華北科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院 郭 昉 段佳勇

物聯(lián)網(wǎng)智能停車場實訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

華北科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院 郭 昉 段佳勇

針對建筑電氣與智能化、自動化專業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動態(tài)和行業(yè)需求，提出一種適用于本科建筑設(shè)備監(jiān)控實驗教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)智能停車場系統(tǒng)，并應(yīng)用于綜合實訓(xùn)教學(xué)中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、操作穩(wěn)定，可提供車輛出入庫、軟件操作管理等各種示教和實訓(xùn)。實踐表明該平臺有效提升了學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

實驗教學(xué)；智能停車場；實訓(xùn)平臺

1.引言

近年來，為了培養(yǎng)出高素質(zhì)高質(zhì)量的優(yōu)秀創(chuàng)新人才，眾多高校都在進行實驗教學(xué)體系的改革與實踐[1-4]。設(shè)計具有較強的應(yīng)用背景與綜合性的實驗也已成為高等教育中需要解決的重要問題之一[5]。我校在2011年成功申請了建筑電氣與智能化專業(yè)，并于2015年通過了教育部本科教學(xué)水平評估。對于這樣一個新建專業(yè)，在要求學(xué)生掌握相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識的同時，加強他們的工程實踐訓(xùn)練，讓他們具有較強的自動化控制系統(tǒng)及建筑電氣控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、仿真和研究開發(fā)能力尤為重要。

我國在制定“十三五”規(guī)劃的建議時，提出實施“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，支持基于互聯(lián)網(wǎng)的各類創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)在高校實驗室的應(yīng)用主要集中在實驗室智能化管理方面[6]，而把智能停車場系統(tǒng)引入高校相關(guān)專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的研究則少之又少。

本文設(shè)計的智能停車場實訓(xùn)平臺作為我校建筑電氣與智能化、自動化等專業(yè)的實訓(xùn)平臺，可以 提供系統(tǒng)設(shè)備的連接和調(diào)試及系統(tǒng)全方位操作、演習、遠程控制等基礎(chǔ)性實驗，也可以進行系統(tǒng)管理軟件的設(shè)置、操作和管理等拓展性實驗，符合相關(guān)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程實訓(xùn)的要求。

2.停車場實訓(xùn)平臺的構(gòu)成

智能停車場實訓(xùn)平臺由系統(tǒng)主要由Internet網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、上位機、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、ZigBee 控制與采集節(jié)點四個部分組成，具體組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能停車場實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過程中，ZigBee傳感器節(jié)點會實時收集停車位數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)并傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器。而后，ZigBee協(xié)調(diào)器分析和處理獲取到的數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果通過串口發(fā)送到上位機。最后，上位機將所有接收到的數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫中，并提供實時的狀態(tài)顯示、控制指令下達和報警等響應(yīng)。

網(wǎng)絡(luò)控制過程中，一方面，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)的界面顯示來獲得所有和停車場中停車位有關(guān)的信息。另一方面，用戶還可以通過網(wǎng)絡(luò)來預(yù)定當前空置停車位，即通過點擊網(wǎng)絡(luò)界面上的相關(guān)按鈕，向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中寫入控制指令。一旦電腦上位機檢測到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的變化，就會立即向ZigBee協(xié)調(diào)器下達控制指令，實現(xiàn)用戶預(yù)定停車位、設(shè)定車位使用情況指示燈等功能。

客戶端網(wǎng)頁通過顏色指示（紅色代表被占用，綠色代表空閑，黃色代表被預(yù)定）可以方便用戶快速瀏覽各個停車位的使用情況，同時位于停車場內(nèi)的用戶可以實時地了解到停車場中所有停車位的有關(guān)信息并且可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)下達控制指令來預(yù)定用戶想要的停車位。

3.實訓(xùn)平臺的軟件工作原理

智能停車場實訓(xùn)平臺的軟件部分包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和各功能節(jié)點的軟件設(shè)計，電腦上位機軟件程序設(shè)計和 ASP. NET動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計。

上位機程序完成初始化以后，會實時查詢是否有遠程或本地控制命令出現(xiàn)，一旦有控制命令出現(xiàn)，調(diào)用相應(yīng)的程序控制函數(shù)，向串口發(fā)送數(shù)據(jù)。具體過程如下：每個終端節(jié)點都和紅外傳感器相連接，系統(tǒng)利用處于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點來搜集相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)（每個停車位信息、停車場環(huán)境數(shù)據(jù)等）。協(xié)調(diào)器收到相關(guān)數(shù)據(jù)后，先將所有數(shù)據(jù)整理在一起打包再通過串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機。上位機將各個節(jié)點的數(shù)據(jù)存入特定結(jié)構(gòu)后再對進行分析處理，同時更新用戶界面和數(shù)據(jù)庫，并將停車場內(nèi)信息顯示在上位機和網(wǎng)絡(luò)上。

