田昌民 顧江洋 王寧 毛小銀

摘要： 隨著我國(guó)汽車數(shù)量大幅度增加，停車難問題越來越嚴(yán)重。因此，針對(duì)城市車庫(kù)、停車場(chǎng)的“停車難”問題提出了由物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)車位，顯示車位的設(shè)計(jì)方案。該方案利用超聲測(cè)距與ATMEGA配合來檢測(cè)車位信息；再將監(jiān)測(cè)信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾斫K端，管理終端通過串口把收集到的信息上傳到上位機(jī)平臺(tái)，由該平臺(tái)將車庫(kù)信息反應(yīng)到LED顯示屏。這樣達(dá)到方便停車的目的。

Abstract： With the increase of the number of cars in our country， the parking problem becomes more and more serious. Therefore， in view of the problem of "parking difficult" in urban garages and parking lots， a design scheme of detecting parking spaces and displaying parking spaces is proposed by the Internet of Things. The program uses ultrasonic ranging and ATMEGA to detect parking information， then transmits the monitoring information to the management terminal through the ZigBee network， and the management terminal uploads the collected information to the host computer platform through the serial port， and the platform reflects the garage information to the LED display， to achieve the purpose of convenient parking.

關(guān)鍵詞：停車難；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee技術(shù)；超聲波

Key words： parking difficult；Internet of Things；ZigBee technology；ultrasonic

中圖分類號(hào)：P225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）11-0160-05

1 概述

1.1 社會(huì)背景

隨著國(guó)家工業(yè)實(shí)力的提升，機(jī)動(dòng)車在持續(xù)增加。于此同時(shí)也帶來了一些問題。停車管理存在一些缺陷，停車供需矛盾日益突出，特別是在人流較集中的區(qū)域存在停車位緊張，不同程度地展現(xiàn) “一位難求”的停車問題，停車難的問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況

國(guó)外停車系統(tǒng)采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與實(shí)物相結(jié)合的方法，達(dá)到在一定區(qū)域多個(gè)停車場(chǎng)間可以隨意停車的目的，停車費(fèi)用和車位使用都是由系統(tǒng)統(tǒng)一管理安排，節(jié)省了人力物力，同時(shí)可以提前預(yù)訂車位停車， 給生活帶來了便利。美國(guó)的圣保羅商業(yè)區(qū)比日本更早采用中央計(jì)算機(jī)公布停車場(chǎng)狀況，能夠準(zhǔn)確地獲得相應(yīng)信息。

在國(guó)內(nèi)，已有一些關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)停車方面的研究，2014年6月15日席建中教授提出物聯(lián)網(wǎng)車位停車信息公布和預(yù)約停車的裝置，此系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)，計(jì)時(shí)器和壓力傳感器的彈性壓力裝置，這樣不僅能夠獲得車位信息還能提前預(yù)約，該裝置車位檢測(cè)較為準(zhǔn)確，可應(yīng)用范圍廣。在2017年5月17日西南交通大學(xué)張海濤碩士提出了基于Android和物聯(lián)網(wǎng)的自助收費(fèi)停車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使用Android手機(jī)客戶端App包含用戶注冊(cè)、登陸和個(gè)人信息管理等功能，采用高德地圖SDK開發(fā)組件，實(shí)現(xiàn)地圖定位、搜索功能，可以實(shí)時(shí)直觀地查看附近停車場(chǎng)和停車位使用情況，具備停車計(jì)時(shí)、移動(dòng)端支付停車費(fèi)用等功能。

1.3 社會(huì)問題

1.3.1停車難問題產(chǎn)生的原因

①機(jī)動(dòng)車數(shù)量迅速增長(zhǎng)。近些年，我國(guó)機(jī)動(dòng)車不斷增加，在2014年已經(jīng)突破2億多輛，至2016年年底達(dá)1.174億，占世界汽車總量的19%。汽車出行已成為人們?nèi)找嫫占暗某鲂蟹绞剑鐖D1。

②停車場(chǎng)傳統(tǒng)管理方法比較原始且相對(duì)單一。當(dāng)今基本利用人工誘導(dǎo)方法來停車。有沒有停車位不能提前知曉其花費(fèi)時(shí)間。

