基于LoRa的智慧停車管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 敏，張正華，蘇 權(quán)，蘇 波，周 宇，江沛蓮，陸 輝，陳賞恩

(1.揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州國脈通信發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇 金壇 225002)

0 引言

根據(jù)調(diào)查，2018年我國傳統(tǒng)模式的停車位數(shù)量已經(jīng)超過8 000萬個(gè)，到了2020年，停車位的需求量將會(huì)是現(xiàn)在停車位數(shù)量的4倍，遠(yuǎn)超城市空間的容納能力[1]。為緩解停車場車位空置率高，車場信息不流通的問題[2]，搭建智慧停車系統(tǒng)尤為重要。

在目前的智能交通領(lǐng)域，常用超聲波檢測[3]、紅外檢測[4]和地感線圈檢測[5]等技術(shù)來檢測停車位[6]，這些技術(shù)具有易受天氣和溫度等因素影響或者施工難度大且功耗高的缺點(diǎn)。而在傳統(tǒng)的車輛身份識(shí)別中，市面上較多的是利用攝像頭圖像識(shí)別車輛牌照的技術(shù)[7]，其采集的圖像易受噪聲污染、光照影響而難以識(shí)別[8]。此外，常用的物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)如藍(lán)牙、NB-IoT[9-10]等難以將遠(yuǎn)距離傳輸與低功耗結(jié)合。

本設(shè)計(jì)針對(duì)上述停車管理系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，提出了一套適用、先進(jìn)、可靠和經(jīng)濟(jì)的智慧停車管理系統(tǒng)，能有效提高停車位上車輛的識(shí)別率，降低了工作人員工作強(qiáng)度，大大提高了管理效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過地磁傳感器檢測停車位，不僅對(duì)路面的破壞小，也不易受環(huán)境因素的影響[11]，配合使用RFID[12]技術(shù)識(shí)別車輛身份信息，相較于基于攝像頭的圖像檢測技術(shù)則較為高效、準(zhǔn)確。當(dāng)信息采集完成后使用LoRa實(shí)現(xiàn)采集設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間無線通訊，LoRa超遠(yuǎn)距離傳輸及低功耗的核心優(yōu)勢解決了目前在大面積的停車管理中，不可能每臺(tái)前端采集設(shè)備使用GPRS直接與無線網(wǎng)連接而造成成本浪費(fèi)的問題[13]。最后，網(wǎng)關(guān)將信息發(fā)送到云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)停車場狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，智能指引車輛去往空閑停車場，提高了空閑停車場的利用率。系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)包括采集節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器和電腦客戶端，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集節(jié)點(diǎn)

采集節(jié)點(diǎn)完成對(duì)停車位狀態(tài)及車輛身份信息的監(jiān)測，將信息處理后經(jīng)過LoRa通訊上傳至網(wǎng)關(guān)。該節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集處理芯片、車位狀態(tài)采集模塊、車輛信息采集模塊以及LoRa通信模塊組成，如圖2所示。

圖2 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 數(shù)據(jù)采集處理芯片

數(shù)據(jù)采集處理芯片使用MSP430F149，它是一款16位超低功耗MCU，可有效降低功耗，一枚電池可維持10年壽命，滿足了因埋在地下，維護(hù)次數(shù)少，需要功耗較低，能維持多年的要求。

2.1.2 車位狀態(tài)采集模塊

地磁傳感器選用HMC5983三軸磁阻傳感器，當(dāng)車輛駛?cè)牖蝰傠x停車位時(shí)，埋入停車位地下的地磁傳感器感知到汽車金屬底盤對(duì)地磁場的擾動(dòng)，從而其X，Y，Z三個(gè)維度的磁力發(fā)生變化。本設(shè)計(jì)選用I2C通信方式，將傳感器采集到的地磁場三軸上的分量發(fā)送至MCU，并設(shè)置閾值，判斷數(shù)據(jù)是否逐漸減小且遠(yuǎn)離檢測閾值，若是，則檢測為有車輛可能駛離；進(jìn)一步再判斷數(shù)據(jù)是否小于檢測閾值，若是，則檢測結(jié)果為車位有車輛駛離；反之，檢測結(jié)果為車位沒有車輛駛離。

