車聯(lián)網(wǎng)智能立體車庫設(shè)計與實現(xiàn)

吳迎年+楊國鈞

摘 要： 目前停車難的問題在一定程度上加劇了城市道路的擁堵。然而城區(qū)內(nèi)的土地資源十分有限，老舊建筑又難以配套地下車庫，為解決上述問題，提出了車聯(lián)網(wǎng)智能立體車庫。將物聯(lián)網(wǎng)引入到車庫的管理中，讓車輛車庫都成為車聯(lián)網(wǎng)中的一個節(jié)點，實現(xiàn)通過車聯(lián)網(wǎng)完成身份認(rèn)證、車輛調(diào)度、車庫管理等功能。這里的特色是車庫全自動化完成車輛的立體停放和出庫，汽車駕駛者僅需將車輛開到車庫門口，使車庫更加智能，易于管理和使用，節(jié)省人工停車時間。

關(guān)鍵詞： 車聯(lián)網(wǎng)； 立體車庫； 智能交通； 射頻識別

中圖分類號： TN711?34； TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）14?0051?03

Design and implementation of IOV intelligent stereo parking garage

WU Ying?nian1， YANG Guo?jun2

（1. Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100192， China； 2. Illinois Institute of Technology， Chicago， USA ）

Abstract： The parking issue makes the road more crowed and jammed. However， there is no sufficient parking lot to meet the demand， and its hard for old buildings to develop extra underground spaces for parking. To solve the above problem， IOV （Internet of vehicle） intelligent parking garage is presented. The intelligence stereo parking garage was designed and realized with the help of Internet of Things. Both of the car and parking garage become nodes in IOV， with which the functions of identity authentication， vehicle scheduling and garage management are realized. The contribution of this paper is to realize the automation of stereo parking and rapid leaving of vehicles in the garage. The only thing drivers should do is to drive the car to the gate of the garage. The garage is intelligent， easy to manage， and can save the drivers parking time.

Keywords： internet of vehicle； stereo parking garage； intelligence transportation； RFID

0 引 言

在全世界范圍內(nèi)，很多人口眾多的城市都面臨停車難的問題，以北京為例，2012年上半年，北京機動車保有量達(dá)到510萬輛，而車位僅有250萬個[1]，由此帶來的亂停車和交通擁堵問題十分嚴(yán)重。因此如何有效利用城市中有限的空間，為更多的機動車提供停車的空間，成為很多城市規(guī)劃者和工程師共同思考的問題[2?3]。立體車庫的出現(xiàn)在很大程度上緩解了這個問題。立體車庫可以分為自走型立體車庫和自動立體車庫，自走立體車庫就是駕駛員駕駛車輛自己將車輛放入車位，現(xiàn)在常見的停車樓、多層地下停車場都屬于自走立體車庫。而自動立體車庫則不需要駕駛員將車輛駕駛?cè)胛唬恍枰獙④囕v停放在車庫入口處的托盤上，將車輛移入車位的工作由車庫自動完成。目前通過自走型機械式立體車庫可以實現(xiàn)車輛的高密度停放，但是現(xiàn)在的立體車庫還是不夠智能，用戶需要將車輛停在立體車庫的入口進(jìn)行相關(guān)的操作，然后才能離開。用戶在取回車輛時同樣需要前往車庫才能將車取出，這造成了一定的時間浪費。

由于現(xiàn)在很多車輛都配備有偏航糾正系統(tǒng)、定速巡航系統(tǒng)、自動泊車系統(tǒng)，因此通過汽車和立體機械車庫中已有的技術(shù)進(jìn)行有效的利用，并加入RFID標(biāo)簽，可以實現(xiàn)車輛的全自動出入庫。即在把乘客送到目的地后車輛自行前往建筑物中的車庫完成停車，在接到指令后自動出庫，等待乘客，這樣即方便用戶的使用，也簡化了車庫的管理。車庫的管理系統(tǒng)可以作為節(jié)點加入互聯(lián)網(wǎng)，這樣就可以實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)對每一個車庫和車庫中的車輛進(jìn)行監(jiān)控。通過聯(lián)網(wǎng)，繳費等工作也可以通過線上交易自動完成，簡化了停車過程。車庫的使用狀態(tài)的數(shù)據(jù)可以用于計算不同時間城市的交通狀態(tài)，通過與其他車聯(lián)網(wǎng)設(shè)施配合可以幫助城市管理者了解城市的交通環(huán)境，優(yōu)化資源配置。

本文主要研究自動化的立體車庫，因為自走立體車庫需要為車輛在車庫內(nèi)的移動保留較大的空間，這造成自走立體車庫的空間利用效率不及自動車庫，同時也不方便監(jiān)管，因此自動化的立體車庫具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

