(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東 濟(jì)南 250353)

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，居民收入水平日益提高，私家車擁有數(shù)量逐年急速上升，因而產(chǎn)生了停車難、交通擁堵等問題。其中，停車位不足以及不能高效利用更是加重了停車難、違章亂停等現(xiàn)象，因此傳統(tǒng)的停車場(chǎng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)狀。

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，指通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能車庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究具有十分重要的意義。它可以實(shí)現(xiàn)將讀取的車輛信息、車輛停放時(shí)間、收費(fèi)情況、停車場(chǎng)車位情況、環(huán)境信息等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，方便存檔和調(diào)用，車庫管理員更加簡單快捷的管理車庫的各個(gè)信息，實(shí)現(xiàn)快速信息處理，縮短服務(wù)時(shí)間，提高工作效率。對(duì)于車主來說，進(jìn)出車庫更加方便，燈光引導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)車輛快速準(zhǔn)確地停入車位，節(jié)省了車主的寶貴時(shí)間。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

車庫管理系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象主要是車庫管理者和停車用戶，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)智能車庫管理系統(tǒng)的目的是為了更好的為車庫管理者和停車用戶服務(wù)。對(duì)車庫管理者來說，他們需要一個(gè)能夠有效管理車庫的車庫管理系統(tǒng)，比如能夠快捷查詢出入車庫的車輛的停放時(shí)間以及車主身份等功能；對(duì)停車用戶來說，他們希望能夠快速且安全的進(jìn)出車庫的需求。

(一)系統(tǒng)的功能。本次設(shè)計(jì)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能車庫管理系統(tǒng)，利用web技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化的管理。本文研究的車庫管理系統(tǒng)結(jié)合了射頻識(shí)別技術(shù)、無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)等。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有：(1)利用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)車牌進(jìn)行識(shí)別。(2)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)進(jìn)出停車場(chǎng)的車輛信息進(jìn)行上傳管理，主要包括車主信息、車牌號(hào)、停車時(shí)間以及扣費(fèi)信息等。(3)利用ZigBee技術(shù)對(duì)停車位的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和發(fā)布，停車位的狀態(tài)包括車位空閑、被占用和被預(yù)約等狀態(tài)。(4)通過智能燈光控制器完成了對(duì)進(jìn)出車庫進(jìn)行有效的燈光導(dǎo)航。(5)監(jiān)控中心對(duì)收集到的信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)車輛行駛路徑進(jìn)行規(guī)劃，以燈光的形式實(shí)施燈光導(dǎo)航，并在物業(yè)管理中心計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示車庫的運(yùn)行狀態(tài)。

(二)系統(tǒng)的組成。系統(tǒng)包含以下幾個(gè)部分：車牌射頻識(shí)別和信號(hào)處理部分、區(qū)域內(nèi)部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分、智能燈光控制部分。(1)車牌射頻識(shí)別和信號(hào)處理部分。車庫內(nèi)車輛射頻識(shí)別和信號(hào)處理部分屬于感知層。當(dāng)車輛進(jìn)出車庫口時(shí)，運(yùn)用射頻識(shí)別技術(shù)完成對(duì)車牌信息的采集。然后將采集的信息進(jìn)行初步的處理，將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的編碼方式。(2)區(qū)域內(nèi)部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分。將收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線通信方式上傳、管理，以報(bào)證信息傳遞的快速、穩(wěn)定、安全、可靠，無線通信部分屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸層。(3)智能燈光控制部分。當(dāng)車輛進(jìn)出車庫口時(shí)，智能燈光控制部分完成了對(duì)地下車庫照明系統(tǒng)的智能控制以及照明和車位信息的智能感知。

