住宅小區大型地下車庫智能燈光導航與用電節能系統

李春林 / 任勇偉 / 孫正平 / 肖 娟

1.山東黃金地產旅游集團有限公司, 山東 濟南 250101 2.山東建筑大學信息與電氣工程學院， 山東 濟南 250101

1 引言

隨著經濟的飛速發展，小區地下車庫傳統的停車場管理系統變得越來越重要。傳統的停車場管理系統往往因停車刷卡造成塞車的現象，耽誤車主寶貴的時間。停車場內擁有大量的照明燈具，由于聲控開關的布局和靈敏度問題，很難達到理想的效果。筆者設計的智能地下車庫燈光導航管理系統能夠解決這些問題[1]。

本文在對車庫停車管理系統以及車牌自動識別技術進行分析的基礎上，提出了一套基于車牌識別技術的住宅小區大型地下車庫智能燈光導航與用電節能系統，該系統不僅能為管理人員和停車用戶提供方便，大大縮短停車用戶在車庫工作區自動道閘系統前的等待時間，而且該系統可為用戶規劃好停車路徑，進行燈光導航，不僅能做到能源的節約，而且為用戶停車提供方便，實現停車場內的人性化停車。

2 地下車庫管理系統總體架構

一個智能化的小區車輛管理系統，不僅能夠快速、準確地提供小區停車場內實時的停車狀態，而且應該具有對車輛來訪和離開自動登記和計費、引導車輛準確合理停放、提高車輛停放安全性、降低運營成本并能實時進行監控等多項功能。本文提出的住宅小區大型地下車庫智能燈光導航與用電節能系統主要由道閘管理、燈光導航、車牌識別等子系統組成。系統結構圖如圖1所示。

圖1 小區智能管理系統結構圖

出入口車輛智能管理系統采用具有補光燈、防護罩一體的高清晰度槍式攝像機作為圖像拍攝主體，利用基于圖像處理的車牌自動識別技術，采用模式識別、電磁感應、物聯網、數據庫等高科技技術手段，通過對車輛車牌圖像的采集和處理識別車牌，并基于數據庫與網絡通信獲得車輛的基本信息。該子系統實時監測并記錄出入車庫的車輛信息，包括出入車輛的圖像、車牌號碼、出入口、出入時間等，并與預存數據庫中的合法車輛信息比較，確定是否放行[2]。燈光導航系統是將無線通信技術、機械電子自動化設備、數據庫技術有機結合，控制地下車庫照明系統，達到節電節能的目的，同時保證對進入車庫的權限車輛提供有效的燈光導航服務和管理。

車牌識別是全新的管理技術，也是目前最先進、最智能化的車輛出入管理技術。車牌識別不僅可以實現零耗材管理、解決丟失停車憑證問題，而且可以明顯提升車輛出入效率、減輕人員的勞動強度。車牌識別技術能夠自動識別出車牌的顏色、數字、英文字母及漢字字符，使得停車場的自動管理和控制成為現實。車牌自動識別的基本流程是：當車輛通過車道時，車輛觸發地感線圈，攝像機拍攝照片送至出入口工作站計算機，出入口工作站檢出車牌區域，然后識別出車牌，將識別結果存入數據庫[3]。由于車牌識別技術目前的研究已相當成熟，本文不再對車牌識別子系統進行詳細描述。

3 出入口管理系統

出入口管理系統主要由攝像頭、地感線圈、圖像采集板卡、道閘及其控制器和工控機組成，如圖2所示。

圖2 出入管理系統示意圖

3.1 車輛入場管理

車輛駛入車牌攝像機抓拍區域，觸發地感線圈，車輛檢測線路發送信號至圖像采集控制部分，攝像機自動抓拍車輛的圖像并代用車牌識別程序識別出車牌號，然后通過檢索數據庫得出車輛類別、車位及車位路徑信息。如果有空余車位或該車為已錄入車牌信息的常駐車輛，則自動放行，同時記錄入場時間[4]。啟動燈光導航系統，依據從數據庫中獲取的車位路徑信息，依次打開路徑上的相應燈具，引導車輛進入自己的車位，以達到導航的目的。通過運動傳感器獲取車輛行駛的真實路徑以及真實停放位置。整個過程自動完成，無需人工干預，并且在該過程中車輛可一直處于低速行駛狀態，無需停車重啟。

3.2 車輛出場管理

車輛離開車位時，觸發運動傳感器，系統根據多傳感器綜合信息判斷出駛離車輛的信息，從而得到車輛駛離路徑信息。啟動燈光導航系統，依據從數據庫中獲取的駛離車位路徑信息，依次打開路徑上的相應燈具，引導車輛到達相應出口。車輛到達出口，系統根據車牌號判斷是否直接放行，如不能直接放行則計算停車費用，收取費用后放行。

3.3 出入口管理程序設計

車場管理系統中視頻采集卡的選擇非常重要，主要考慮以下幾點：

1)單張視頻卡支持同時采集視頻的路數。

2)視頻卡硬件壓縮速度。

3)視頻卡是否支持二次開發，SDK編程接口是否方便。

4)視頻卡能提供的視頻壓縮格式[5]。

系統程序流程如圖3所示。

圖3 出入管理系統程序流程圖

4 燈光導航系統

小區路上和停車場內安裝燈光控制器，本文針對一個照明燈具配有一個智能燈光控制器的情形進行研究。智能燈光控制器包括運動傳感器、燈光控制節點、無線通信、溫濕度采集模塊、光強檢測模塊、CO檢測模塊、車位使用檢測模塊等，其組成結構如圖4所示。

