基于物聯網的車位檢測誘導系統

楊懷德

摘要： 關鍵詞： 中圖分類號： 文獻標志碼： A文章編號： 2095-2163（2017）06-0139-03

Abstract： In order to solve the parking problem caused by the sharp increasing of car ownership in cities， a design of parking space detection guidance system is introduced， which uses the wireless monitoring node of geomagnetic parking state to measure the status of parking space， and uses ZigBee to build a wireless network for information transmission， and so inducts parking for drivers. The experimental results show that the system can carry out parking guidance accurately， improve the parking efficiency and the utilization ratio of parking spaces.

0引言

隨著城市機動車保有量的迅猛激增，交通擁堵、停車困難、亂停亂放、停車糾紛、車輛安全、環境污染等交通相關的問題日益嚴重，尤其停車難是其中突出問題，30%的城市擁堵都是因為人們四處尋找停車位而造成的。而且，因為停車難，許多車輛胡亂?？吭隈R路兩側，進一步加劇了城市擁堵?；诖?，為了真正緩解亂停亂放所造成的道路擁堵問題，大型停車場得到廣泛應用，然而由于傳統的停車場管理方式存在車位信息不透明、車位利用率低等因素使得停車難的問題并未展現得以控制的可觀態勢。因此，除城市規劃中有針對性籌建、新建停車場外，如何對現有的停車位進行有效管理以提高其利用率即已成為當下迫切需要解決的熱點關鍵問題。

國內外己經有許多學者對此展開了研究且取得了頗多成果。文獻[1]針對停車系統中的信息傳輸可靠性問題提出了一種載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）與應答包（ACK）相結合的機制來減少數據碰撞率和丟包率，改善了系統的性能。 文獻[2]從跨層優化的角度研發了一種基于 WSN 的地下停車場誘導信息系統（UPIS），MAC層采用基于 TDMA 的調度機制（CTD-MA）來降低節點的通信開銷；網絡層采用能量感知路由動態調整拓撲結構，平衡網絡開銷，從而達到優化網絡性能的滿意效果。文獻[3]利用RFID和無線傳感網絡實現了一種泊車誘導方案，該方案通過數據融合降低無線通信的開銷。文獻[4]則給出了一種基于藍牙通信的停車場誘導泊車設計方案，該方案結合藍牙、語音技術，對駕駛員進行誘導泊車。本文重點研究構建了一種基于物聯網的車位檢測誘導系統，該系統具有可快速部署、無人值守、功耗小、成本低等優點，尤其適用于智能停車場。

1系統總體設計

為了提升停車場的車位利用率和駕駛員的停車效率，車位檢測誘導系統應該能給駕駛員提供準確的車位信息和停車場的交通情況，駕駛員可以選擇自行前往或者經車載終端導航到車位[5-6]。因此，系統首先需要實時準確地獲取停車場的有效停車位、平面圖信息、停車場內交通流信息、各種選擇方式下的最優停車路線等指標參數，其次，系統還需要根據車輛當前的位置推薦最優的停車位和行駛路徑給駕駛員，并且通過LCD顯示停車場平面圖信息、當前區域的位置信息和空閑車位信息，供自主前往的駕駛員使用；最后對于使用車載終端導航前往的用戶，系統還應提供導航的功能。因此，可將系統分為車位檢測模塊、無線通信模塊、路徑誘導模塊，主控中心模塊，如圖1所示。其中，無線通信模塊包括：下位機無線通信模塊和上位機無線通信模塊，而主控中心模塊則用于收集停車場的車位信息和車輛信息，并對車輛進行車位分配和路徑規劃。

本文設計使用CC2530為停車場的核心控制器，采用匯編和C語言編程，接受外部輸入信號，控制引導的顯示；采用微型計算機為顯示中心和數據處理核心，顯示程序采用Delphi 語言；采用ZigBee為傳感節點和核心控制器進行數據傳輸；外部信號的采集是通過磁阻傳感器，將探測到的車位信息送交給傳感節點；人機接口方面采用語音和LCD顯示屏，可以通過聽覺和視覺相結合的方式來形成停車引導；同時為了配合上述實現，還需要A/D轉換器，電平標準轉換等多種元器件或者芯片。停車誘導系統的工作原理為：

1）泊位信息采集設備在停車場的各出入口實時檢測進出車輛，采集停車場車位變化數據。

2）此車位變化數據通過ZigBee無線網絡由停車誘導系統執行傳送，再經過停車誘導控制系統的專用處理后，生成對應于各停車場的空余泊位數據，并對相應信息顯示牌給出明確識別劃分。

3）對應停車場的空余泊位數據經由合理分配和路徑規劃，再將得到的處理結果下達到至關聯車載節點，并在車位顯示牌標出空余泊位，從而向駕駛員通報各停車場的有效空位信息，為駕駛員提供自主選擇的基礎依據。

