基于單片機(jī)圖像識(shí)別的智能停車(chē)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李廣宇 李智陽(yáng) 李益樂(lè) 湯穎娟 李翠霞

Abstract： With the increase of population and the improvement of people's living standards， the total number of vehicles is increasing explosively， and the transportation and parking of this huge population is the main problem faced by the society. In this paper， the purpose of this paper is to indirectly improve the problems and the experience of people's parking by combining the image recognition technology based on single chip computer with all kinds of designed and developed software applications （WeChat small program， App， backstage management system）.

引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快節(jié)奏發(fā)展，人口擁擠，車(chē)輛眾多，有關(guān)城市停車(chē)的大量需求正日趨迫切地?cái)[在人們面前。現(xiàn)有的停車(chē)場(chǎng)系統(tǒng)中，大多是采用近距離卡對(duì)用戶出入停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行管理，駕駛員與停車(chē)場(chǎng)管理人員都要遵循一系列規(guī)范行為操作，這顯然是一個(gè)效率低下的管理方法。基于此，為改善這一問(wèn)題現(xiàn)狀，項(xiàng)目小組經(jīng)過(guò)廣泛的調(diào)研和分析[1]，成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于單片機(jī)圖像識(shí)別的智能停車(chē)系統(tǒng)。這里將展開(kāi)如下研究論述。

1系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

1.1圖像識(shí)別技術(shù)

（1）功能設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)控制的車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)，針對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)文檔的部分需求，將定制研發(fā)各類主題功能，可對(duì)其表述如下。

① 通過(guò)攝像頭抓取車(chē)牌圖像。

② 通過(guò)智能算法識(shí)別車(chē)牌圖像中的信息（漢字、字母和數(shù)字）。

③ 對(duì)獲取信息進(jìn)行傳輸。

④ 對(duì)獲取信息進(jìn)行保存。

⑤ 對(duì)信息進(jìn)行匯總和直觀顯示。

（2）系統(tǒng)組成。如圖1所示，系統(tǒng)組成中總共包括：電源模塊、攝像傳感器模塊、顯示模塊、處理模塊等部分。這些模塊可以提供對(duì)車(chē)牌的拍攝，信息的處理和結(jié)果的顯示功能。

（3）系統(tǒng)特點(diǎn)。分析可得，該研究?jī)?nèi)容可分述如下。

① 采用電子元件，無(wú)需人工管理。

② 自動(dòng)控制所需功能，無(wú)需人工操作。

③ 清晰捕捉車(chē)牌，靈敏度高。

④ 快速處理數(shù)據(jù)，匹配準(zhǔn)確。

⑤ 成本低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適用于任意情況下的車(chē)牌識(shí)別。

（4）工作原理。首先提取出字符模板，存放于程序中。通過(guò)攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將每個(gè)像素提送二值化處理，設(shè)定R、G、B的閾值。利用二值化分析得出各行的跳變點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各跳變點(diǎn)的識(shí)別與判斷，有效確定車(chē)牌區(qū)域位置[2]。

而后，再次通過(guò)二值化進(jìn)行字符的分割處理。字符分割，為下一步字符匹配生成了重要參數(shù)。此后就是歸一化處理，并對(duì)各個(gè)字符開(kāi)展字符匹配研究。匹配后，將相似性取得最大值的對(duì)應(yīng)字符作為輸出結(jié)果，并予以清晰視像顯示。

（5）電路原理圖。電路整體設(shè)計(jì)即如圖2所示。

1.2單片機(jī)控制系統(tǒng)

（1）功能設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)就是利用單片機(jī)控制的停車(chē)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，針對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)文檔的部分需求，將致力研發(fā)各類基礎(chǔ)功能[3]，可對(duì)其描述如下。

① 對(duì)停車(chē)場(chǎng)智能硬件的模擬。

② 對(duì)停車(chē)場(chǎng)進(jìn)出車(chē)輛的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)。

