陳平+張孜+張傳春

摘 要：為對停車場管理進(jìn)行智能化的改造，提出了基于WSN-T的車位管理原型系統(tǒng)，通過WSN-T的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，對車位進(jìn)行智能管理，能夠用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)代替原有系統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，針對車位管理原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套硬件測試平臺，系統(tǒng)測試的結(jié)果分析表明，能夠較好地實(shí)現(xiàn)車位管理功能。通過文章地控究，希望對相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；車位管理

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展和機(jī)動(dòng)車保有量快速增長，城市停車供需矛盾日益突出，影響市民生活質(zhì)量，制約了城市可持續(xù)發(fā)展，停車管理是交通管理的重要方面，對于緩解城市交通擁堵具有重要意義，世界各國停車管理各具特色，其先進(jìn)的管理理念可供我國大中城市借鑒。

早起我國的停車場管理系統(tǒng)是引進(jìn)國外先進(jìn)的系統(tǒng)才慢慢發(fā)展起來的，在引進(jìn)的過程中針對國內(nèi)的實(shí)際情況進(jìn)行不斷地改造，但支持系統(tǒng)的許多硬件設(shè)備都是采用國外的成熟產(chǎn)品，國內(nèi)的制作工藝達(dá)不到應(yīng)用要求，因此無法使用，因此在系統(tǒng)的開發(fā)初期，國內(nèi)的這一類系統(tǒng)并非真正屬于自己的技術(shù)，更多程度上是照搬和借鑒[1]。

當(dāng)下國內(nèi)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的停車場管理系統(tǒng)的研究還在初級階段，由于很多系統(tǒng)是從國外直接引進(jìn)的在實(shí)際的使用過程中出現(xiàn)了許多問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠完整，與國內(nèi)的實(shí)際使用情形脫軌，導(dǎo)致智能化停車場管理系統(tǒng)不但不能很好的進(jìn)行運(yùn)作，反而阻礙新型管理系統(tǒng)的開發(fā)和使用，由于硬件都為進(jìn)口設(shè)備系統(tǒng)的造價(jià)十分高，很多系統(tǒng)在使用之后由于系統(tǒng)故障，或者設(shè)備不能滿足現(xiàn)實(shí)需要而發(fā)生故障，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，因此對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能化停車系統(tǒng)的研究十分必要，有利于掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，更好地為停車場行業(yè)服務(wù)，提高行業(yè)服務(wù)水平。

1 系統(tǒng)原理簡介

本系統(tǒng)是基于ZigbeeCC2530模塊之間的通信可獲取通信信號強(qiáng)度值的功能來設(shè)計(jì)的，CC2530模塊之間隨著通信距離的加大信號強(qiáng)度值會(huì)呈現(xiàn)出類似遞減對數(shù)函數(shù)的規(guī)律，如下圖1所示是發(fā)射功率在10mw的情況下通信信號強(qiáng)度隨距離的變化關(guān)系。雖然無線通信有其無線通信可方便安裝部署的優(yōu)勢，但是由于無線通信的可靠程度遠(yuǎn)低于有線通信，且其通信的穩(wěn)定程度較低，波動(dòng)較大，為弱化無線通信的這個(gè)劣勢，讓無線通信的可靠程度提高，是探究將其運(yùn)用于交通領(lǐng)域的停車場管理的可行性的重點(diǎn)，本系統(tǒng)采用樣本數(shù)據(jù)概率分布匹配方法來完成車位管理原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對這種設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際的論證，從理論和實(shí)踐分析基于信號強(qiáng)度的樣本數(shù)據(jù)概率分布匹配方法實(shí)現(xiàn)車位管理的可靠程度，為以后大規(guī)模實(shí)現(xiàn)智能停車位管理打下扎實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)，具體實(shí)現(xiàn)過程將在以下小節(jié)中具體描述。

圖1 發(fā)射功率為10mw時(shí)信號強(qiáng)度值與通信距離之間的關(guān)系圖

由上圖的信號強(qiáng)度與距離的關(guān)系圖可以看出，信號強(qiáng)度隨通信距離的變化是有一定的變化規(guī)律的，呈現(xiàn)出通信距離越遠(yuǎn)，信號強(qiáng)度越弱的整體趨勢，雖然在2.5m、4.5m和8.5m的時(shí)候信號強(qiáng)度出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，但不影響整體的變化趨勢，同時(shí)這三個(gè)節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)也正好印證了無線信號具有一定的不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，這樣的波動(dòng)是允許出現(xiàn)的。