1.3.2 停車難產(chǎn)生的影響

①能源消耗加重，交通事故發(fā)生頻繁。尋找車位比較盲目，浪費(fèi)大量時(shí)間，并且車輛刮蹭等事故時(shí)有發(fā)生。

②空氣和噪聲污染加重。能源和機(jī)動(dòng)車尾氣等這些污染物的產(chǎn)生加重了環(huán)境的污染。鳴笛使用率高，造成污染。

1.4 研究的意義

針對(duì)以上問題，為了更加有效地停車，采用物聯(lián)網(wǎng)的車位在線檢測(cè)與顯示很有必要而且意義重大：

一方面，減少了車主尋找車位的時(shí)間，間接地減少了燃油的消耗，節(jié)約資源。

一方面，使得管理停車場(chǎng)更加合理有效，減輕人力物力，很大程度上提高車位的利用率，節(jié)省勞動(dòng)成本。

1.5 設(shè)計(jì)思路

利用物聯(lián)網(wǎng)去改變停車的模式。利用超聲波探測(cè)是否有車， ZigBee無線通訊等設(shè)備可以實(shí)時(shí)通知司機(jī)整個(gè)車庫(kù)的停車狀況，包括停車場(chǎng)內(nèi)車輛停放數(shù)量和每個(gè)車位的占、空狀態(tài)，從而來提高車位的利用率和停車效率。

車位信息采集利用超聲波和壓力傳感器，將收集的車位信息傳給單片機(jī)去處理；利用ZigBee無線通信為單片機(jī)和計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示功能。（圖2）

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將系統(tǒng)主要分為車位檢測(cè)、車位計(jì)數(shù)、無線通信等系統(tǒng)。

2 車位檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 超聲波傳感器檢測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 超聲波測(cè)距原理

高于20000赫茲的超聲波頻率，它的指向及穿透能力極強(qiáng)。在標(biāo)壓下，空氣認(rèn)為是理想化的氣體。那么在空氣中，超聲波傳播速度為：

式中，M為氣體的摩爾質(zhì)量，Cp為定壓比熱，Cr為定容比熱，R為摩爾氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。對(duì)于一定氣體，r，R及M為定值。

根據(jù)公式（1）知超聲波在理想介質(zhì)中的傳播速度與熱度存在一種線比性，可將公式（1）轉(zhuǎn)化為：

即在溫度r為273.16K、在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，其溫度變化在-40℃～+50℃之間的范圍，空氣中聲速的實(shí)驗(yàn)理論值為：

C0=（331.45±0.05）m/s

在空氣中，超聲波從探頭傳出，在介質(zhì)中傳播遇到物體被反射，傳到探頭上。超聲波在傳播過程中會(huì)有較大的干擾和衰減。

在聲波傳播途中，聲波信號(hào)強(qiáng)度因干擾而有所減弱。在相同介質(zhì)中，超聲波的傳向與振向是垂直的，是簡(jiǎn)諧縱波的一部分。超聲波振動(dòng)方向在理想化的介質(zhì)中位移式為：S（t）=A（x）cos（wt+kx）=A0（x）=e-axcos（wt+kx）（3）

式中，A（x）為振幅；A0為振動(dòng)初始條件決定的常數(shù)；w為角頻率；t為時(shí)間；x為傳播距離，2π/γ為波數(shù)，γ為波長(zhǎng)，α為聲波衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為：

α=Aef2（4）

公式（4）中，Ae為介質(zhì)當(dāng)中的常數(shù)，f為方向振頻。

在空氣里，Ae=2×10-13S2/cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f=40kHz，代入公式（4）可得α=3.2×10-4cm-1，即1/α=31.2cm。由公式（4）知音波在介質(zhì)中振頻越高，損耗越大。雙頻連續(xù)縱波相位如圖3所示。超聲波因頻率高相對(duì)于頻率低的超聲波而言，高頻與低頻相比更有助于測(cè)距，如圖4所示。超聲波檢測(cè)車位時(shí)，利用渡越時(shí)間法，此采用頻率為40kHz的超聲波，且波長(zhǎng)超過8.5mm。但在通常情況下一般選用30-100kHz的超聲波來測(cè)距。

2.1.2 超聲波探測(cè)車位原理

芯片單機(jī)片帶動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波再介質(zhì)中傳播碰壁后會(huì)被電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，接收信號(hào)后芯片立即停止。聲波在空氣中傳速是C=340m/s，利用計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)便可得到兩點(diǎn)的距離（L），即：L=（C*t）/2（5）