③ 對(duì)停車(chē)場(chǎng)現(xiàn)有車(chē)輛的統(tǒng)計(jì)。

④ 對(duì)停車(chē)場(chǎng)總車(chē)位、剩余車(chē)位數(shù)量的計(jì)算和顯示。

⑤ 對(duì)以上數(shù)據(jù)的保存和傳輸。

（2）系統(tǒng)組成。如圖3所示，整體組成中統(tǒng)共包括：電源模塊、傳感器模塊、顯示模塊、手動(dòng)鍵盤(pán)輸入模塊、車(chē)輛車(chē)位模擬模塊等部分。這些模塊可以運(yùn)行得出控制的開(kāi)啟、顯示停車(chē)場(chǎng)現(xiàn)有車(chē)輛數(shù)和已停放過(guò)車(chē)輛數(shù)、人工設(shè)置的總車(chē)位數(shù)以及剩余車(chē)位數(shù)的數(shù)值顯示等功能。并且具有16個(gè)模擬的停車(chē)位，用來(lái)顯示車(chē)輛停放的具體位置。

（3）系統(tǒng)特點(diǎn)。分析可得，該部分研究闡釋如下。

① 采用電子元件，無(wú)需人工管理。

② 自動(dòng)顯示停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位狀態(tài)，進(jìn)出和停放車(chē)輛統(tǒng)計(jì)。

③ 統(tǒng)計(jì)小區(qū)當(dāng)天已停放車(chē)輛總數(shù)，并且顯示停放位置。

④ 車(chē)輛已滿時(shí)，自動(dòng)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

⑤ 本系統(tǒng)適用于任意停車(chē)場(chǎng)。

（4）邏輯結(jié)構(gòu)。至此，研發(fā)得到的設(shè)計(jì)流程則如圖4所示。

1.3停車(chē)場(chǎng)用道閘裝置

需要指出，停車(chē)場(chǎng)用道閘裝置是本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)設(shè)計(jì)推出的，目前已提交設(shè)計(jì)文檔申請(qǐng)專利。關(guān)于該裝置的局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)意則如圖5所示。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）車(chē)輛的入場(chǎng)和出場(chǎng)[4]。由于采集的車(chē)牌圖像具有多樣性，并且采集圖像時(shí)受到許多因素的影響，如煙霧、雨雪、日光不同角度等，車(chē)牌識(shí)別即面對(duì)高難挑戰(zhàn)。目前，車(chē)牌識(shí)別攝像機(jī)可采用寬動(dòng)態(tài)CMOS、基于車(chē)牌局部曝光、圖像算法控制的補(bǔ)光技術(shù)等，可以自動(dòng)跟蹤光線變化，有效抑制順光和逆光，尤其在夜間可以去除汽車(chē)大燈的干擾，從而清晰地捕捉車(chē)牌，繼而獲得高達(dá)99.58%的識(shí)別率。各類技術(shù)應(yīng)用可詳見(jiàn)如下。

① 入場(chǎng)。在自動(dòng)道閘處，可用于車(chē)牌識(shí)別的基礎(chǔ)配備主要有：高清攝像機(jī)、抓拍控制器、智能補(bǔ)光、圖像處理器；而放行車(chē)輛單元?jiǎng)t包括了：地感線圈及其相關(guān)的感應(yīng)和處理設(shè)備。

② 出場(chǎng)。通過(guò)車(chē)牌識(shí)別技術(shù)做到不停車(chē)收費(fèi)。

③ 防砸車(chē)。可通過(guò)地感、壓力波、紅外對(duì)射等多種方式實(shí)現(xiàn)防止砸車(chē)，可只使用一種，也可以多種方式組合使用。并且，考慮到線圈的面積和匝數(shù)，線圈可采用1mm鐵氟龍高溫軟導(dǎo)線。

④ LED顯示屏。顯示進(jìn)出場(chǎng)車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)和時(shí)間等動(dòng)態(tài)信息。

（2）引導(dǎo)車(chē)主尋找空位停車(chē)。車(chē)位探測(cè)采用超聲波檢測(cè)或者視頻車(chē)牌識(shí)別技術(shù)。總地來(lái)說(shuō)，停車(chē)誘導(dǎo)就是通過(guò)車(chē)位相機(jī)自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別、再輔以顯示屏引導(dǎo)。

（3）協(xié)助車(chē)主達(dá)到反向?qū)ぼ?chē)目的。基于車(chē)牌識(shí)別技術(shù)的車(chē)位相機(jī)，系統(tǒng)生成查詢地點(diǎn)與車(chē)輛間的最佳路線。并同時(shí)配有顯示屏和地標(biāo)引導(dǎo)。

（4）存儲(chǔ)車(chē)位視頻錄像。就是通過(guò)增配具備實(shí)時(shí)錄像功能的車(chē)位相機(jī)，確保停車(chē)過(guò)程中發(fā)生類似車(chē)輛刮蹭性質(zhì)的事故時(shí)能夠找到肇事車(chē)輛。