2.1.3 車輛信息采集模塊

車輛信息采集選用UM202模塊，RFID讀卡器模塊選用UM202超高頻讀卡模塊，RFID讀卡器模塊通過RS232轉(zhuǎn)TTL串口通訊與單片機(jī)相連接，初始化RFID讀卡器模塊，并設(shè)置連續(xù)讀卡模式，同時(shí)設(shè)置合適的發(fā)射功率方便RFID天線工作(功率范圍0～30 dbi)。RFID讀卡器模塊讀取通過RFID天線檢測到的電子標(biāo)簽信息，完成車輛信息采集。

2.1.4 LoRa通信模塊

本部分采用無線串口模塊ATK-LORA-01，使用AT指令傳輸[14]。MCU通過TTL串口與SX1278模塊進(jìn)行連接，根據(jù)停車位狀態(tài)數(shù)據(jù)變化情況，實(shí)時(shí)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送停車位占用/空閑狀態(tài)以及車輛身份信息。

2.2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)接收信息后，將信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。LCD可實(shí)時(shí)顯示信息，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS模塊上傳至服務(wù)器。該節(jié)點(diǎn)由STM32F407、SX1278LoRa模塊、LCD和GPRS模塊SIM800C組成，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

該節(jié)點(diǎn)選取STM32F407單片機(jī)為控制芯片，具有低電壓和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)利用I2C通信實(shí)現(xiàn)車輛信息數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)中的SIM800C模塊，內(nèi)置工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊[15]。用戶通過UART 串口發(fā)送AT指令集，初始化GPRS模塊工作，等附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)之后，獲取云端IP地址，使云端建立連接，完成車位狀態(tài)及車輛信息向云端的傳送。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集節(jié)點(diǎn)軟件流程

采集部分使用睡眠-喚醒-睡眠的任務(wù)形式，每隔1 s采集一次車位信息，喚醒后檢測停車位狀態(tài)(即地磁模塊HMC5983檢測的數(shù)據(jù)的變化)，若發(fā)生明顯的變化，則啟動(dòng)RFID模塊，檢測停在該車位的車輛身份信息(即電子標(biāo)簽上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù))，然后數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。軟件流程如圖4所示。

圖4 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 LoRa通信協(xié)議設(shè)計(jì)

LoRa通信協(xié)議設(shè)計(jì)LoRa模塊采用ISM頻段射頻，并基于SX1278擴(kuò)頻芯片實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，擁有透明傳輸、定向傳輸以及廣播與數(shù)據(jù)監(jiān)聽模式。本文設(shè)計(jì)采用廣播監(jiān)聽模式，由多個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)不同車位)向一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)LoRa模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 LoRa一對(duì)多傳輸

將圖5中匯聚節(jié)點(diǎn)A的地址設(shè)置成0xFFFF，使之處在廣播監(jiān)聽模式，節(jié)點(diǎn)B～F分別設(shè)置不同的地址，以此代表各個(gè)車位編號(hào)。以節(jié)點(diǎn)C為例，將設(shè)備C地址設(shè)置為0XAB00，信道設(shè)置為0X01，當(dāng)設(shè)備C發(fā)送：AB 0001有車/無車AB00，如表1所示，匯聚節(jié)點(diǎn)A接收到數(shù)據(jù)：有車/無車AB00，其中，有車與無車狀態(tài)根據(jù)地磁傳感器測試的數(shù)據(jù)來判斷，AB00代表發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的地址，不同地址對(duì)應(yīng)不同的車位編號(hào)，最后匯聚節(jié)點(diǎn)A將B～F所有節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送至服務(wù)器，由TCP/IP協(xié)議完成，供電腦端的管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表1 數(shù)據(jù)輸出

發(fā)送目標(biāo)地址信道地址車位狀態(tài)自身地址AB1010有車/無車AB00

3.3 車輛管理顯示平臺(tái)