2系統研究設計

本文的車位檢測誘導系統利用監測節點、中繼節點組成的無線傳感網絡實時收集車位和車輛信息，向用戶發出實時的停車場停車位可用性信息，并引導用戶快速找到空車位。當有車輛進入或離開停車位時，監測節點在很短的時間內檢測到車位狀態變化，并通過無線傳感網傳送給主控中心，一旦主控中心收到車位信息就會立即通知信息管理控制中心，控制中心重新計算誘導信息、停車費用、空余停車位數目等，將實時更新導引屏和信息屏，完成誘導信息的發布。

2.1車位檢測設計

車位檢測是用來實時獲取停車場中的停車信息，包括正在使用的車位和空閑車位信息[7]。在停車場的內部，每個車位上都安裝了一個車位檢測子單元，這個子單元可以精確地檢測到該車位的使用狀況：如果并未檢測到車輛擺放，該車位就被歸為可使用車位；如果檢測到有車輛?？?，該車位就會歸為不可使用車位[6-7]。基于此，本文即選用弱磁傳感器感測車位上方磁場強度的變化，利用泊車前后的磁場強度之差來判別該停車位的狀態。傳感器模塊的核心元件采用霍尼韋爾的 HMC5883L，該芯片包括設計先進的 HMC118X 系列磁阻傳感器，可同時測量X、Y、Z 三個方向的磁場信息，這三個方向是正交的，對這三個方向的數據進行處理可以得到磁場的角度，每個方向擁有兩個8 bit的數據寄存器A和B，寄存器A中儲存一個測量結果中的高位數據，寄存器B中儲存一個自測量結果的低位數據，這兩個寄存器中的值是以二進制補碼形式存在的16 bit，其范圍是0XF800～0X07FF。 HMC5883L因其靈敏度高、可靠性好、功耗低，特別適合于大規模、長時間的車位狀態監測。而由研究可知，HMC5883L磁阻傳感器檢測車位上方是否有車輛停泊的基本原理是：當車位上方沒有車輛停泊時，水平放置的傳感器Z軸方向的值很小；當有車輛停泊時，由于車輛結構中選配的大量金屬部件會對周圍的地磁場產生較大的影響，水平放置的傳感器 Z 軸方向的值會出現明顯的變化，因此 Z 軸方向的數據能直接反映出車位占用情況。該研究模塊的電路設計如圖2所示。endprint

HMC5883L使用源自IIC協議衍生的簡化后的通信接口協議，傳輸速率是標準的100 kpbs或者400 kpbs，總線格式是一個8 bit數據/地址傳送和1 bit應答位。有效的數據字節格式應是區分大小寫的ASCII字符或二進制字符；返回值為二進制數據，負的二進制將以補碼形式傳回。HMC5883L的默認7 bit從機地址為0x3C的寫入，0x3D的讀寫操作。SCL與SDA線需要10 K的上拉電阻。

2.2無線傳輸模塊設計

無線傳輸模塊采用CC2530內部集成的RF模塊作為核心模塊，實現無線組網、數據包尋找終端進行數據交換的功能。CC2530芯片具有地址配對的性能模式，只需要在寫入程序時，設置配對終端的地址即可發送、接收、以及處理數據，這就成功保障了信息的A/D轉換及收發，因此這部分的主要工作是射頻電路的設計。無線RF的外圍電路連接與CC2530芯片有對應的引腳接口：引腳25對應RF_N，引腳26對應RF_P，可得電路設計如圖3所示。CC2530是符合802.15.4協議的RF芯片，在802.15.4協議中，MAC層有固定的協議格式和不同種類的命令，協議中包括命令類型、源地址和目標地址等重要信息。無線收發部分的寄存器較多，需要在內嵌芯片初始化后才能正常使用其無線收發的功能。初始化部分包括接收數據包幀過濾控制、發射功率控制和信道選擇。發送過程可分為偵聽SFD清除信道、關閉接收中斷、填充緩沖區、啟動發送并等待發送完成、恢復接收中斷五個階段。特別地，在填充緩沖區過程中，CC2530的物理層負載部分第一個字節為長度域，長度域的值需要考慮CRC字段的長度。而無線接收部分則可以分為無線接收中斷處理和無線數據幀處理兩個階段。前者中，僅需查詢標志位即可，RFIRQF0的第6位為完整數據包接收中斷標志，若CC2530接收到一個完整的無線數據包，該標志位便會置位。由于CC2530包含多種RF中斷類型，在進入中斷服務函數之后可以通過查詢標志位的方法轉入相應的處理任務；進入無線數據幀處理階段后，首先讀取接收緩沖區的表征數據包長度的第一個字節，由于發送端考慮了CRC字段，因此，接收時也需要考慮該因素。如果CRC校驗成功，那么就依次讀取接收緩沖區字節數據，通過串口發送這些字節數據，并附加二個RSSI結果。