2 車位管理原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理，設(shè)計(jì)的車位管理原型系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下2所示，車載節(jié)點(diǎn)進(jìn)入與路側(cè)節(jié)點(diǎn)通信的范圍之后，車載節(jié)點(diǎn)發(fā)送150個(gè)組播信號給三個(gè)路側(cè)節(jié)點(diǎn)，三個(gè)路側(cè)收到這些信號之后，將與車載節(jié)點(diǎn)通信的信號強(qiáng)度值、車載節(jié)點(diǎn)編號和路側(cè)節(jié)點(diǎn)自身的編號加入要發(fā)給網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包中，再將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)帶有串口轉(zhuǎn)USB線）收到數(shù)據(jù)之后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC的串口調(diào)試助手，調(diào)試助手再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，供車位判斷時(shí)使用[2]。

圖2 車位管理原型系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖[3]

車位管理原型系統(tǒng)的硬件分為四大塊，車載節(jié)點(diǎn)、路側(cè)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、PC，通過這四部分的硬件協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)車位管理原型系統(tǒng)，本課題僅限探究系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，通過這個(gè)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)探究使用基于信號強(qiáng)度的樣本數(shù)據(jù)概率匹配方法來管理車位的可行性，節(jié)點(diǎn)電子ID編號的規(guī)則是：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由0X01開頭，例如網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)1的電子ID編號為0X0101，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)2的電子ID編號為0X0102；路側(cè)節(jié)點(diǎn)由0X02開頭，例如路側(cè)節(jié)點(diǎn)1的電子ID編號為0X0201，路側(cè)節(jié)點(diǎn)2的電子ID編號為0X0202，路側(cè)節(jié)點(diǎn)3的電子ID編號為0X0203；車載節(jié)點(diǎn)由0X03開頭，例如車載節(jié)點(diǎn)1的電子ID編號為0X0301，車載節(jié)點(diǎn)2的電子ID編號為0X0302。

2.1 車載節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

車載節(jié)點(diǎn)選用的是TI的CC2530芯片，使用的是邱捷科技的外圍電路和底板，Zigbee2007的通信協(xié)議，車載節(jié)點(diǎn)的程序自行編寫，外圍電路上有紅綠兩個(gè)指示燈，綠燈點(diǎn)亮表示設(shè)備正常工作，紅燈閃爍表示節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)給路側(cè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)的功能是一次通信發(fā)送150個(gè)組播消息給路側(cè)節(jié)點(diǎn)，一次組播的時(shí)長為35秒，間隔15秒后再從新發(fā)150個(gè)組播消息給路側(cè)節(jié)點(diǎn)，通過這些數(shù)據(jù)來不斷地監(jiān)測車載節(jié)點(diǎn)所處的車位。

2.2 路側(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路側(cè)節(jié)點(diǎn)選用的是TI的CC2530芯片，使用的是邱捷科技的外圍電路和底板，使用的是Zigbee2007通信協(xié)議，路側(cè)節(jié)點(diǎn)的程序自行編寫，外圍電路上有紅綠兩個(gè)指示燈，綠燈點(diǎn)亮表示設(shè)備正常工作，紅燈閃爍表示正在接受數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)成功轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)的功能是收集車載節(jié)點(diǎn)發(fā)送的150個(gè)組播消息并將所接收的消息的信號強(qiáng)度、對應(yīng)側(cè)節(jié)點(diǎn)的編號加入數(shù)據(jù)包中，再發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過這些數(shù)據(jù)來不斷地監(jiān)測車載節(jié)點(diǎn)所處的車位。

2.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選用的是TI的CC2530芯片，使用的是邱捷科技的外圍電路和底板，使用的是Zigbee2007通信協(xié)議，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)外加了一個(gè)串口轉(zhuǎn)USB硬件部分，通過四根杜邦跳線將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號發(fā)送引腳、接收引腳電源引腳和地與串口轉(zhuǎn)USB芯片相連來實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB功能，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的程序自行編寫，外圍電路上有紅綠兩個(gè)指示燈，綠燈點(diǎn)亮表示設(shè)備正常工作，紅燈閃爍表示正在接收路側(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)的功能是收集三個(gè)路側(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的450個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)消息并將所接收的消息通過串口發(fā)送給PC，顯示在PC的串口調(diào)試助手上，通過上傳的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理來判斷車位[4]。

3 車位管理算法設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，提出合適的車位管理算法設(shè)計(jì)方案，該方案選取停車場內(nèi)6個(gè)車位分別表示為C1、C2、C3、C4、C5、C6；停車場內(nèi)部署的3個(gè)路側(cè)節(jié)點(diǎn)分別表示為S1、S2、S3，車載節(jié)點(diǎn)表示為O，硬件部署示意圖如圖3所示：