4.采用智能停車場系統(tǒng)的實驗教學(xué)

4.1 基礎(chǔ)性實驗

在完成物聯(lián)網(wǎng)、智能建筑通信網(wǎng)絡(luò)、自動化技術(shù)等相關(guān)課程學(xué)習后，學(xué)生可以通過智能停車場系統(tǒng)的組成原理等實驗來構(gòu)建完整的系統(tǒng)，了解系統(tǒng)各個功能模塊之間的工作關(guān)系，通過系統(tǒng)的整體運作來檢測其完整性。

4.2 應(yīng)用性實驗

應(yīng)用性實驗主要是培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)場的具體管理、操作和服務(wù)等技術(shù)應(yīng)用性能力。具體實驗包括帶PC界面的車位、溫濕度、水位等傳感器實驗及遠程控制實驗。以軟件程序應(yīng)用為例來介紹具體應(yīng)用型實驗內(nèi)容。

1）PC應(yīng)用程序?qū)嶒?/p>

在協(xié)調(diào)器成功建立網(wǎng)絡(luò)之后，上位機PC就可以通過用戶交互軟件實現(xiàn)對停車場車位狀況的監(jiān)控和溫濕度的查看，上位機顯示界面如圖2所示。

圖2中可以很直觀的查看停車場內(nèi)部溫度等環(huán)境信息，以及各個車位的車輛停放情況，預(yù)定按鈕就可以對車位進行預(yù)定控制。例如根據(jù)該頁面顯示，該停車場內(nèi)部的十個停車位內(nèi)有六個停車位是空余的同時也未被預(yù)定，有三個停車位被占用，有一個停車位被預(yù)定。

圖2 上位機顯示界面

2）網(wǎng)頁應(yīng)用程序?qū)嶒?/p>

在配置完成網(wǎng)絡(luò)后，登錄本地局域網(wǎng)顯示圖3所示界面。網(wǎng)絡(luò)頁面的顯示采用了和 PC上位機同樣的顯示邏輯，即車位的空余狀態(tài)對應(yīng)為綠色，占用狀態(tài)對應(yīng)為紅色，預(yù)定狀態(tài)對應(yīng)為黃色。網(wǎng)頁顯示和上位機顯示原理唯一的區(qū)別是，網(wǎng)頁數(shù)據(jù)的更新來自于與其相連接的數(shù)據(jù)庫，通過不斷地監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，來實時更新網(wǎng)頁。

圖3 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控界面

4.3 擴展性實驗

本系統(tǒng)具有良好的用戶交互界面和遠程管理功能，具有良好的可移植性和可擴展性，在符合 ZigBee應(yīng)用層協(xié)議的基礎(chǔ)上，其他的ZigBee產(chǎn)品可以很容易的與本系統(tǒng)進行連接實現(xiàn)通信。同時系統(tǒng)提供基于C#、VB及數(shù)據(jù)庫相關(guān)程序，學(xué)生可以針對每個節(jié)點或整個系統(tǒng)進行物聯(lián)網(wǎng)項目的二次開發(fā)。具體實驗包括傳感器功能擴展實驗、收費系統(tǒng)擴展實驗等。

5.結(jié)束語

本文采用了無線傳輸 ZigBee 技術(shù)， 綜合傳感器技術(shù)、 單片機技術(shù)、 自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等幾種技術(shù)一起，實現(xiàn)了一套基于 ZigBee 的停車場控制實訓(xùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以為相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供基礎(chǔ)性、應(yīng)用性和擴展性實驗，很好的滿足教學(xué)上的相關(guān)需求。學(xué)生能夠在深刻理解和掌握現(xiàn)代智能停車場管理系統(tǒng)的技術(shù)要點基礎(chǔ)上，提出一些與系統(tǒng)有關(guān)的題目，作為自己的畢業(yè)設(shè)計題目或是科研項目，通過研發(fā)和拓展實驗進一步提高動手能力，實訓(xùn)系統(tǒng)客觀上也可以為他們提供一定的技術(shù)支持。同時物聯(lián)網(wǎng)智能停車實訓(xùn)系統(tǒng)具有較高的性價比，符合本校相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案，為電氣自動化相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供了切實可行的技術(shù)方案。

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廊坊市科技支撐計劃項目（2016011015）“物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)演化模型研究與應(yīng)用”；廊坊市科技支撐計劃項目（2016011050）“自適應(yīng)無標度網(wǎng)絡(luò)的研究及其在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用”。