(三)車輛出入庫流程。1.車輛入庫。車輛進(jìn)入車庫前，系統(tǒng)運(yùn)用車牌射頻識(shí)別技術(shù)識(shí)別出車牌號(hào)，道閘起桿，同時(shí)記下車輛入庫時(shí)間，并將車輛的車位信息發(fā)送到相關(guān)車位的測(cè)控節(jié)點(diǎn)，車輛進(jìn)入車庫后，道閘落桿，保證一車一桿。移動(dòng)的車輛觸發(fā)到智能燈光控制器的傳感器，該控制器通過控制電路開啟相應(yīng)燈光，觸發(fā)則開，離開則閉，達(dá)到燈光跟隨的效果，實(shí)現(xiàn)了車庫的燈光導(dǎo)航和照明節(jié)能。當(dāng)車輛靠近車位時(shí)，車位前的測(cè)控節(jié)點(diǎn)識(shí)別出車牌號(hào)與數(shù)據(jù)庫中的車輛信息比對(duì)成功后打開車位擋車器，車輛成功停進(jìn)車位后，車位測(cè)控節(jié)點(diǎn)將信息傳給車庫管理員控制中心服務(wù)器，更新車位的使用情況。2.車輛出庫。車輛離開車位時(shí)，車位測(cè)控節(jié)點(diǎn)將車輛離開的信息傳給控制中心，系統(tǒng)得到車輛離開信息后，計(jì)算車輛停車時(shí)間以及停車費(fèi)用，同時(shí)啟動(dòng)燈光控制系統(tǒng)，引導(dǎo)車輛到達(dá)車庫門口，然后再次啟動(dòng)車牌識(shí)別系統(tǒng)，待車主交完停車費(fèi)后，道閘起桿，管理員將車位狀態(tài)更改為空閑狀態(tài)，車輛離開車庫后，道閘落桿。

二、物聯(lián)網(wǎng)智能車庫的關(guān)鍵技術(shù)

(一)射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)。射頻識(shí)別，RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)，又稱無線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。車輛識(shí)別模塊依靠RFID技術(shù)通過射頻信號(hào)獲取數(shù)據(jù)信息，并將信息進(jìn)行濾波、放大、調(diào)制解調(diào)和數(shù)模變換等處理，處理后的數(shù)字信號(hào)會(huì)被送到后臺(tái)的主機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的處理并命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。

RFID是一項(xiàng)易于操控，簡單實(shí)用且特別適合用于自動(dòng)化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)?？勺杂晒ぷ髟诟鞣N惡劣環(huán)境下：短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可以替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體；長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識(shí)別距離可達(dá)幾十米，如自動(dòng)收費(fèi)或識(shí)別車輛身份等。射頻識(shí)別系統(tǒng)具有讀取方便、快捷識(shí)別、數(shù)據(jù)容量大、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通信等系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

(二)Zigbee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

停車位測(cè)控節(jié)點(diǎn)由ZigBee通訊模塊外接聲響—光敏傳感器構(gòu)成，當(dāng)車輛停在停車位時(shí)，車身擋住光線造成光敏電阻阻值增大，輸出端輸出低電平，與之相連ZigBee節(jié)點(diǎn)接收到低電平信號(hào)將車位狀態(tài)傳回給控制器，在上層界面上顯示該車為被占用。

ZigBee通訊模塊核心芯片為CC2430，符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，采用跳頻技術(shù)，工作在2.4GHz頻段，傳輸距離較遠(yuǎn)，可組網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多。工作電壓一般為3.3V，可以使用電源供電也可以使用電池供電。具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、小數(shù)據(jù)快速傳輸且安全可靠的特點(diǎn)。

三、智能車庫的模塊設(shè)計(jì)

(一)車牌識(shí)別模塊。該模塊采用射頻識(shí)別技術(shù)，對(duì)小區(qū)出入車輛的信息進(jìn)行自動(dòng)收集后實(shí)時(shí)發(fā)送信息到數(shù)據(jù)處理中心，由數(shù)據(jù)處理中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，通過調(diào)用其他相關(guān)功能模塊，共同完成智能化停車。車輛識(shí)別模塊主要由前端信息采集、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)營運(yùn)中心四部分組成。

前端信息采集單元用來對(duì)車輛即時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行采集；信息傳輸單元用來把采集來的信息傳遞給后面的數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心主要用來分析處理各處傳來的數(shù)據(jù)信息，并且執(zhí)行相關(guān)程序；系統(tǒng)營運(yùn)中心負(fù)責(zé)與對(duì)車庫內(nèi)車位信息的管理。

