基于Zigbee 和機(jī)器學(xué)習(xí)的智能泊車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃鑫睿，張一涵，韋瓔洳，張宇涵

（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇南京，210000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化現(xiàn)代化的進(jìn)程加快，城市居民的汽車擁有量急劇增加。而在出行高峰期，停車難的問(wèn)題普遍出現(xiàn)。此問(wèn)題主要在于：停車場(chǎng)難尋和停車位難尋。給交通帶來(lái)了巨大的不便。

停車需求不斷增加，如何充分利用有限的停車場(chǎng)資源來(lái)最大化滿足司機(jī)的泊車需求，成了當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。加快城市公共交通建設(shè)，創(chuàng)新停車場(chǎng)管理機(jī)制，提高用戶獲得停車位的便捷性，成為從根本上解決停車難以及交通擁堵的主要途徑。實(shí)際上，解決車主找不到停車位的最直接辦法就是智能告訴車主空閑車位在哪和搶停到車位的機(jī)率。

ZigBee 技術(shù)作為一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，由于其低成本、低耗電、低速率等特點(diǎn)并已大量應(yīng)用于智能檢測(cè)和自動(dòng)化控制。

本系統(tǒng)采用軟硬結(jié)合，硬件部分使用超聲波模塊、ZigBee 模塊和Esp8266 模塊采集、傳輸數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，軟件部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)硬件通過(guò)服務(wù)器傳輸?shù)男畔?shí)時(shí)更新。

通過(guò)本系統(tǒng)用戶可以通過(guò)APP 與停車場(chǎng)進(jìn)行信息交互，查看當(dāng)前各大停車場(chǎng)信息和車位信息，并且可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)智能預(yù)測(cè)功能獲得停車難度預(yù)測(cè)。

本設(shè)計(jì)初衷在于提升停車場(chǎng)管理效率，改善用戶使用體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器、APP 四大部分構(gòu)成。

系統(tǒng)整體介紹如下：使用鋰電池給模塊供電，超聲波檢測(cè)到物體的距離會(huì)把距離反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)zigbee模塊將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)。接收端的zigbee 接受感應(yīng)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)8266 傳送至服務(wù)器，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。機(jī)器學(xué)習(xí)根據(jù)以往數(shù)據(jù)智能預(yù)測(cè)當(dāng)前交通狀態(tài)下停車難度。用于使用APP 查看數(shù)據(jù)庫(kù)中停車場(chǎng)、停車位信息。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 功能方面

硬件部分通過(guò)傳感器判斷出各個(gè)車位是空閑還是被占用，將數(shù)據(jù)收集好，通過(guò)無(wú)線收發(fā)將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，最終傳給智能終端。

2.2 技術(shù)方面

(1)終端節(jié)點(diǎn)匯總數(shù)據(jù)

終端節(jié)點(diǎn)用于收集傳感器提供的數(shù)據(jù)，并把這些信息上傳給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)包括電源管理模塊，無(wú)線模塊，車位檢測(cè)模塊。設(shè)備初始化后，終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

(2)協(xié)調(diào)器匯總的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行初始化，匯聚終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息，并提供數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)的路由。

2.3 ZigBee 模塊

具有良好的更好的操作性、節(jié)點(diǎn)密度管理、數(shù)據(jù)負(fù)荷管理，并支持網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.4 超聲波模塊

利用超聲波測(cè)距，負(fù)責(zé)測(cè)量車輛有無(wú)。具有可修改數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)更新的作用。

2.5 Esp8266 模塊

專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖3 軟件相關(guān)架構(gòu)

3.1 技術(shù)方面

（1）百度地圖服務(wù)

采用百度LBS 定位服務(wù)，利用混合定位方式，并依托百度位置大數(shù)據(jù)和高精尖定位技術(shù)，通過(guò)百度定位SDK 實(shí)現(xiàn)智能、精準(zhǔn)、高效的定位功能，通過(guò)云存儲(chǔ)API 或LBS，云數(shù)據(jù)管理平臺(tái)即可完成海量數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)每秒萬(wàn)級(jí)的并發(fā)讀寫(xiě)，再利用百度提供的鷹眼軌跡服務(wù)，構(gòu)建完整、精準(zhǔn)且高性能的軌跡管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)追蹤用戶位置，實(shí)現(xiàn)最精確導(dǎo)航和最優(yōu)化路徑，以最高效率完成用戶的需求。

（2）MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)

采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，將獲得的數(shù)據(jù)存入MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中，用于后面的機(jī)器學(xué)習(xí)?？梢哉f(shuō)MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是目前世界上流行的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可移植性好、使用方便、功能強(qiáng)，適用于各類大、中、小、微機(jī)環(huán)境。它是一種高效率、可靠性好的、適應(yīng)高吞吐量的數(shù)據(jù)庫(kù)方案。

