摘要：設(shè)計了一種反燃油車占位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由具有攝像頭的車輛識別系統(tǒng)和反破壞智能控制地鎖組成，并采用EFM32單片機(jī)，利用圖像掩膜和基于模板匹配的OCR算法進(jìn)行車牌顏色和車牌字符識別，同時設(shè)計有前后可1800彈性擺動的車位鎖搖臂，防止暴力破壞。該系統(tǒng)可以精確識別來車屬性，結(jié)合停車收費(fèi)策略調(diào)整開放策略，防止充電車位被侵占，能夠在專用充電場站版解決方案和自由停解決方案之間切換，為城市停車位不足、燃油車占位等問題提供解決方案，促進(jìn)我國新能源電動汽車的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動汽車；反占位；車牌識別；停車方案

中圖分類號：U463 收稿日期：2023-02-15

1前言

電動汽車因其能耗價格低廉、乘坐舒適以及限牌限行城市可無阻通行的特殊性成為越來越多人的選擇，依托電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的城市更是迎來電動汽車的快速增長。當(dāng)前，城市的發(fā)展和規(guī)劃策略的滯后性導(dǎo)致停車位供應(yīng)不足，尤其是城市老城區(qū)地塊使用飽和，停車位的建設(shè)難題更為突出。

電動汽車對能源需求比燃油車小，為電動汽車提供的充電車位卻經(jīng)常被燃油車侵占，在保障燃油車和電動汽車合理停車位數(shù)量占比的背景下，如何限制燃油車對充電車位的侵占，成為城市里越來越突出的問題。

目前對于燃油車占位的解決方法有法理層面和技術(shù)層面兩種：a.法理層面：依靠出臺法律規(guī)范，對燃油車占位提出懲罰性收費(fèi)等處罰。b.技術(shù)層面：有中國學(xué)者提出基于智能地鎖和充電預(yù)約平臺相關(guān)聯(lián)的方案，使用智能地鎖的過程需要與充電樁的狀態(tài)保持一致，使用戶選擇充電樁的同時也選擇地鎖，保證充電樁和停車位狀態(tài)一致。用戶需要提前預(yù)約充電樁同時鎖定地鎖，使燃油車無法占用車位。但這種解決方案對臨時進(jìn)場需要充電的電動車不友好，且預(yù)約到使用期間充電樁處于未利用狀態(tài)，并不適用于充電需求緊張的地區(qū)。

本文提出一種反燃油占位系統(tǒng)方案，利用具有攝像頭的車輛識別系統(tǒng)識別燃油車和電動汽車控制地鎖阻止燃油車占位。

2反燃油車占位系統(tǒng)的具體實施辦法

本研究團(tuán)隊設(shè)計了一套采用可集成于充電樁的車牌識別相機(jī)+反破壞車位鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效幫助城市管理者或運(yùn)營商解決燃油車占位、電動汽車無法正常停車充電的這一問題，提升車主的充電體驗和充電樁利用率。該方案是在充電樁上集成安裝車牌識別相機(jī)，并在充電車位處安裝車位鎖，當(dāng)遠(yuǎn)方有車輛行駛過來，相機(jī)識別到是新能源汽車時，會自動降下車位鎖，為新能源車輛提供便捷的充電服務(wù)。

車牌識別相機(jī)支持http/tcp協(xié)議推送識別結(jié)果，配有標(biāo)準(zhǔn)開放接口，可以與充電平臺和停車場無人值守平臺無縫對接，可以實現(xiàn)車位狀態(tài)實時監(jiān)測，進(jìn)行車輛行駛軌跡跟蹤，精準(zhǔn)判斷充電車位狀態(tài)，有效提高單樁使用效率；可以實現(xiàn)充電減免、超時充電收費(fèi)等功能；還可以針對充電樁場景和客戶個性需求進(jìn)行定制專屬方案服務(wù)。

該反占位系統(tǒng)車牌識別模塊可以通過攝像頭查看開向該停車位的汽車，對汽車種類進(jìn)行識別分析。如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)識別到燃油車進(jìn)場時，地鎖保持豎立并提示“注意，禁止停放燃油車”。