（5）精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)收費(fèi)。此項(xiàng)結(jié)果將重點(diǎn)基于前述的進(jìn)場(chǎng)圖片抓拍和精確車(chē)牌識(shí)別。

2.2停車(chē)云服務(wù)平臺(tái)

停車(chē)云服務(wù)平臺(tái)是基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立城市級(jí)別的停車(chē)信息資源采集、整合、分析和管理體系，以便捷停車(chē)為目標(biāo)，以公眾為中心，以管理成果為標(biāo)準(zhǔn)，為平臺(tái)用戶提供多樣化、定制化和專業(yè)化的停車(chē)管理服務(wù)，包括公眾服務(wù)平臺(tái)、停車(chē)場(chǎng)管理平臺(tái)、政府決策平臺(tái)、運(yùn)維管控平臺(tái)等4個(gè)子系統(tǒng)平臺(tái)。停車(chē)云服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖6所示。同時(shí)，針對(duì)各平臺(tái)的設(shè)計(jì)研發(fā)功能可詳述如下。

（1）公眾服務(wù)平臺(tái)。記錄了廣大通過(guò)App、小程序或Web應(yīng)用程序注冊(cè)的所有司機(jī)用戶及駕駛車(chē)輛信息，是直接面向用戶的服務(wù)平臺(tái)，為用戶提供定制化、專業(yè)化、個(gè)性化服務(wù)。

（2）停車(chē)場(chǎng)管理平臺(tái)。記錄了城市范圍內(nèi)的所有停車(chē)場(chǎng)信息。

（3）政府決策平臺(tái)。政府部門(mén)參與企業(yè)決策及規(guī)范。

（4）運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)。協(xié)調(diào)用戶與停車(chē)場(chǎng)之間的聯(lián)系，保障系統(tǒng)的日常運(yùn)營(yíng)與管理。

2.2.1面向停車(chē)場(chǎng)提供的服務(wù)

對(duì)具有獨(dú)立停車(chē)場(chǎng)，且智能化、信息化程度較低的，對(duì)外開(kāi)放的企業(yè)推出一定的產(chǎn)品和服務(wù)。對(duì)此含義可得解析綜述如下。

（1）封閉式停車(chē)場(chǎng)。對(duì)其中每一技術(shù)專項(xiàng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)可做如下的探討呈現(xiàn)。

① 停車(chē)場(chǎng)管理服務(wù)A型。就是根據(jù)停車(chē)場(chǎng)需求來(lái)籌劃相應(yīng)的個(gè)性化服務(wù)。系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別與處理、自動(dòng)控制、傳感技術(shù)于一體，包括了車(chē)輛身份判斷、出入控制、車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別、車(chē)位檢索、車(chē)位引導(dǎo)、圖像顯示、車(chē)輛校對(duì)、信息發(fā)布、安全監(jiān)控、時(shí)間計(jì)算、費(fèi)用收取、防盜反劫、網(wǎng)絡(luò)通訊等系列化配套功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛的智能化管理。而關(guān)于本次研發(fā)中的停車(chē)場(chǎng)內(nèi)部管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局即如圖7所示。

② LED顯示屏引導(dǎo)終端。作為停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)的一個(gè)組件，綜合顯示屏主要應(yīng)用于停車(chē)場(chǎng)內(nèi)顯示部分，可滾動(dòng)顯示停車(chē)場(chǎng)系統(tǒng)的一些相關(guān)信息， 如： 時(shí)間、公司信息、進(jìn)出場(chǎng)提示、車(chē)滿位顯示等等，并可發(fā)布所在停車(chē)場(chǎng)方位信息，引導(dǎo)車(chē)輛適當(dāng)停放。車(chē)輛誘導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)的運(yùn)行效果界面則如圖8所示。

③ 擋車(chē)器、車(chē)輛識(shí)別器A型。這也可歸屬于停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)組件，主要就是對(duì)出入車(chē)輛進(jìn)行判斷識(shí)別，必要時(shí)還可智能攔截指定車(chē)輛。可選配車(chē)輛牌照識(shí)別功能。同時(shí)引進(jìn)擴(kuò)展模塊，可以實(shí)現(xiàn) IC 收費(fèi)、票據(jù)打印等功能。