式中：C為超聲波在空氣中的傳播速度；t為超聲波在空氣中傳播的時(shí)間。

超聲波工作時(shí)，通過被測(cè)物體的反射、回波接收后的時(shí)間差不同來測(cè)量距離，其基本原理如圖4所示。

超聲波傳感器換雙向可逆，在上文中已經(jīng)介紹過。超聲換能器利用定時(shí)器計(jì)時(shí)，得到起始與終止時(shí)的時(shí)間便可得到相應(yīng)的距離硬件如圖5所示。

利用超聲波測(cè)距裝置，發(fā)送超聲波。當(dāng)停車位上無車時(shí)，超聲波發(fā)射頭與地面間的長(zhǎng)度為L(zhǎng)0定值；當(dāng)車位上有車駛?cè)霑r(shí)，超聲波探頭與障礙物的長(zhǎng)度變?yōu)長(zhǎng)1，對(duì)測(cè)量的L設(shè)定一定范圍的閾值，當(dāng)超聲波測(cè)的距離明顯縮短了汽車的高度ΔL這個(gè)數(shù)值，便可知道停車位是否有車。

在我國(guó)，交通管理部門把汽車分為大型汽車和小型汽車，本次研究設(shè)計(jì)的停車場(chǎng)主要是供小型汽車使用，小型汽車的車型代號(hào)為C1。統(tǒng)一國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的最大總質(zhì)量M？燮4500kg。長(zhǎng)≤6.0m， 寬≤2.0m， 高≤2.5m。它們高度比無車時(shí)測(cè)得距離要小得多，所以，根據(jù)小型汽車的高度尺寸設(shè)計(jì)要求，在這里我們?cè)O(shè)定的閾值滿足公式（6），期中L0為預(yù)設(shè)距離定值，L為測(cè)得瞬時(shí)距離值。

則記為有車狀態(tài)，如圖6所示。

硬件方面采用ATMEGA16芯片單片機(jī)控制超聲波，其特點(diǎn)是運(yùn)算速度快、功耗低、成本低等特點(diǎn)。實(shí)際采集的數(shù)據(jù)圖表如圖7所示，采用5V直流電壓檢測(cè)距離，功耗小。

考慮到單一利用超聲波傳感器探測(cè)有無車輛準(zhǔn)確性不夠高，比如人停留在車位上，也滿足（6）公式，則必然會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。因此用壓力傳感器作為輔助探測(cè)，人的重量比小型汽車的重量小，利用壓力傳感器就排除了人停留在車位上的誤判現(xiàn)象，提高了探測(cè)車位的準(zhǔn)確性。

2.2 壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)壓力敏感元件受到壓力作用后產(chǎn)生反向或正向應(yīng)變，表面電阻隨之而產(chǎn)生變化。兩輸出端的共模電壓隨著電阻值變化。一般情況下這種對(duì)應(yīng)關(guān)系有近似線性的關(guān)系。要測(cè)到壓力值，就要先得到壓力變化和輸出電壓的數(shù)據(jù)。

式中：Uo為輸出電壓，Ui為輸入電壓。

當(dāng)R1=R2=R3=R4，為全等阻值電路，即各電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)K相同，式（8）可簡(jiǎn)化為：

式（10）為電路轉(zhuǎn)換原理的一般形式。ΔU為輸出電壓。作為全等臂電路，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，式（10）變?yōu)棣=UK。

壓力傳感器對(duì)壓力的感知性能，可將壓力轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出量，但是值得注意的是此輸出信號(hào)不能直接由單片機(jī)處理。需要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為信號(hào)，單機(jī)片實(shí)際壓力值是通過信號(hào)來的。（圖8）

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，小汽車設(shè)計(jì)的最大總質(zhì)量小于等于4500kg。這里我們?cè)O(shè)置閾值為1000kg，完全排除了有人存在導(dǎo)致的誤判的現(xiàn)象。

壓力傳感器會(huì)檢測(cè)到設(shè)置的重量閾值，超過這個(gè)閾值，則會(huì)判為有車，否則為無車狀態(tài)。（圖9和表1）

2.3 紅外光電傳感器計(jì)數(shù)系統(tǒng)

