王良彬，丘昌鑫，李 佳

（廣州新華學院FabLab創(chuàng)新中心，廣東 東莞 523133）

隨著科技的飛速發(fā)展和交通工具的普及，汽車作為人類社會中最主要的交通工具之一，起著重大作用。汽車數(shù)量的增長，使城市停車資源日益緊缺，機動車保有量與停車位供應量越發(fā)突出，停車難、亂停車、“一位難求”一直未得到有效解決。因此，停車難是急需解決的問題。據(jù)調查，在城市地區(qū)，30%的交通擁堵是由于司機為了找到一個停車位而造成的。在我國大城市停車位比例為1∶0.8,中小城市為1∶0.5，加上某些不文明停放現(xiàn)象，所以停車位供需缺口大、停車位空置率高問題并存。

傳統(tǒng)無線智能停車管理系統(tǒng)，是在車位上安裝監(jiān)測器，采用兩跳技術將車輛占用信息上報給運營商無線網(wǎng)絡（車輛檢測器通過ZigBee等短距傳播技術將信息上報給匯聚網(wǎng)關，匯聚網(wǎng)關再通過2G/3G網(wǎng)絡上報），然后通過停車管理平臺進行智能管理。這種系統(tǒng)的缺點是無線通信采用非授權頻段，私建無線局域網(wǎng)，存在信號干擾問題。匯聚網(wǎng)關覆蓋范圍有限，通常一個匯聚網(wǎng)關只能管理10～15個車位，需要大量架設網(wǎng)關，效率低下，設備成本及部署成本較高。

本文設計了一種基于NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）[1]的智能停車系統(tǒng)，采用NB-IoT技術的車輛檢測器直接將信息上報給運營商無線網(wǎng)絡，具有覆蓋廣、連接多、成本低、功耗少和網(wǎng)絡安全性高等特點，且不再需要匯聚網(wǎng)關。結合GPS進行車位的定位和智能車牌識別，再通過移動端進行車位信息展示和業(yè)務辦理，形成高效智能停車系統(tǒng)。

1 智能停車系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)介紹

本文設計的智能停車系統(tǒng)由硬件和移動端組成，其中硬件以STM32L476超低功耗芯片作為系統(tǒng)的控制器，BC95-TE-B（NB-IoT）模塊為車位鎖的通信節(jié)點，將車位信息發(fā)送給NB-IoT基站，GPS模塊進行精準定位車位位置和圖像識別模塊進行車牌的識別。系統(tǒng)運行流程如圖1所示，NB-IoT模塊將車位信息采集并實時地傳送給后臺云服務器，并在移動端中顯示。用戶通過移動端可以進行車位信息的查看和預約，并上傳自己的車牌號碼。系統(tǒng)將車智能導航到指定的車位，車到達車位后，通過圖像識別模塊進行車牌的識別，進行開鎖并進行自動計費。

圖1 系統(tǒng)運行流程

1.2 系統(tǒng)架構設計

本系統(tǒng)分為4層，自上而下分別由用戶應用層、云端服務器層、NB-IoT通信層和智能監(jiān)測終端層組成[2]，系統(tǒng)總體架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構

用戶應用層提供車位信息數(shù)據(jù)的顯示、用戶業(yè)務的辦理以及車位的引導功能。云端服務器層分別為應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器，數(shù)據(jù)庫服務器接收自NBIoT通信發(fā)射站發(fā)送的車位信息數(shù)據(jù)并存儲，通過應用服務器與應用進行數(shù)據(jù)連接。NB-IoT通信層為NBIoT通信基站，通過窄寬帶通信技術連接服務器和監(jiān)測終端，進行數(shù)據(jù)實時傳輸。智能監(jiān)測終端層負責數(shù)據(jù)的收集，由STM32L476芯片、NB-IoT模塊、GPS模塊和圖像識別模塊進行數(shù)據(jù)檢測和反饋。

2 硬件設計

2.1 STM32L476處理器

本系統(tǒng)采用STM32L476超低功耗芯片作為系統(tǒng)的控制器。STM32L476系列是基于高性能ARM Cortex-M4 32位RISC內(nèi)核的超低功耗微控制器（MCU），具有高達80 MHz工作頻率，還嵌入了高速存儲器（閃存高達1 MB，SRAM高達128 KB），靈活的外接存儲器控制器（FSMC）[3]，SPI閃存接口和各種增強的I/O，方便接入其他模塊和使用。本系統(tǒng)使用時間比較長久，需要很低的功耗，為了滿足系統(tǒng)低功耗[4-5]，同時對實時性要求很高（快速喚醒）的環(huán)境下，采用stop2模式，該模式下SRAM中的數(shù)據(jù)不會丟失，同時LSE，LSI時鐘不會關閉，支持多種的喚醒方式（RTC喚醒，LPTIM喚醒和LPUART喚醒）。

2.2 NB-IoT通信模塊

NB-IoT通信模塊采用BC95-B5芯片進行通信，支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接[6]，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）。NB-IoT支持待機時間長、功耗低、同時還能提供非常全面的蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋，一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，且支持低延時敏感度、超低的設備成本和低設備功耗[7]。BC95-B5使用電信運營商，使用CoAP協(xié)議[8]并通過電信IoT平臺對接的方式接入，再通過HTTPS協(xié)議到達服務器端。使用AT+NBAND?指令查詢當前模塊的頻段，本次測試使用電信模塊，因此NBAND設置為5。使用AT+NCONFIG?將AUTOCONNECT和R_0354_0338_SCRAMBLING設置為TRUE開啟自動注網(wǎng)模式和查看擾碼功能是不是和基站對應上。該模塊喚醒NB-IoT通信模塊并收發(fā)數(shù)據(jù)部分控制代碼如下：

voidInit_Key_GPIO（void）

{

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_AHBPeriphClockCmd（RCC_AHBPeriph_GPIOA|RCC_AHBPeriph_GPIOC，ENABLE）;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=KEY2_PIN|KE Y3_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Spe ed_2MHz;