2.3停車誘導模塊設計

停車誘導模塊由車位分配功能和路徑誘導功能組成。其中，車位分配功能能夠從當前空閑車位中推薦最優的停車位給用戶，路徑誘導則是在給定車位后為用戶去往該車位提供導航指示功能。這里，將給出具體研究內容如下。

2.3.1車位分配功能

本設計根據停車場面積和交通流線將其劃分為多個區域進行車位分配。對于購買或租用車位的用戶，將分配固定區域、固定車位；對于會員卡及臨時卡用戶，將在停車場各分配區域還剩余空位時，為用戶分配臨時車位。分配車位時，優先在流動車輛 （待停車輛及剛離開車位車輛）較少區域實施分配，以避免場內某區域內流動車輛過多而出現擁堵。系統進行車位分配時，需要考慮諸多因素。如果用C 表示車輛、N表示時間、 R表示車位， 車位分配問題的目標就是找出滿足約束條件的（C， N， R）組合。如何安排統籌后的分配次序，不僅關系到算法的性能、安排的合理性，更牽涉到最終能否求出可行解。因此，分配次序的好壞也是每個算法中均需慎重分析處理的問題。在本文的算法中，是對每組 （C， N， R）設定優先級，然后按照優先級的高低次序分配車位。設定（C， N， R） 優先級需要考慮的因素有：

1）停車位到電梯距離。

2）由入口駕車到停車位距離。

3）分區內流動車輛的數量。在進行車位分配時，考慮停車場各個分區交通狀況，分配車位時要均衡調配各個分區流動車輛數量，避免分區也發生擁堵。

4）停車位是否易于停放，即車位兩邊是否有車停放、有柱子或處于停車場盡端 （靠墻），在運算時分別考慮：

① 停車位處于盡端；

② 停車位兩邊均為車；

③ 停車位一邊為車、一邊為柱；

④ 停車位一邊為車、一邊為空位；

⑤ 停車位一邊為柱、一邊為空位；

⑥ 停車位兩邊均為空位。

算法在選擇每組停車任務（C， N， R）時是按貪心策略來展開研究，即按（C， N， R）優先級的降位次序選擇最高優先級的停車任務，進而得出最佳停車位。

2.3.2停車路徑誘導功能

停車路徑誘導功能通過信息顯示和語音提示組合完成。信息顯示模塊的核心是顯示屏，本系統采用ST7735。ST7735是一款單芯片控制器/驅動器262K色，圖形型TFT-LCD。該芯片接受串行外圍接口（SPI），8/ 9/ 16/ 18 bit并行接口。顯示數據可以存儲在片上，顯示數據為132 ×162×18位RAM。而且還可以執行顯示數據RAM讀/寫操作，沒有外部操作時鐘，由此達到功耗最小。ST7735與CPU之間的電路連接設計如圖4所示。

語音提示功能是結合車輛位置和路徑信息在關鍵路徑節點生成語音提示，避免駕駛員駛入錯誤的路線，通過語音提醒，駕駛員可得知行車方向、包括到下個路口的行駛距離，以及當前停車場內的交通情況。

3結束語

本文著重研究了基于物聯網的車位檢測誘導系統的設計，給出了系統的設計框架圖，并詳細討論了系統的硬件和軟件實現方案。本文研究成果適用于大多數智能停車場的需求，對后續功能的完善和拓展研發具有良好參考價值。

參考文獻：

[1] CHEN Mingkai，CHANG Tianhai. A parking guidance and information system based on wireless sensor network[C]//2011 IEEE International Conference on Information and Automation （ICIA）. Shenzhen， China：IEEE，2011：601-605.

[2] SUN Hao，CHEN Yongrui，XU Xuzhu， et al. Underground parking information system based on wireless sensor network[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences，2013，30（5）：664-670.

[3] MAINETTI L， PALANO L， PATRONO L， et al. Integration of RFID and WSN technologies in a smart parking system[C]// 2014 22nd International Conference on Software， Telecommunications and Computer Networks （SoftCOM）. Split， Croatia：IEEE， 2014：104-110.

[4] 齊保良，趙飛，孫敏. 基于藍牙通信的停車場誘導泊車系統[J]. 計算機工程與設計，2017，38（2）：557-561.

[5] 李艷萍， 察曉龍， 于東敏. 基于物聯網技術的停車誘導系統的架構分析[J]. 電腦知識與技術， 2013，9（5）：1207-1208.

[6] 及娜. 基于無線地磁節點的停車誘導信息系統研究[D]. 合肥：中國科學技術大學， 2015.

[7] 曹永健. 基于物聯網技術的定位誘導系統[D]. 南京：南京信息工程大學， 2015.endprint