④ 地磁車(chē)輛傳感監(jiān)測(cè)器B型。這也是停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)組件之一，具有記錄停放時(shí)間、自動(dòng)計(jì)算收費(fèi)額度，對(duì)車(chē)位內(nèi)停放車(chē)輛的安全管理與開(kāi)啟/關(guān)閉收費(fèi)機(jī)制等功能。

⑤ 移動(dòng)管理終端。該設(shè)計(jì)重點(diǎn)面向停車(chē)場(chǎng)的管理者。具有車(chē)輛位置查詢、車(chē)輛身份判斷、停車(chē)位檢索、車(chē)輛引導(dǎo)、時(shí)間計(jì)算、費(fèi)用收取、安全監(jiān)控的功能，而且也是停車(chē)場(chǎng)管理服務(wù)的數(shù)據(jù)信息顯示終端，將LED顯示引導(dǎo)終端，擋車(chē)車(chē)輛識(shí)別終端以及停車(chē)場(chǎng)內(nèi)眾多傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備互聯(lián)在一起。通過(guò)該設(shè)備可方便停車(chē)場(chǎng)的管理者實(shí)時(shí)掌握停車(chē)場(chǎng)的最新信息，從而對(duì)停放車(chē)輛部署實(shí)施全方位的可靠管理。

⑥ 信號(hào)接收器。用于接收地磁傳感器的數(shù)據(jù)。

（2）開(kāi)放式停車(chē)場(chǎng)。這里，將推得研發(fā)設(shè)計(jì)詳情可見(jiàn)如下。

① 免費(fèi)停車(chē)位。在其上方設(shè)置了地磁車(chē)輛傳感監(jiān)測(cè)器A型，通過(guò)采用藍(lán)牙或NBlot通訊技術(shù)能對(duì)車(chē)輛進(jìn)行識(shí)別。

② 臨時(shí)停車(chē)位（期限時(shí)間內(nèi)停車(chē)不收費(fèi)，超出時(shí)間按當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)收費(fèi)）。此時(shí)將用到如下2種設(shè)計(jì)構(gòu)成：

（a）地磁車(chē)輛傳感監(jiān)測(cè)器C型。在停車(chē)位處加裝電子控制傳感器，能對(duì)車(chē)輛進(jìn)行識(shí)別，并可隨時(shí)啟用與智能地鎖的信息通訊。

（b）智能汽車(chē)地鎖。當(dāng)?shù)劓i開(kāi)啟時(shí)，可以防止其它用戶隨意占用車(chē)位，付款后可解鎖，車(chē)輛可以進(jìn)出停放。但是如遇突發(fā)狀況，例如部分車(chē)主誤將油門(mén)當(dāng)剎車(chē)，或者沒(méi)有正確估計(jì)距離，這些情況下如果撞向智能地鎖，會(huì)將鎖桿撞壞，無(wú)法正常使用，而且還會(huì)對(duì)車(chē)輛造成嚴(yán)重的損傷。車(chē)輛停放期間的全部資料均將如實(shí)記錄并自動(dòng)計(jì)算停放時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)位內(nèi)停放車(chē)輛的監(jiān)控與管理。過(guò)程中將涉及如下關(guān)鍵技術(shù)，主要有：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)、支持掃碼、投幣支付、以及NBlot通訊。

③ 收費(fèi)停車(chē)場(chǎng)。對(duì)此，本文就研究給出了收費(fèi)停車(chē)的主體核心構(gòu)成，可概括描述如下。

（a）地磁車(chē)輛傳感監(jiān)測(cè)器C型。在停車(chē)位處加裝電子控制傳感器，能對(duì)車(chē)輛車(chē)牌進(jìn)行識(shí)別，與智能地鎖建立無(wú)線通訊。

（b）智能汽車(chē)地鎖。記錄所有詳細(xì)資料并自動(dòng)計(jì)算停放時(shí)間，全天候妥善管理車(chē)位內(nèi)的擱置停放車(chē)輛。基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，推薦采用掃碼、投幣支付。

（c）車(chē)輛擋車(chē)器、識(shí)別器A型。具有車(chē)輛、車(chē)牌識(shí)別功能，兼具進(jìn)出車(chē)輛智能攔截作用。

（d）停車(chē)場(chǎng)管理服務(wù)。根據(jù)停車(chē)場(chǎng)需求提供個(gè)性化服務(wù)。系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別與處理、自動(dòng)控制、傳感技術(shù)于一體，包括了車(chē)輛身份判斷、出入控制、車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別、車(chē)位檢索、車(chē)位引導(dǎo)、圖像顯示、車(chē)輛校對(duì)、信息發(fā)布、安全監(jiān)控、時(shí)間計(jì)算、費(fèi)用收取、防盜反劫、網(wǎng)絡(luò)通訊等系列化功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛的智能化管理。