車位鎖止模塊設(shè)置在停車位上，車位鎖止器與識別系統(tǒng)保持通信。當(dāng)識別到來車為燃油車時，地鎖保持閉鎖狀態(tài)，禁止燃油車?？?。當(dāng)識別來車為電動汽車或可插電式混動汽車時，地鎖會打開釋放，讓待充電汽車?？?，如圖2所示。

3識別系統(tǒng)的設(shè)計

汽車車牌自動識別整個過程分提取屏幕區(qū)域預(yù)處理、車牌定位、車牌識別。工作邏輯如圖3所示。

其基本工作過程如下：

a.車輛進(jìn)場前，集成在充電樁內(nèi)的攝像頭捕捉到動態(tài)物體，識別為汽車，車輛識別系統(tǒng)被喚醒，開始拍攝車輛圖像。

b.攝像頭拍攝帶有車牌的圖像，通過計算機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，在圖像預(yù)處理中，初始圖像會經(jīng)過圖像轉(zhuǎn)化、圖像增強(qiáng)、濾波和水平校正等。

c.檢索模塊對車牌位置進(jìn)行選定，分割出包含牌照字符號碼的矩形區(qū)域。

d.對牌照字符進(jìn)行二值化并分割出單個字符，經(jīng)歸一化后輸入字符識別系統(tǒng)進(jìn)行識別。

e.顏色識別。這里是識別并反燃油車占位的關(guān)鍵。這里的關(guān)鍵是使用圖像掩膜，圖像掩膜是用選定的圖像、圖形或物體，對處理的圖像（全部或局部）進(jìn)行遮擋，來控制圖像處理的區(qū)域或處理過程。根據(jù)不同顏色的hsv閾值取掩膜，掩膜得到的白色像素值最大的就是對應(yīng)的顏色。

主要區(qū)分3種顏色的車牌：藍(lán)色、黃色和綠色。

得到的閩值如下：

lower_blue=np.array（[100，43，46]）

upper_blue=np.array（[124，255，255]）

lower_yellow=np.array（[15，55，55]）

upper_yellow=np.array（[50，255，255]）

lower_green=np.array（[0，3，116]）

upper_green=np.array（[76，211，255]）

基于上述顏色閾值使用Opencv+python編程，由計算機(jī)做圖像掩膜，識別車牌顏色。

f.車牌號碼識別。采用基于模板匹配的OCR算法進(jìn)行字符識別，模板匹配的主要特點是實現(xiàn)簡單，當(dāng)字符較規(guī)整時對字符圖像的缺損、污跡干擾適應(yīng)力強(qiáng)且識別率相當(dāng)高。綜合模板匹配的這些優(yōu)點我們將其用為車牌字符識別的主要方法?；谀０迤ヅ涞腛CR的基本過程是：首先對待識別字符進(jìn)行二值化并將其尺寸大小縮放為字符數(shù)據(jù)庫中模板的大??；然后與所有的模板進(jìn)行匹配；最后選最佳匹配作為結(jié)果。

4地鎖設(shè)計

在修建停車位時應(yīng)考慮好反燃油車占位系統(tǒng)電路的預(yù)埋工作，該工作可與充電樁基建工作同時進(jìn)行。車位鎖使用低碳合金鋼制造，采用三防設(shè)計：防撞、防壓、防水。地鎖結(jié)構(gòu)圖與局部實物圖見圖4。

該車位鎖由底座、搖臂、電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、傳動軸、限位器以及信號模塊、控制模塊、毫米波雷達(dá)及雷達(dá)檢測模塊組成。車位鎖采用的電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)，利用力矩傳感器，配合搖臂前后1800彈性設(shè)計，當(dāng)車位鎖被暴力推倒，會被力矩傳感器檢測到，并且此時超聲波雷達(dá)檢測到車位鎖上方有車輛遮擋，搖臂會被平直鎖止，與地面平行。這樣的設(shè)計使得車位鎖搖臂具有隨外力擺動的功能，不會因暴力駛?cè)攵ㄗ≥喬セ虻妆P，外力解除后，擺臂會立即復(fù)位。

這樣，即使燃油汽車暴力駛?cè)?，也不會給雙方造成嚴(yán)重?fù)p害，而對燃油汽車占位的懲罰方式為高額停車計費(fèi)或者聯(lián)系管理人員前來勸阻，這可以由停車場管理方靈活決策，并由集成在充電樁上的語音提示器提示車主。