圖3 測試硬件部署示意圖

3.1 數(shù)據(jù)幀格式設(shè)定

測試采集的數(shù)據(jù)的幀格式解析，以下是個(gè)十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)包的幀格式：FE FE 00 01 00 00 03 01 00 00 02 01 49其中第一、二兩個(gè)字節(jié)FE FE為包頭，第三四兩個(gè)字節(jié)00 01為包序，第五、六兩個(gè)字節(jié)00 00為數(shù)據(jù)分隔符，第七、八兩個(gè)字節(jié)為03 01車載節(jié)點(diǎn)編號，第九、十兩個(gè)字節(jié)00 00 為數(shù)據(jù)分隔符，第十一、十二兩個(gè)字節(jié)0201為路側(cè)節(jié)點(diǎn)編號，第十三個(gè)字節(jié)為信號強(qiáng)度，其中信號強(qiáng)度值原本為負(fù)數(shù)，比如-60db、-75db其中-60db的信號強(qiáng)度大于-75db，本實(shí)驗(yàn)為了數(shù)據(jù)處理方便，在上傳數(shù)據(jù)時(shí)統(tǒng)一將負(fù)號去掉，也就是顯示信號強(qiáng)度值為60的信號強(qiáng)度大于顯示信號強(qiáng)度值為75的信號強(qiáng)度數(shù)值的絕對值越小，信號強(qiáng)度值越好[5]。

3.2 車位定位算法

本定位算法基于貝葉斯分類器原理，定義停車場內(nèi)C個(gè)車位分別表示為C1，C2，...，CN；停車場內(nèi)部署的M個(gè)固定節(jié)點(diǎn)分別表示為S1，S2，SM。

某臺車進(jìn)入停車場后停在某個(gè)車位Ci（i=1，2，N）的先驗(yàn)概率定義為P（Ci）。先驗(yàn)概率初定為均等概率，即車停在各車位的概率相同，均為1/N。后期可根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)各車位的實(shí)際使用頻率統(tǒng)計(jì)作為先驗(yàn)概率依據(jù)。

兩節(jié)點(diǎn)間的RSSI值表示為Rj，其取值范圍為0到-99之間的整數(shù)，共100個(gè)。

Rj=1-j（j=1，2，...，100）

當(dāng)車停在車位Ci時(shí)，第k（k=1，2，...，M）個(gè)固定節(jié)點(diǎn)相對于車載節(jié)點(diǎn)的各RSSI值Rj的出現(xiàn)的概率為Pk（Rj|Ci），此概率值可通過事先多次學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)得到，Pk（Rj|Ci）值共有100*M*N個(gè)。

事件A：某次測試中，各固定節(jié)點(diǎn)分別測得一次自己到車載節(jié)點(diǎn)的RSSI值，定義第k（k=1，2，...，M）個(gè)固定節(jié)點(diǎn)測得其到車載節(jié)點(diǎn)的RSSI值為rk（rk∈R1，R2，...，R100），條件概率P（rk|Ci）=Pk（Rj=rk|Ci）。假設(shè)各固定節(jié)點(diǎn)測得的RSSI值之間相互獨(dú)立，則有

車停在車位Ci的條件下，出現(xiàn)事件A的概率（條件概率）

（1）

事件A出現(xiàn)的概率（全概率）

（2）

事件A出現(xiàn)的前提下，車停在車位Ci的概率（后驗(yàn)概率）

（3）

對車的定位問題即轉(zhuǎn)化為求最大后驗(yàn)概率問題，如果P（Cq|A）=max（P（Ci|A）），則可判斷車停在車位Cq上。

算法優(yōu)點(diǎn)：采用求最大后驗(yàn)概率的方法對車輛進(jìn)行車位上的定位，可以最大程度排除環(huán)境等因素對RSSI值的干擾從而影響定位結(jié)果的準(zhǔn)確性，溫度濕度等對RSSI的影響是全局性的，因此溫度濕度等環(huán)境變化時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的概率值都將全部變大或變小，最大概率對應(yīng)的車位不變。

考慮到車載節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的一組RSSI值有些值可能為0（對應(yīng)的固定節(jié)點(diǎn)損壞、斷電，或距車載節(jié)點(diǎn)太遠(yuǎn)等情況，都會(huì)出現(xiàn)0），計(jì)算時(shí)應(yīng)排除RSSI值為0對應(yīng)的固定節(jié)點(diǎn)，挑選RSSI不為0的固定節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算。

每收到一組RSSI值進(jìn)行一次計(jì)算，并保留最后N（N為大于等于1的整數(shù)，具體值待定，此值要能靈活調(diào)節(jié)）次定位結(jié)果（即車輛編號對應(yīng)的N個(gè)車位號），選N個(gè)定位結(jié)果中出現(xiàn)次數(shù)最多的車位號輸出給上位機(jī)。