GPIO_Init（KEY2_3_PORT，&GPIO_InitStructure）;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=KEY1_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_2MHz;

GPIO_Init（KEY1_PORT，&GPIO_InitStructure）;

}

2.3 定位模塊

定位模塊采用Air530定位模塊[5，9-10]，Air530模塊是一款高性能、高集成度的多模衛(wèi)星定位導航模塊。體積小、功耗低，可用于車載導航、智能穿戴和無人機等GNSS定位的應用中。模塊支持GPS/Beidou/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。采用了射頻基帶一體化設計，集成了DC/DC、LDO、LNA、射頻前端、基帶處理、32位RISC CPU、RAM、FLASH存儲、RTC和電源管理等功能。采用NMEA0183數(shù)字協(xié)議[11]，提供超高的性能，即使在弱信號的地方，也能快速、準確定位。Air530管腳圖如圖3所示，RXD串口和TXD串口分別連接STM32L476的PA2和PA3串口進行數(shù)據(jù)的輸入和輸出GPS NMEA格式定位數(shù)據(jù)。

圖3 Air530管腳圖

2.4 車牌識別模組

車牌識別模組[12]采用OV7670攝像頭模塊和邊緣檢測算法[13]進行車牌的識別。當車抵達指定的車位時，OV7670攝像頭模組啟動進行車牌的拍照，并上傳。后臺應用進行對照片車牌的定位，字符分割和字符識別等關鍵技術，識別出的車牌和上傳車牌進行對比，判斷是否開鎖。車牌識別流程如圖4所示，根據(jù)頂帽變換和底帽變換公式（1）方法來增強圖片對比度。

圖4 車牌識別流程

式中：enhanced（g）表示對比度增強后的圖像；g表示源圖像；Tophat（g）表示對g的頂帽變換；Bothat（g）表示對g的底帽變換。

進一步采用Sobel算子對圖像作水平差分，以求取垂直邊緣，加上了高斯平滑和二值化操作。對圖像識別精度大大提高。邊緣檢測部分代碼如下。

I1=rgb2gray（I）;

I2=edge（I1，'sobel'，0.15，'both'）;

se=[1;1;1];

I3=imerode（I2，se）;

se=strel（'rectangle'，[25，25]）;

I4=imclose（I3，se）;

I5=bwareaopen（I4，2000）;

[y，x，z]=size（I5）;

myI=double（I5）;

tic

Blue_y=zeros（y，1）;

for i=1：y

for j=1：x

if（myI（i，j，1）==1）

Blue_y（i，1）=Blue_y（i，1）+1

end end end

3 軟件設計與實現(xiàn)

軟件設計功能如圖5所示，軟件設計包括Web服務器和微信小程序2部分。Web服務器是針對管理員而開發(fā)的，方便管理者查看停車信息和小程序用戶反饋的信息。管理者通過平臺可以修改機器的使用時間，查看設備的情況并進行維修，使智能停車系統(tǒng)更加簡便和友好。

圖5 軟件設計功能

移動客戶端采用微信小程序來開發(fā)[14]，因為微信已經(jīng)成為人們每日必會打開的APP，用戶量巨大，且小程序開發(fā)成本低，開發(fā)周期短，有效節(jié)約開發(fā)時間、人力成本和功能成本等，非常適合本系統(tǒng)軟件的開發(fā)。用戶可以通過小程序注冊登錄，登錄頁面可進行停車車輛信息的查看，車位停放地點，自己車位約定的信息以及停車費結算。進入查找停車位界面，用戶輸入停車地點，系統(tǒng)查詢是否有車位，顯示車位的信息，點擊車位進行預約，輸入車牌號碼進行預約。用戶可點擊車位導航頁面進行導航到預約的車位。注冊登錄頁面和預約頁面如圖6所示。

圖6 小程序注冊登錄及預約頁面

4 實驗結果分析

智能停車系統(tǒng)最終能夠實現(xiàn)硬件監(jiān)測系統(tǒng)獲取車位的定位、狀態(tài)和時間信息，提交給數(shù)據(jù)庫。小程序可以顯示車位的信息和進行業(yè)務的辦理，進行導航到指定的車位，監(jiān)測硬件進行車牌識別，進行車位的解鎖并計算時間。小程序可結算停車費。智能停車系統(tǒng)最終通過小程序實現(xiàn)智能停車，提高停車的效率。

在車牌識別測試中，提供車輛車牌照片進行識別，識別原車牌照片如圖7（a）所示，識別結果如圖7（b）所示。通過測試，識別的不同車牌識別測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同車牌識別測試

圖7 原車牌照片及識別結果圖

5 結論

本文設計并利用STM32L476超低功耗芯片、NBIoT模塊、Air530定位模塊、車牌識別模組和小程序實現(xiàn)了智能停車系統(tǒng)。可通過小程序對車位信息和定位進行查看，選中車位輸入車牌號進行預約，規(guī)劃路線導航至車位進行識別開鎖。通過小程序查看停車時間和費用并支付，實現(xiàn)找車位、精準導航和支付一體化。本系統(tǒng)的設計，使車主快速找到停車位，降低尋找車位的時間，減少城市道路擁堵，提高城市空車位的利用率。