5控制系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用24 V直流系統(tǒng)供電，電源使用市電整流變壓后提供，同時配備有蓄電池，蓄電池同樣集成設(shè)計于充電樁內(nèi)，在市電斷電后，系統(tǒng)依然可識別來車，并做出相應(yīng)操作，提高安全和可靠性。

本系統(tǒng)采用EFM32單片機(jī)，EFM32 32位單片機(jī)是由Silicon Labs公司采用ARM Conex-M內(nèi)核設(shè)計而來的高性能低功耗32位控制器，是Conex-M內(nèi)核，內(nèi)核的指令效率以及代碼密度比傳統(tǒng)的8位單片機(jī)高，尤其在算法處理方面具有比較大的優(yōu)勢，這在計算車輛位置上有明顯的優(yōu)勢。片上帶有1M采樣速率的12位ADC，配合PRS及DMA可以實現(xiàn)精準(zhǔn)定時的采樣和數(shù)據(jù)存儲，更精確地得到返回波形的相位，使MCU具有更快地處理及響應(yīng)外部事件的能力，更適合本應(yīng)用方案。除此外，EFM32片上集成高達(dá)8x36的LCD驅(qū)動器，甚至支持16位RGB接口的TFr屏驅(qū)動，豐富的集成外設(shè)為不同的系統(tǒng)應(yīng)用提供多樣性的選擇。

6軟件設(shè)計

本反燃油車占位停車管理系統(tǒng)的開發(fā)使用已經(jīng)十分成熟的SSM框架，這樣有利于后期的迭代開發(fā)。以JsP作為停車管理系統(tǒng)的頁面展現(xiàn)，Spring MVC用來接受管理員的各類請求并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)后將結(jié)果告知管理員。Spring作為全局管理者擁有對所有對象的管理權(quán)限，包括創(chuàng)建、銷毀和關(guān)系。當(dāng)車輛進(jìn)入識別區(qū)域時，相機(jī)立即啟動檢測，識別車身、車牌等車輛特征信息，全程記錄并跟蹤車輛行駛軌跡，根據(jù)車輛進(jìn)入、停穩(wěn)、離場的不同狀態(tài)，實時顯示車位占用空閑狀態(tài)，并生成圖片及視頻證據(jù)，將結(jié)果通過http/tcp等通信協(xié)議實時上傳客戶云端，防止燃油車占位以及新能源車短充長停。

7停車方案設(shè)計

本系統(tǒng)提供兩種燃油車占位解決方案。

a.專用充電場站版解決方案。

充電場站版解決方案通過車牌識別相機(jī)和智能停車場收費(fèi)系統(tǒng)智能判斷車牌類型、新能源車輛落鎖停放、拒停燃油車和黑名單車輛。可語音提醒，或通過挪車平臺聯(lián)系車主停留時間超過充電時長，解決停車不充電、短充長停等問題，打造充電無憂、充電有位的完美體驗。

b.自由停解決方案。

自由停方案融合圖像識別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、流媒體技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)，通過智能停車場收費(fèi)系統(tǒng)調(diào)高燃油車在充電車位上的費(fèi)率來解決燃油車占位問題，任何類型的車輛都可以停在充電位上，實現(xiàn)車輛自由停泊，保證了新能源車輛對充電位的使用權(quán)，同時提高了車位利用率，緩解停車壓力。

8結(jié)語

本文根據(jù)已有成熟車牌識別系統(tǒng)和車位車鎖裝置，基于機(jī)器視覺開發(fā)出一種智能反燃油車占位系統(tǒng)。本文的反燃油車占位系統(tǒng)具備的車牌識別系統(tǒng)能夠精確識別來車屬性，結(jié)合停車收費(fèi)策略調(diào)整開放策略，能夠在專用充電場站版解決方案和自由停解決方案之間切換。該系統(tǒng)軟件的層面開放度高，也可施加更多模塊或策略，比如預(yù)約停車充電策略。語音提示使得該系統(tǒng)頗具人性化，為創(chuàng)建友好型城市發(fā)力。