3.3 樣本數(shù)據(jù)采集

將車分別停入C1、C2、C3、C4 、C5、C6車位上，停入每一個(gè)車位時(shí)，車載節(jié)點(diǎn)O與路側(cè)節(jié)點(diǎn)S1、S2、S3各通信150次，將通信的450個(gè)數(shù)據(jù)保存下來，并將車載節(jié)點(diǎn)在每個(gè)車位上采集的數(shù)據(jù)依次保存成Xstudy（ X代表車位號，取值為01、02、03、04、05、06，study代表樣本數(shù)據(jù)）。

3.4 測試

當(dāng)車隨機(jī)停在某個(gè)車位C上，車載節(jié)點(diǎn)O與路側(cè)節(jié)點(diǎn)S1、S2、S3各通信150次，將這150個(gè)數(shù)據(jù)保存下來，并記作CtestN（其中C代表車停入的車位的編號，test表示測試，N代表測試次數(shù)），將測試數(shù)據(jù)使用車位定位算法算出車輛所停車位編號。

4 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析

4.1 獲取樣本數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

將車載節(jié)點(diǎn)水平放在靠近車頭擋風(fēng)玻璃位置，將車開到C號車位上，打開車載節(jié)點(diǎn)開關(guān)，與路側(cè)節(jié)點(diǎn)完成一次通信（發(fā)送150個(gè)數(shù)據(jù)給每個(gè)路側(cè)節(jié)點(diǎn)），將上傳到PC的數(shù)據(jù)以名稱Cstudy保存起來，其中C取值為01、02、03、04、05、06。

4.2 獲取完樣本數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行離線車位判斷測試，將放有車載節(jié)點(diǎn)的車開在C號車位上，在該車位上進(jìn)行10次測試，車載節(jié)點(diǎn)每次與各路側(cè)節(jié)點(diǎn)通信150次，并將測試完文件分別命名為CtestNth進(jìn)行保存，其中C代表車位號，test代表測試，Nth代表第N次測試。

4.3 結(jié)果統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

表1 各車位測試結(jié)果與樣本數(shù)據(jù)信號強(qiáng)度相似度比較表

結(jié)果分析：按照統(tǒng)計(jì)的測試結(jié)果，在60次的測試中只有04號車位和06號車位測試時(shí)有一次的車位判斷結(jié)果是錯(cuò)誤的，其它都是正確的，車位判斷的正確率達(dá)到了96.7%，因此依據(jù)樣本數(shù)據(jù)概率分布匹配方法來判斷車輛停放的位置是可以實(shí)現(xiàn)的，只要根據(jù)測試結(jié)果修改算法就可以達(dá)到更好的判斷效果，因此本實(shí)驗(yàn)證明，通過信號強(qiáng)度值來判斷車位的方案是可行的。

5 結(jié)束語

文章提出了一種基于貝葉斯分類器原理的算法的智能車位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過測試表明，該方案在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的可行性，經(jīng)過修改完善能夠成為成熟可用的智能停車管理系統(tǒng)，對現(xiàn)有停車場的智能化、信息化改造具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：張孜，廣州市交通委員會(huì)，高級工程師，博士，研究方向?yàn)橹悄芙煌?、交通?jīng)濟(jì)；張傳春ZHANG Chuan-chun （1976-），男，工程師，單位：廣州交通信息化建設(shè)投資營運(yùn)有限公司，總監(jiān)，研究方向智能交通業(yè)務(wù)推廣。

陳平，廣州交通信息化建設(shè)投資營運(yùn)有限公司，技術(shù)經(jīng)理，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ拧?

參考文獻(xiàn)

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[10]DoganCayKutluyil，HmamHatem."Optimal angular sensor separationf or AOA localization".SignalProcessing，2008，Vol.88，No.5， p.1248-1260.

作者簡介：張孜，廣州市交通委員會(huì)，高級工程師，博士，研究方向?yàn)橹悄芙煌?、交通?jīng)濟(jì)；張傳春ZHANG Chuan-chun （1976-），男，工程師，單位：廣州交通信息化建設(shè)投資營運(yùn)有限公司，總監(jiān)，研究方向智能交通業(yè)務(wù)推廣。

陳平，廣州交通信息化建設(shè)投資營運(yùn)有限公司，技術(shù)經(jīng)理，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ拧?

參考文獻(xiàn)

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[10]DoganCayKutluyil，HmamHatem."Optimal angular sensor separationf or AOA localization".SignalProcessing，2008，Vol.88，No.5， p.1248-1260.

作者簡介：張孜，廣州市交通委員會(huì)，高級工程師，博士，研究方向?yàn)橹悄芙煌?、交通?jīng)濟(jì)；張傳春ZHANG Chuan-chun （1976-），男，工程師，單位：廣州交通信息化建設(shè)投資營運(yùn)有限公司，總監(jiān)，研究方向智能交通業(yè)務(wù)推廣。

陳平，廣州交通信息化建設(shè)投資營運(yùn)有限公司，技術(shù)經(jīng)理，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ拧?