物聯(lián)網(wǎng)智能停車場(chǎng)實(shí)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

物聯(lián)網(wǎng)智能停車場(chǎng)實(shí)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(duì)建筑電氣與智能化、自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)智能停車場(chǎng)系統(tǒng)，并應(yīng)用于綜合實(shí)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(shí)訓(xùn)。實(shí)踐表明該平臺(tái)有效提升了學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；智能停車場(chǎng)；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

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(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革與實(shí)踐[1-4]。設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的應(yīng)用背景與綜合性的實(shí)驗(yàn)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(qǐng)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(píng)估。對(duì)于這樣一個(gè)新建專業(yè)，在要求學(xué)生掌握相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，加強(qiáng)他們的工程實(shí)踐訓(xùn)練，讓他們具有較強(qiáng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)及建筑電氣控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、仿真和研究開發(fā)能力尤為重要。

我國(guó)在制定“十三五”規(guī)劃的建議時(shí)，提出實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)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(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用主要集中在實(shí)驗(yàn)室智能化管理方面[6]，而把智能停車場(chǎng)系統(tǒng)引入高校相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的研究則少之又少。

本文設(shè)計(jì)的智能停車場(chǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)作為我校建筑電氣與智能化、自動(dòng)化等專業(yè)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，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(xí)、遠(yuǎn)程控制等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行系統(tǒng)管理軟件的設(shè)置、操作和管理等拓展性實(shí)驗(yàn)，符合相關(guān)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)課程實(shí)訓(xùn)的要求。

2.停車場(chǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)成

智能停車場(chǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由系統(tǒng)主要由Internet網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、上位機(jī)、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、ZigBee 控制與采集節(jié)點(diǎn)四個(gè)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(chǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過程中，ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)實(shí)時(shí)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(jī)。最后，上位機(jī)將所有接收到的數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫中，并提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)顯示、控制指令下達(dá)和報(bào)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(chǎng)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(dāng)前空置停車位，即通過點(diǎn)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(jī)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的變化，就會(huì)立即向ZigBee協(xié)調(diào)器下達(dá)控制指令，實(shí)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(gè)停車位的使用情況，同時(shí)位于停車場(chǎng)內(nèi)的用戶可以實(shí)時(shí)地了解到停車場(chǎng)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(dá)控制指令來預(yù)定用戶想要的停車位。

3.實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的軟件工作原理

智能停車場(chǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)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(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，電腦上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)和 ASP. NET動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)。

上位機(jī)程序完成初始化以后，會(huì)實(shí)時(shí)查詢是否有遠(yuǎn)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(gè)終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)來搜集相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)（每個(gè)停車位信息、停車場(chǎng)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(jī)。上位機(jī)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存入特定結(jié)構(gòu)后再對(duì)進(jìn)行分析處理，同時(shí)更新用戶界面和數(shù)據(jù)庫，并將停車場(chǎng)內(nèi)信息顯示在上位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)上。

4.采用智能停車場(chǎng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

4.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

在完成物聯(lián)網(wǎng)、智能建筑通信網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化技術(shù)等相關(guān)課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生可以通過智能停車場(chǎng)系統(tǒng)的組成原理等實(shí)驗(yàn)來構(gòu)建完整的系統(tǒng)，了解系統(tǒng)各個(gè)功能模塊之間的工作關(guān)系，通過系統(tǒng)的整體運(yùn)作來檢測(cè)其完整性。

4.2 應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)

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

1）PC應(yīng)用程序?qū)嶒?yàn)

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

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

圖2 上位機(jī)顯示界面

2）網(wǎng)頁應(yīng)用程序?qū)嶒?yàn)

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(jī)同樣的顯示邏輯，即車位的空余狀態(tài)對(duì)應(yīng)為綠色，占用狀態(tài)對(duì)應(yīng)為紅色，預(yù)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)為黃色。網(wǎng)頁顯示和上位機(jī)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(cè)數(shù)據(jù)庫，來實(shí)時(shí)更新網(wǎng)頁。

圖3 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控界面

4.3 擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)具有良好的用戶交互界面和遠(yuǎn)程管理功能，具有良好的可移植性和可擴(kuò)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(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)通信。同時(shí)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(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)或整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的二次開發(fā)。具體實(shí)驗(yàn)包括傳感器功能擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)、收費(fèi)系統(tǒng)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)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(jī)技術(shù)、 自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等幾種技術(shù)一起，實(shí)現(xiàn)了一套基于 ZigBee 的停車場(chǎng)控制實(shí)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(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，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(chǎng)管理系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)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(jì)題目或是科研項(xiàng)目，通過研發(fā)和拓展實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提高動(dòng)手能力，實(shí)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(shí)物聯(lián)網(wǎng)智能停車實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比，符合本校相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)方案，為電氣自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供了切實(shí)可行的技術(shù)方案。

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廊坊市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)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(jì)劃項(xiàng)目（2016011050）“自適應(yīng)無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的研究及其在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用”。