(xié)議，主要包括：獲取及設(shè)置讀卡器參數(shù)、升級(jí)類協(xié)議、ID匹配類協(xié)議、天線設(shè)置類協(xié)議、功率設(shè)置協(xié)議、讀卡及寫卡協(xié)議等。

本IOT-ETC系統(tǒng)，主要用到多通道讀卡協(xié)議及讀取ID數(shù)據(jù)命令幀協(xié)議，MultipleTagIdentify(Extension)協(xié)議如下：對(duì)于ISO18000—6B標(biāo)簽，響應(yīng)幀格式如下表所示：

GETIDBUF協(xié)議如下：讀寫器接收此命令幀后，返回命令響應(yīng)幀，命令響應(yīng)幀格式如下表所示：

3)關(guān)鍵代碼分析

(1)建立連接。

函數(shù)接口：intGetConnect(char*ipaddr,intport)。

功能：建立到到讀卡器服務(wù)器的連接。

參數(shù)：ipaddr為服務(wù)器地址，port為端口號(hào)(默認(rèn)為4001)。

返回值：成功返回int型soketfd，連接錯(cuò)誤返回?-1。

(2)雙通道讀卡函數(shù)。

函數(shù)接口：

intMultipleTagIdentify(intfd,unsignedintTagType,unsignedchar**pInIdBuff,unsignedchar**pOutIdBuff)；

功能：獲得出入口讀到的卡號(hào)。參數(shù)：fd為連接Socket，TagType：1為ISO18000標(biāo)簽，4為獲取gen標(biāo)簽的EPC值，對(duì)6在此版本中不支持；返回正確時(shí)，**pInIdBuff為指向入口(通道1)的卡號(hào)(12*sizeof(unsignedchar)個(gè))，**pOutIdBuff為指向出口(通道2)的卡號(hào)(12*sizeof(unsignedchar)個(gè))，未讀到卡返回NULL。

返回值：正常為0，網(wǎng)絡(luò)連接阻塞時(shí)返回?-1，系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)返回?-2。

4.智能泊車系統(tǒng)GUI綜合程序

1)實(shí)現(xiàn)原理

物聯(lián)網(wǎng)IPA系統(tǒng)控制器部分界面采用Qt跨平臺(tái)的GUI設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)中的RFID讀卡模塊、ZigBee無線傳感器模塊、攝像頭模塊等進(jìn)行本地的界面顯示和控制。

2)系統(tǒng)總體流程圖

系統(tǒng)總體流程圖如圖10.17所示。圖10.17系統(tǒng)流程圖

3)?RFID線程

RFID線程負(fù)責(zé)讀卡與整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，流程圖如圖10.18所示。圖10.18RFID流程圖

4)?ZigBee線程

ZigBeeQT線程負(fù)責(zé)使用串口相關(guān)命令獲取ZigBee設(shè)備鏈表節(jié)點(diǎn)信息，提供給其他線程或結(jié)盟線程服務(wù)。

5)?ZigBee設(shè)備鏈表維護(hù)線程

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)維護(hù)是使用鏈表的方式，通過串口指定的命令格式來獲取協(xié)調(diào)器設(shè)備傳遞的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，關(guān)于ZigBee支持的串口命令的具體見ZigBee部分相關(guān)系統(tǒng)文檔。

6)?SQLite數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)中分別使用2個(gè)SQLite數(shù)據(jù)庫對(duì)RFID讀卡的信息進(jìn)行邏輯判斷和信息處理，其中存儲(chǔ)了ID卡的相關(guān)信息如ID號(hào)、狀態(tài)、時(shí)間、車輛及車主信息等。另外一個(gè)數(shù)據(jù)庫用來保存停車位信息及預(yù)約狀態(tài)。

5.?Android服務(wù)器

本系統(tǒng)完成一個(gè)簡單的Server服務(wù)器。Server實(shí)現(xiàn)的功能，從數(shù)據(jù)庫讀取停車位的狀態(tài)信息，為客戶端提空車位查詢、預(yù)約車位、查找車位、短信確認(rèn)等功能服務(wù)。

1)多線程實(shí)現(xiàn)Server服務(wù)器

服務(wù)器采用C/S方式，能夠解決多客戶端的問題，主要采用多線程、多進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)。由進(jìn)程占用資源較大，所以采用多線程實(shí)現(xiàn)客戶端。服務(wù)器為每一個(gè)客戶端連接啟動(dòng)一個(gè)線程，進(jìn)行通信然后斷開連接，銷毀線程。

2)?SQLite3數(shù)據(jù)庫的使用

SQLite是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫。它實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部程序庫以及操作系統(tǒng)的最低要求，這使得它非常適合應(yīng)用于嵌入式設(shè)備，同時(shí)，可以應(yīng)用于一些穩(wěn)定的，很少修改配置的應(yīng)用程序中。SQLite是使用AN