智慧校園停車系統設計與實現

摘要：針對校園內停車困難、車輛亂停等問題，本文提出了一種智慧校園停車系統。該系統主要利用智慧地鎖、NBIoT、地磁感應、攝像頭違停檢測、數據可視化等技術，實時更新車位狀態并提供車位導航與反向尋車等功能。此外，針對新能源充電柱，系統采用智能地鎖并通過小程序實現遠程控制，實時監控充電樁的使用情況。本項目不僅改造了普通地鎖及地磁，并嵌入物聯網NBIoT模組，將單個車位的硬件設備直接連接基站并對接物聯網云平臺，利用云端服務器進行身份信息統一管理，保障用戶隱私安全。該系統將構建一個智能、高效、綠色的校園交通生態圈，為校園停車問題提供了一種新的解決方案。

關鍵詞：物聯網；地磁感應；NBIoT；YOLOv5；2.4G微波；M5311模塊

文獻標識碼：A

1研究背景

隨著汽車保有量的增加，校園停車問題變得尤為突出。傳統的停車管理方式效率低、成本高，難以滿足需求；新能源車充電需求和多校區管控也增加了管理的復雜性。為了應對這些挑戰，智慧校園停車系統應運而生，運用智慧地鎖、NBIoT、云平臺、地磁、攝像頭車位導航等技術，實現車位監測、車輛識別、導航及違停處理等功能，極大地提升了管理效率和便捷性。通過智能化手段，可以有效解決校園停車難問題，為師生提供更便利、安全的出行環境。

2系統架構及關鍵技術

2.1系統架構

智慧校園停車系統是由基于NBIoT遠程遙控式升降地鎖、物聯網云平臺、停車位服務器和個人終端組成，旨在提高用戶在停車過程中的便捷性和體驗感受。系統中的小程序采用的是WXML開發框架進行開發，提供了多項功能如查看空閑車位信息、身份綁定、反向尋車、預約充電樁等。智慧校園停車系統由多個子系統組成，包括數據可視化系統、違停車輛識別系統和車位引導系統等。

如圖1所示，整個系統由感知層、網絡層、應用層、用戶層組成：

（1）感知層以基于NBIoT的停車節點作為核心單元。充分發揮了停車業務的小帶寬特點，以及NBIoT覆蓋增強的優勢；基于NBIoT可遠程實時監測三軸磁感地磁進行車位感應，以及攝像頭進行識別車輛、車牌信息。

（2）網絡層主要以運營商NBIoT網絡作為傳輸通道，發揮NBIoT低速率、低功耗和覆蓋增強的技術優勢。

（3）應用層主要利用服務器的易管理性、可擴展性、可用性，對NBIoT停車節點的信息進行整合與設備管理。用戶通過微信小程序向智慧校園停車系統提出服務申請，服務平臺將控制指令發送至云端，云端通過NBIOT網絡將指令發送給M5311模塊控制鎖臂升降地鎖，為用戶保留充電柱車位；還可通過微信小程序進行車位誘導，以及反向尋車等功能的使用。

（4）用戶層主要基于微信小程序搭建用戶應用軟件，實現用戶空閑停車位的查詢、導航以及充電柱預約，反向尋車等操作，以及數據可視化大屏供物業進行停車數據查看與管理。

2.2關鍵技術

2.2.1地磁感應技術

基于NBIoT可遠程實時監測三軸磁感地磁，能夠實現對車位的實時檢測。該技術采用NBIoT無線通信技術進行傳輸，具有功耗低和信號穩定的優點。

如圖2所示，地磁外殼包括圓形凹槽底座07、圓形凹槽蓋板、設備插槽盒08、蓋板橡膠圈及固定螺絲，設備插槽盒08設于圓形凹槽底座07內，圓形凹槽蓋板設于圓形凹槽底座07上，蓋板橡膠圈設于圓形凹槽蓋板內，固定螺絲設于圓形凹槽蓋板07上。

地磁傳感模塊10包括磁場感應芯片、信號處理單元、信號傳輸單元，磁場感應芯片的輸出端連接信號處理單元的輸入端，信號處理單元的輸出端連接信號傳輸單元的輸入端，信號傳輸單元的輸出端連接邏輯處理模塊11。地磁傳感模塊10將信號傳輸給邏輯處理模塊11進行處理，以保證將地磁場的信息轉化為有用的數據和結果，為設備的精準定位提供了保障。

邏輯處理模塊11包括數據處理芯片、數據傳輸單元、設備蜂鳴器13及供電電源09，地磁傳感模塊10的輸出端連接數據處理芯片的輸入端，數據處理芯片的輸出端連接數據傳輸單元的輸入端，數據傳輸單元的輸出端連接NBloT通信模塊12，數據處理芯片的輸出端連接設備蜂鳴器13的輸入端，供電電源09分別連接數據處理芯片、設備蜂鳴器13以及NBloT通信模塊12。內外膽結構易于安裝維護，供電電源09可更換，設備蜂鳴器13響起則表示設備啟動成功，邏輯處理模塊11將地磁傳感模塊10的數據進行數模轉換。將數據對比后，磁場無偏移則表示無車，通過NBloT通信模塊12將數據傳輸到云服務器處理后，通過HTTP協議將信號發送給客戶端，以此進行反向誘導尋車。