GPRS與云端建立連接后，Web網(wǎng)頁端實(shí)現(xiàn)客戶的遠(yuǎn)程登錄，查詢某一路段停車位的狀態(tài)、在此車位上停車的車輛信息、同一輛車駛?cè)肱c駛離的時(shí)間。網(wǎng)頁端通過圖表的形式實(shí)現(xiàn)車輛管理顯示。為后續(xù)通過車輛管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)停車場車位的監(jiān)控、車輛繳費(fèi)和停車告知提供便利。

Web網(wǎng)頁開發(fā)采用B/S結(jié)構(gòu)，用戶工作界面由瀏覽器實(shí)現(xiàn)。使用HTML完成網(wǎng)頁制作[16]，并采用PHP技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁與數(shù)據(jù)庫的連接。通過添加多個(gè)超級(jí)鏈接點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)登錄界面的密碼找回、新用戶注冊和搜索等功能，并對(duì)界面進(jìn)行整體優(yōu)化。用戶在登陸后可輕易地實(shí)現(xiàn)車位查詢、在線繳費(fèi)的功能，而管理員登入端則會(huì)增加遠(yuǎn)程監(jiān)控以及提示功能，同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到云端，方便查看車位停放歷史。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 地磁檢測車位

將HMC5983完全水平放置在停車位上，使Y軸正對(duì)于車輛駛?cè)胪＼囄坏姆较颍琙軸垂直于水平面。測試車輛為SUV類型，每秒記錄一次車輛從駛?cè)氲今傠x車位時(shí)的三軸數(shù)據(jù)，得到曲線圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三軸數(shù)據(jù)均有變化，且Z軸變化最明顯，檢測范圍是0.2 cm，閾值為2.5高斯，可以實(shí)時(shí)檢測車位狀態(tài)。

圖6 地磁傳感器數(shù)據(jù)曲線

4.2 RFID檢測車輛身份

與現(xiàn)有攝像頭圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)比，在霧天或光照較強(qiáng)的情況下，攝像頭無法精準(zhǔn)識(shí)別車牌，正常情況下的識(shí)別與霧天下的識(shí)別對(duì)比如圖7所示，而RFID可以不受環(huán)境影響，較為準(zhǔn)確地識(shí)別出車輛身份信息，如圖8所示。

圖7 攝像頭識(shí)別車牌

圖8 RFID識(shí)別車牌

4.3 與現(xiàn)有停車系統(tǒng)對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)停車信息的檢測方法上，相比于其他采用單一測試源的同類系統(tǒng)，本系統(tǒng)的方法更可靠。通過HMC5983地磁傳感器Z軸數(shù)據(jù)變化能夠檢測到車位狀態(tài)，配合RFID讀卡器模塊識(shí)別車輛的其他有效信息更能提高車輛的識(shí)別率，解決了當(dāng)前停車管理系統(tǒng)易受天氣、噪聲等因素影響而無法準(zhǔn)確識(shí)別車輛信息的問題，且RFID圓極化天線增大天線識(shí)別范圍，能夠有效克服汽車金屬底盤對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，有效檢測到電子標(biāo)簽。通過對(duì)LoRa單跳通信距離的測試，其單跳通信距離遠(yuǎn)大于ZigBee、藍(lán)牙等技術(shù)，完全滿足了本系統(tǒng)對(duì)低功耗的需求。綜上，與現(xiàn)有停車管理系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)準(zhǔn)確度高、功耗低且抗干擾能力強(qiáng)、通訊距離遠(yuǎn)，具有很大的優(yōu)越性。

5 結(jié)束語

本文完成了基于LoRa的智慧停車管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)。通過將系統(tǒng)部署在停車場進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和實(shí)時(shí)性要求。地磁傳感器與RFID的結(jié)合有效提高了車輛識(shí)別率，LoRa技術(shù)的應(yīng)用也展現(xiàn)了低功耗的核心優(yōu)勢。與其他同類系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有廣闊的市場前景，未來還需對(duì)停車場中信號(hào)干擾問題做進(jìn)一步研究，以便更好地提高停車管理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。