圖4 系統設計框架

運動傳感器判斷車輛的位置和行進方向等信息，智能燈光控制節點控制著照明燈具的亮滅，無線通信模塊負責燈光控制器與總控系統之間的通信[6]。

車庫的照明燈具平時全部處于關閉狀態。有車輛到達車庫入口時，攝像頭拍攝車牌圖像，通過車牌號碼判斷是否具有進入權限，道閘自動開啟。該車輛入場時間等信息記入數據庫，同時從數據庫中提取出該車輛的車位位置、住宅位置信息，根據車庫照明系統的布置情況，規劃出該車進入車庫后的正確行駛路徑，以及駕駛員下車后步行回家的路徑，并依次開啟相應的燈光作為導航。主控制器通過無線網絡發出控制命令，依此打開該路徑上的所有照明燈具，引導車輛沿正確路線行駛。

本部分的功能描述采用線性時序邏輯進行LTL描述。線性時序邏輯使用原子命題變元p、q構成線性時序邏輯公式，或者由布爾運算符∨、∧、┓或時序操作符◇、□、○、∪、ω等連接形成新的復合公式，用以描述系統性質[7-8]。

4.1 車輛按照規劃的路徑行駛

車輛按照規劃好的導航路徑行駛，此時該路徑上的燈具已經打開。車庫中的運動傳感器實時判斷車輛的當前位置，車輛駛過之后路徑上的燈具自動熄滅。其過程描述如圖5所示[9]。

圖5 規劃路徑上燈具控制過程

其中，m1表示傳感器檢測到車輛或人離開的運動信息,m2表示啟動燈光控制器，m3表示控制器關閉燈具。當運動傳感器檢測到車或人的運動信息后，必存在某一時刻，有主控制器控制打開的燈具自動關閉。使用線性時序邏輯描述可形式化表示為:運動傳感器檢測到車輛離開的消息m1，(Car R1∧m1→○Sensor S1)；傳感器發送信息m2到智能控制節點，(Sensor S1∧m2→○Control C1)；由于此時燈具已打開，控制節點發送消息m3至燈具，在滿足時間約束條件后，關閉燈具，(Control C2∧m2→○Light L1)。

4.2 車輛未按照規劃的路徑行駛

如果車輛未按規劃路徑行駛，運動傳感器判斷出車輛位置后，會將車輛附近的照明燈具打開，為車輛行駛提供方便。同樣車輛駛過之后，關閉這些燈具。過程描述如圖6[9]。

圖6 非規劃路徑上燈具控制過程

其中，m1表示傳感器檢測到車輛或人靠近的運動信息,m2表示啟動燈光控制器，m3表示控制器打開燈具，m4表示傳感器檢測到車輛或人離開的運動信息,m5表示啟動燈光控制器，m6表示控制器關閉燈具。當運動傳感器檢測到車或人靠近的運動信息后，必存在某一時刻,燈光控制器控制打開燈具；當運動傳感器檢測到車或人離開的運動信息后，必存在某一時刻,燈光控制器控制關閉燈具。該過程用線性時序邏輯描述如下：運動傳感器檢測到車輛靠近的消息m1，(Car R1∧m1→○Sensor S1)；傳感器發送信息m2到智能控制節點，(Sensor S1∧m2→○Control C1)；控制節點發送消息m3至燈具，在滿足時間約束條件后，打開燈具，(Control C2∧m2→○Light L1)；車輛駛離時，運動傳感器檢測到車輛離開的消息m4，(Car R2∧m1→○Sensor S2)；傳感器發送信息m5到智能控制節點，(Sensor S2∧m5→○Control C3)；控制節點發送消息m6至燈具，在滿足時間約束條件后，將燈具關閉，(Control C4∧m6→○Light L2)。

車輛到達十字路口時，對燈具的控制可引入概率轉移矩陣。在統計的基礎上，得到車輛在各路口的概率轉移矩陣，由主控機控制將車輛轉向概率最大的方向上的燈具打開。

另外，車輛駛離車位時，系統根據運動控制器的信息可獲得駛離車輛信息，啟動燈光導航系統，依次打開相應燈光，引導車輛正確到達出口。

5 結束語

本文針對住宅小區內私家車越來越多的情況提出了一套小區地下停車場的智能管理系統。該系統節省了住戶在欄桿前的等待時間，為住戶停車提供燈光導航服務，節約能源。實際使用過程中，天氣和攝像機角度對車牌識別的結果存在影響，可在后續開發中優化算法，使之受環境影響繼續降低。對車輛的燈光導航，可以進一步研究，探索動態規劃方法。為減少成本，可以考慮一個控制器控制幾個照明燈具。

[1] 周嗣恩，韓鳳春.智能化停車場管理體系研究[J].中國防偽報道，2009，(01)：14-17.

[2] 任杰.小區智能車輛管理系統的設計與實現[D].華東師范大學碩士學位論文,2012.

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[4] 鮑衛兵.住宅小區出入口車輛智能管理系統的實現[J].工業儀表與自動化裝置 ,2010,4.

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[8] 黎升洪,繆淮扣,張新林.線性時態邏輯中的特性模式[J].計算機應用,2006 ,26( 8 ) : 1912-1915.

[9] 張丹,倫立軍.基于 LTL的交通燈系統形式化描述方法. 哈爾濱師范大學自然科學學報,2009.25(6):89-92.