2.3.1 紅外光電傳感器原理

紅外傳感器有對(duì)發(fā)射、接受器，適用于一切光線，如果發(fā)出一定強(qiáng)度的紅外線，碰壁障礙物后反射接受，電壓比較器（LM393）處理，再傳給低電平信號(hào)傳給單片機(jī)，利用電位器測(cè)距，效率距離是2-30cm，工作電壓為3.3-5V。利用傳感器改善距離的不足。（圖10-11）

2.3.2 紅外光電傳感器計(jì)數(shù)原理

當(dāng)想要停車的車輛經(jīng)過紅外傳感器時(shí)，發(fā)出的紅外光線被遮擋，紅外接收感應(yīng)到障礙物信號(hào)，一起傳出的不同電平變化信號(hào)傳給CPU處理，后CPU發(fā)出所需要的命令，這樣便可實(shí)現(xiàn)對(duì)停車位上計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)的功能。當(dāng)數(shù)值達(dá)到預(yù)定值時(shí)，紅燈信號(hào)顯亮告知停車位已滿。（圖12、13）

2.4 無線通信模塊

2.4.1 上位機(jī)和下位機(jī)通信模塊

車位收集是超聲波傳感器探測(cè)的，輸出的是距離，需要A/D轉(zhuǎn)換模塊成數(shù)字信息。

上位機(jī)采集數(shù)據(jù)：可由下位機(jī)利用通信口與上位機(jī)通信后得到。上位機(jī)分析結(jié)束以后，對(duì)比原先設(shè)定好的距離值，如果近似等于設(shè)定值，就會(huì)顯示空車位。（圖14）

2.4.2 用于ZigBee無線技術(shù)的在線顯示

ZigBee主要作用是把超聲波測(cè)距模塊采集到的停車位信息傳送給云端數(shù)據(jù)庫(kù)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)時(shí)顯示。其電路圖如圖15所示。它主要有以下特點(diǎn)：

①低功耗。在非工作的待機(jī)狀態(tài)下，2節(jié)1.5V的直流電池提供任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行兩年多，這是ZigBee的優(yōu)勢(shì)。

②成本低。全功能與子功能所需代碼分別為32k和4k，讓通信控制器降低了難度，而且ZIGBEE可免專利費(fèi)。

③延遲時(shí)間短。Zigbee的響應(yīng)速度較快，從睡眠狀態(tài)過度到工作狀態(tài)只需要15秒，節(jié)點(diǎn)鏈接過程也只需要半分鐘，可以節(jié)約能源，防止能源的過度消耗。

④安全性較高。ZigBee里存在著三級(jí)安全模式，接入了控制清單，采用了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（ASE-128）的對(duì)稱式密碼，做到數(shù)據(jù)本質(zhì)安全化目的。（表2、圖15和圖16）

3 停車場(chǎng)終端的操作系統(tǒng)

使用超聲波探測(cè)器和壓力傳感器對(duì)車的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)車進(jìn)入探測(cè)范圍時(shí)，傳感器會(huì)感應(yīng)到其變化，通過ZigBee無線傳輸，將感應(yīng)到的信號(hào)傳輸?shù)娇刂破魍ㄟ^顯示屏顯示出來。之后經(jīng)Internet組件將信息傳到云端數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶打開GPS聯(lián)網(wǎng)，可在手機(jī)客戶端上實(shí)時(shí)觀看到停車位的狀態(tài)，如圖17所示。

新用戶需要注冊(cè)，在GPS打開的條件下完成登錄，如圖18所示，可以搜索附近停車場(chǎng)的空車位情況。

用戶只需要用簡(jiǎn)單的一個(gè)軟件，就能看清停車場(chǎng)的停車情況，如圖19所示，大大節(jié)省了時(shí)間。同時(shí)，也能增加停車位的利用率，使停車更節(jié)省時(shí)間，便捷人們的生活。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)的車位在線檢測(cè)與顯示方案是在于物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上。運(yùn)用超聲波傳感器測(cè)距原理及壓力傳感器采集有無停車位的信息，再通過ZigBee的無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)以便實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)的智能動(dòng)態(tài)顯示。以達(dá)到為車主減少尋求車位的時(shí)間，間接地減少了燃油的消耗，節(jié)約資源；提高車位的利用率。使得管理停車場(chǎng)更加合理有效化，減輕了人力物力。但本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面，并未研究斷網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不穩(wěn)定問題，在以后開發(fā)過程中會(huì)將對(duì)此情況進(jìn)行研究，完善系統(tǒng)的通信模塊。

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