圖1 停車引導(dǎo)模塊工作流程圖

圖2 光敏傳感器原理圖

(二)停車引導(dǎo)模塊。停車引導(dǎo)模塊由信息采集、通信傳輸、控制中心、燈光引導(dǎo)、信息發(fā)布等部分組成，其工作流程如圖1所示。其中，信息采集部分主要負(fù)責(zé)車位使用狀態(tài)和道路實(shí)時(shí)狀況等信息進(jìn)行采集，由車位測(cè)控節(jié)點(diǎn)和道路測(cè)控節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。以車位測(cè)控節(jié)點(diǎn)為例說明測(cè)控節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)，程序主要是由三個(gè)部分組成，第一部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和變量定義，第二部分負(fù)責(zé)車輛信息的獲取，第三部分負(fù)責(zé)對(duì)是否有數(shù)據(jù)幀需要被處理的判斷，并執(zhí)行相應(yīng)操作。車輛通過系統(tǒng)的燈光引導(dǎo)找到正確的車位信息，當(dāng)車位測(cè)控節(jié)點(diǎn)接收到系統(tǒng)發(fā)來的車輛信息，與識(shí)別的車輛信息比對(duì)成功后，打開車位擋車器，并及時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊將車位狀態(tài)信息發(fā)送至控制中心服務(wù)器，更新車位的使用情況。

(三)停車位檢測(cè)模塊。智能泊車系統(tǒng)中，停車位檢測(cè)模塊由ZigBee通訊模塊外接聲響—光敏傳感器構(gòu)成，光敏傳感器以光敏元件為媒介把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將信息即時(shí)傳給控制中心。

(四)無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊。數(shù)據(jù)接收基于ZigBee技術(shù)完成，將來自各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)判斷、處理后，對(duì)合法數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)發(fā)送也是基于ZigBee技術(shù)完成，發(fā)送數(shù)據(jù)部分負(fù)責(zé)偵聽串口數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)幀、判斷數(shù)據(jù)的有效性和合法性、處理數(shù)據(jù)幀、發(fā)送數(shù)據(jù)幀給傳感網(wǎng)絡(luò)。

四、總結(jié)與展望

(一)總結(jié)。近年來物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的為用戶生活提供便攜的智能應(yīng)用，而停車場(chǎng)價(jià)格跌宕起伏及開車一族的日益增多，用戶與停車場(chǎng)迫切的需要這么一款泊車管理平臺(tái)。文中就開發(fā)一款可以廣泛應(yīng)用的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能車庫管理系統(tǒng)的基本功能進(jìn)行研究。該智能車庫管理系統(tǒng)主要由車牌射頻識(shí)別和信號(hào)處理部分、區(qū)域內(nèi)部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分、智能燈光控制部分組成。本文的主要研究內(nèi)容如下：(1)介紹并分析了停車場(chǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展，并且根據(jù)此分析，做出了本系統(tǒng)的功能需求。(2)分析了用戶即停車場(chǎng)迫切需要的最主要的兩個(gè)功能：實(shí)時(shí)查詢最新的車位信息和停車位引導(dǎo)功能，為用戶提供便攜、為車庫管理者考慮。(3)在作出的功能需求的基礎(chǔ)上，綜合考慮各個(gè)模塊，設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作的完整流程。

(二)展望。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能車庫管理系統(tǒng)中，推動(dòng)了車庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、現(xiàn)代化的發(fā)展。本文研究取得的成果只是初步的，在研究過程中不斷地發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，但仍有許多地方需要改進(jìn)：(1)改善ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍的同時(shí)解決好數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。(2)對(duì)車輛的燈光引導(dǎo)缺乏靈活性，在車輛出入的高峰期其利用率和效果不太理想，對(duì)車輛的引導(dǎo)規(guī)劃還需要繼續(xù)研究。(3)車牌識(shí)別系統(tǒng)中傳感器的感應(yīng)距離問題需要進(jìn)一步的完善。(4)解決多個(gè)商業(yè)區(qū)停車場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)的問題，使管理者可以使用一個(gè)系統(tǒng)管理多個(gè)車庫信息。