2.2.2面向業(yè)主單位提供的服務(wù)

幫助有其它需求，或停車(chē)規(guī)劃亟待完善的單位、企業(yè)合作搭建立體車(chē)庫(kù)或地面垂直車(chē)庫(kù)。這里，將提出各類基礎(chǔ)設(shè)計(jì)配置，可對(duì)其探討闡述如下。

（1）擋車(chē)器、車(chē)輛識(shí)別器A型。主要就是對(duì)出入車(chē)輛實(shí)施判斷識(shí)別，并聚焦鎖定對(duì)車(chē)牌的智能識(shí)別。

（2）停車(chē)場(chǎng)管理服務(wù)。包括了車(chē)輛身份判斷、出入控制、車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別、安全監(jiān)控、時(shí)間計(jì)算、費(fèi)用收取、防盜反劫、網(wǎng)絡(luò)通訊等系列化功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛的智能化管理。

（3）地磁車(chē)輛傳感監(jiān)測(cè)器A型。在停車(chē)位處加裝電子控制傳感器，能對(duì)車(chē)輛車(chē)牌進(jìn)行識(shí)別。

（4）智能垂直升降停車(chē)設(shè)備。具有占地小，空間利用率高等特點(diǎn)，搭載停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶智能支付取車(chē)功能。

2.2.3面向用戶提供的服務(wù)

面向用戶提供的服務(wù)，也可稱作應(yīng)用軟件服務(wù)（App、微信小程序、支付寶小程序），具體包括如下2項(xiàng)設(shè)計(jì)功能。

（1）檢索停車(chē)位。系統(tǒng)可以自動(dòng)搜索附近以及擬將到達(dá)的目標(biāo)附近的停車(chē)場(chǎng)/位信息、導(dǎo)航停車(chē)等。

（2）預(yù)約停車(chē)位。支持停車(chē)場(chǎng)內(nèi)部停車(chē)位的預(yù)約；為非向外界開(kāi)放的企業(yè)或社區(qū)提供預(yù)約服務(wù)支持；支持服務(wù)型商企車(chē)位預(yù)定。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1微信小程序與App

（1）功能設(shè)計(jì)。可分述如下。

① 停車(chē)場(chǎng)查找功能。

② 自動(dòng)導(dǎo)航功能。

③ 帳號(hào)管理功能（包括登錄、注冊(cè)、完善個(gè)人信息和查看等）。

④ 行程管理功能。

⑤ 停車(chē)場(chǎng)硬件連接功能（掃碼開(kāi)鎖，硬件數(shù)據(jù)顯示等）。

⑥ 多接口支持的充值、支付功能等。

（2）程序特點(diǎn)。可分述如下。

① 微信上線即可使用，方便快捷。

② 部分功能無(wú)需獲取個(gè)人信息，安全舒適。

③ 智能硬件相互配合，貼近用戶需求。

④ 眾多合作資源，應(yīng)用廣泛，經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)。

（3）界面展示。系統(tǒng)運(yùn)行后的各功能界面可如圖9所示。

3.2后臺(tái)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

開(kāi)發(fā)停車(chē)場(chǎng)（位）管理系統(tǒng)，滿足社會(huì)生活不同場(chǎng)景的實(shí)際需要。系統(tǒng)包括車(chē)位狀態(tài)查詢、車(chē)輛身份判斷、停車(chē)位檢索、時(shí)間計(jì)算、費(fèi)用收取等各項(xiàng)獨(dú)立功能，同時(shí)也是停車(chē)場(chǎng)管理服務(wù)的數(shù)據(jù)信息接收終端，便于做到停放車(chē)輛的統(tǒng)一、規(guī)范、高效管理[8]。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文提出的智能停車(chē)系統(tǒng)，可使出行車(chē)輛的停放變得更容易。借助于圖像處理技術(shù)，能夠確定停車(chē)區(qū)域和空停車(chē)位的數(shù)量。若能善加利用本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的整套研發(fā)系統(tǒng)，即能優(yōu)質(zhì)、高效地管理現(xiàn)代各型停車(chē)場(chǎng)。因而該系統(tǒng)具有良好的社會(huì)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[5]。

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