2.2.2違停檢測技術

基于YOLOv5算法實現的車輛違停檢測技術，旨在解決監控視頻場景下的車輛停留違規行為檢測問題。通過集成卷積核運算以及非極大值抑制算法等技術進行算法優化，采用輕量級模型或模型壓縮技術，采用更優化的IOULoss作為損失函數，提高了系統的檢測能力和準確性。系統選擇DS2CD1021FDIW1型號的攝像頭和DS4000HC型號的視頻采集壓縮卡，配備高分辨率圖像傳感器和先進的圖像處理技術，提供清晰、細節豐富的視頻圖像，并通過網絡連接實現遠程訪問和監控，為用戶提供便捷的遠程監控功能。

在車輛的特征提取時，輸入的圖像會經過YOLO的CNN網絡進行特征提取和分類，并產生候選框，用于目標檢測。在這個過程中，CNN網絡的主要流程如下：

（1）將輸入圖像處理成固定大小。首先，輸入圖像會經過歸一化、尺寸調整等預處理操作，使得每張輸入圖像的大小都固定為相同的尺寸，方便算法處理。

（2）特征提取。接下來，CNN網絡會對經過預處理的圖像進行多層卷積操作，提取圖像的特征。CNN網絡提取的特征包括顏色、形狀、紋理等多種信息。

（3）候選框產生。CNN網絡處理過程中，會同時產生若干個候選框，每個候選框會包含一個概率值，表示該候選框內存在目標的概率大小。

（4）非極大值抑制。為了避免多個候選框同時預測同一個目標，需要使用非極大值抑制（NMS）進行優化篩選。具體來說，對于候選框中預測概率值較小或有較大重疊度的候選框，會進行去重操作，只保留其中一個。

（5）目標分類與定位。最后，經過NMS篩選之后的候選框會分別進行目標分類和定位。目標分類根據候選框中的特征判斷其所屬的類別，而目標定位則用于確定目標位置及其大小等信息。

在使用YOLO網絡進行車輛違停檢測時，IOU（IntersectionoverUnion）值通常被用于判斷檢測框和違停區域之間的位置關系。

首先，計算檢測框和違停區域之間的交集（Intersection）的面積。其次，計算檢測框和違停區域之間的并集（Union）的面積。再次，將兩個步驟得到的結果代入IOU計算公式，即IOU=Intersection/Union，計算檢測框和違停區域之間的IOU值。最后，將計算得到的IOU值與預設的閾值進行比較，如果IOU值大于或等于閾值，則認為檢測框和違停區域存在一定的重疊部分，即違停區域被檢測框所覆蓋，則判斷檢測框內的車輛違停。如圖3所示。

3系統功能及應用管理

3.1小程序應用

此小程序基于微信平臺上的一種輕量級應用，它不需要下載和安裝即可使用，用戶可以直接在微信中搜索、打開和使用。這是讓校園停車位資源得到有效運用，為校內停車用戶搭建一個信息平臺，解決停車難以及新能源車充電等問題而設計的一款軟件。

3.2車位查看

通過NBIoT物聯網絡與地磁檢測器相連接，實現對停車信息的傳輸。用戶進入停車場前可以通過微信小程序瀏覽和查找校園內可用的停車位信息，以便選擇空閑停車位進行泊車。

3.3車位誘導

用戶在微信小程序中選擇車位后，系統可以根據用戶當前位置和停車場內車位信息，提供最優的停車路線和車位導航，幫助用戶快速找到空余的車位。

3.4車輛入位

在停車位下方布置NBIoT通信技術的地磁車輛檢測器，用來檢測車位是否有車輛停入。如檢測器上方有車輛占用，則通過NBIoT通信技術進行傳輸反饋至小程序頁面中，顯示本車位已占。

3.5預約充電樁

將新能源充電樁與智慧地鎖進行一比一綁定，當擁有新能源車的用戶在微信小程序上預約充電，系統會及時將預約信息反饋給用戶，地鎖上升，為其保留相應的充電樁資源。

3.6用戶信息

提供綁定用戶的個人信息功能，包括車牌錄入、人臉錄入及個人信息修改等功能，數據存儲采用MySQL。為保障用戶數據的安全性，對于關鍵數據如用戶密碼等，系統采用加密算法進行加密。此外，系統還設置了嚴格的訪問控制機制，確保只有合法的用戶或系統才能訪問數據。在數據存儲與訪問控制等方面采取了一系列措施，保障了用戶數據的安全可靠。

結語

智慧校園停車系統致力于解決廣大教職工校園停車不便、新能源車充電樁不足、校園物業管理難的問題，以緩解交通問題作為開發思路，不斷追求更便捷的用戶體驗。我們結合當今的領先技術，以用戶停車體驗為首要原則，設計并研發了一套智慧校園停車系統，針對數量極其龐大的校內有車一族，推出微信小程序，實現高效停車、預約充電等貼合用戶需求，同時，為物業提供車輛違停系統，更好地提高優質的停車服務和智慧校園管理服務。智慧校園停車系統的推出為智能交通領域的發展帶來了新的思路和方向，為廣大用戶暢享更加便捷、高效的停車服務開創了新時代。

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基金項目：校級創客項目互享停—智慧校園停車系統

作者簡介：李臻煬（2005—），男，漢族，廣東揭陽人，本科在讀，主要研究方向為云計算技術應用；楊思怡（2003—），女，漢族，廣東深圳人，本科在讀，主要研究方向為通信網絡應用；繆華健（2003—），男，漢族，廣東深圳人，本科在讀，主要研究方向為軟件工程。