（3）Python 第三方庫(kù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)用來(lái)判斷用戶成功到達(dá)停車位并停車的概率，引用NumPy 和Pandas 庫(kù)處理數(shù)據(jù)，用Python 實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)。Pandas 是基于NumPy的庫(kù)，提供了大量能使我們快速便捷地處理數(shù)據(jù)的函數(shù)和方法。你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它是使Python 成為強(qiáng)大而高效的數(shù)據(jù)分析環(huán)境的重要因素之一。Sklearn 包含機(jī)器學(xué)習(xí)的各種常見(jiàn)方法及函數(shù)，TensorFlow 包含深度學(xué)習(xí)相關(guān)的函數(shù)庫(kù)，引入方便調(diào)用。先讀取文件里的數(shù)據(jù)，然后用NumPy 和Pandas 處理好后，再調(diào)用庫(kù)算出參數(shù)，就是目標(biāo)函數(shù)了。

3.2 功能方面

（1）精準(zhǔn)定位：基于百度地圖API 及用戶手機(jī)位置授權(quán)，開(kāi)啟GPS、藍(lán)牙、WIFI。

（2）停車場(chǎng)篩選和綜合排序功能：用戶的需求多樣化，該應(yīng)用根據(jù)不同的停車需求供應(yīng)多種選擇，可從距離，價(jià)格，停車位所有者，停車場(chǎng)位置等方面來(lái)選擇適合車主的停車位，其中價(jià)格詳細(xì)分為收費(fèi)或免費(fèi)兩類，停車場(chǎng)位置分為路邊停車場(chǎng)、地上停車場(chǎng)以及地下停車場(chǎng)三類，另添加綜合選項(xiàng)，在無(wú)需求的情況下為用戶提供最優(yōu)化的選擇。調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合篩選及排序停車位距離范圍、停車費(fèi)、成功率（默認(rèn)1km，升序，降序）（按照不同權(quán)重展示）

（3）準(zhǔn)確為用戶提供周邊停車位的數(shù)量及位置：精準(zhǔn)引導(dǎo)用戶將車輛停入對(duì)應(yīng)車位，實(shí)時(shí)掌控用戶車輛的位置及距離停車位的路程，以最大化的便捷服務(wù)用戶，實(shí)現(xiàn)高效率的停車入位。

（4）判斷用戶成功到達(dá)停車位并停車的概率：前期對(duì)于每日不同地段不同時(shí)間段的成功率進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式畫(huà)出擬合曲線，當(dāng)區(qū)域內(nèi)停車成功率機(jī)器預(yù)測(cè)偏差不大于15%，則視為預(yù)測(cè)成功，該區(qū)域開(kāi)通此預(yù)測(cè)功能，用戶利用預(yù)測(cè)信息自主篩選停車位，增加用戶體驗(yàn)感。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

硬件模塊使用鋰電池給模塊供電，超聲波檢測(cè)到物體的距離會(huì)把距離反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)zigbee 模塊將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)。接收端的zigbee 接受感應(yīng)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)8266 傳送至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 硬件模塊

4.2 app 功能實(shí)現(xiàn)

APP 主要包括登錄注冊(cè)、個(gè)人信息查詢修改、停車場(chǎng)內(nèi)外導(dǎo)航、顯示目前車位信息、顯示目前周邊停車場(chǎng)信息、機(jī)器學(xué)習(xí)智能預(yù)測(cè)成功停車難度的功能。停車場(chǎng)外部導(dǎo)航和周邊停車場(chǎng)信息:使用百度地圖API 進(jìn)行展示。停車場(chǎng)內(nèi)部導(dǎo)航:使用Dijkstra 算法進(jìn)行路徑規(guī)劃。機(jī)器學(xué)習(xí)部分使用Python 語(yǔ)言進(jìn)行爬蟲(chóng)和數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)（Spider 平臺(tái)開(kāi)發(fā)，R2性能評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到85.5%）。數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL 平臺(tái)。服務(wù)器開(kāi)發(fā)平臺(tái)為IDEA，使用JAVA 語(yǔ)言。使用AVD 和真機(jī)雙調(diào)試。

（1）app 初始頁(yè)包括登錄注冊(cè)如圖5、圖6 所示。

圖5 APP 初始界面-登錄

圖6 APP 初始頁(yè)面-注冊(cè)

首頁(yè)包括當(dāng)前交通狀況預(yù)測(cè)（機(jī)器學(xué)習(xí)）、當(dāng)前位置地圖、停車場(chǎng)導(dǎo)航和停車場(chǎng)內(nèi)部導(dǎo)航的選擇，如圖7-圖9 所示。

圖9 停車場(chǎng)導(dǎo)航

個(gè)人頁(yè)包括選擇個(gè)人信息的查看和修改，如圖10-圖12所示。

圖11 信息查詢

圖12 信息修改

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)結(jié)合ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和APP 軟硬結(jié)合實(shí)現(xiàn)無(wú)人化管理車位及智能測(cè)出停車難度的智能泊車系統(tǒng)。大大減少人力資源的使用，增加了司機(jī)停車的便捷性。使用方便快捷的APP，打破傳統(tǒng)停車場(chǎng)的信息封閉性。本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單實(shí)用高效，交互性強(qiáng)，有較好的市場(chǎng)前景。本系統(tǒng)目前只能顯示停車場(chǎng)停車位的信息，進(jìn)一步的設(shè)想是實(shí)現(xiàn)街邊停車位的引導(dǎo)。目前是算法得出停車難度，進(jìn)一步設(shè)想是智能推薦停車位。