1 機械車庫現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有的立體車庫解決方案

立體車庫可以分為自走型立體車庫和自動立體車庫，簡單的說自走立體車庫就是駕駛員駕駛車輛自己將車輛放入車位，現(xiàn)在常見的停車樓、多層地下停車場都屬于自走立體車庫。而自動立體車庫則不需要駕駛員將車輛駕駛?cè)胛?，只需要將車輛停放在車庫入口處的托盤上，將車輛移入車位的工作由車庫自動完成。在本文中將主要討論自動化的立體車庫，因為自走立體車庫需要為車輛在車庫內(nèi)的移動保留較大的空間，這造成自走立體車庫的空間利用效率不及自動車庫，同時也不方便監(jiān)管，因此自動化的立體車庫具有更加廣泛的應(yīng)用前景。也更符合社會向信息化、自動化發(fā)展的趨勢。Auguste Perret工程師建造的名為Garage Rue de Ponthieu的車庫被認(rèn)為是現(xiàn)代自動化立體車庫的鼻祖[4]。

現(xiàn)在的自動化立體車庫已經(jīng)非常成熟、先進(jìn)，而且已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用，但這些車庫還可以看到1905年在法國巴黎建造的Garage Rue de Ponthieu的影子。現(xiàn)在的大型車庫基本相同只有空間布局略有不同。車位的布局有多種形式，包括直循環(huán)式，多層升降橫移式等大量不同的布局方式[5]，但現(xiàn)在的所有的車庫中的車輛還是需要水平停放。

1.2 現(xiàn)有車庫的控制方法

車庫的自動化需要動過大量的電氣設(shè)備來實現(xiàn)。對車輛進(jìn)行提升，旋轉(zhuǎn)等動作都需要相應(yīng)的電氣、液壓傳動設(shè)備實現(xiàn)，因此對他們的有效控制是必不可少的，由于PLC易用可靠的特點，在目前進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段的機械自動車庫中，大部分的控制是通過PLC控制實現(xiàn)的[6]。PLC技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對車庫的有效管理，但是對于當(dāng)今智能化信息化的要求來說，目前的自動車庫還是需要進(jìn)一步的改進(jìn)。因為車庫與車輛并不能與車輛直接對話，因此車輛與車庫就不能直接的交換如身份狀態(tài)等信息。

1.3 現(xiàn)有車輛技術(shù)

隨著計算機的發(fā)展，汽車制造廠商一直在不斷的將各種傳感器加入汽車中，從用來保證引擎供氧的氧氣傳感器，到輔助駕駛員的倒車?yán)走_(dá)，再到現(xiàn)在可以實現(xiàn)自動泊車、定速巡航的光學(xué)、超聲波、激光傳感器，車輛能夠感受到愈來愈多的外界的信息。現(xiàn)在車輛已經(jīng)完全可以實現(xiàn)自動的停入普通車位，但是車輛仍然不能與其他的設(shè)備進(jìn)行有效的交流。車輛進(jìn)入車位完全是通過車輛自身的傳感器實現(xiàn)的，車位、車庫并不能獲得車輛的信息，因此如果車輛需要進(jìn)入自動化的立體車庫中，仍然需要人的操作才能完成車輛的入庫出庫。而將物聯(lián)網(wǎng)RFID與無線網(wǎng)絡(luò)通信加入車輛與車庫中，可實現(xiàn)車輛和車庫的信息交互，實現(xiàn)全自動出入庫。

2 車聯(lián)網(wǎng)在立體車庫中的應(yīng)用

在目前商用的自動化機械車庫中，駕駛員需要將車輛停放在一個入口中，走出車庫入口，在計算機上獲取車輛的停車憑證（如停車卡等），車庫將車輛保存。當(dāng)駕駛員需要取出車輛時，首先需要來到車庫門口處刷卡，車庫收回停車憑證，確認(rèn)取車駕駛員車輛的存放的位置，然后機械裝置將車輛送達(dá)車庫的出口處，駕駛員進(jìn)入車輛，開出車輛。實際即使在自動化的車庫中還是需要人的參與，但是如果加入物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念就能實現(xiàn)全自動的操作。

2.1 車聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)就是為所有的物品建立電子標(biāo)簽，并且將所有的傳感器接入互聯(lián)網(wǎng)，然后通過互聯(lián)網(wǎng)對這些信息進(jìn)行傳輸、利用，物聯(lián)網(wǎng)完成了物與物、物與人之間的信息交流與共享。物聯(lián)網(wǎng)的好處就是使信息的覆蓋范圍大大提高。當(dāng)車輛、交通系統(tǒng)引入物聯(lián)網(wǎng)概念，實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞、獲取車輛交通系統(tǒng)的狀態(tài)后，便形成了車聯(lián)網(wǎng)。具體地說車聯(lián)網(wǎng)是指通過裝載在車輛上的電子設(shè)備通過無線技術(shù)，實現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對所有車輛的靜、動態(tài)信息進(jìn)行提取和有效利用[7?9]。隨著智能交通概念的產(chǎn)生，車聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)也開始普及，谷歌地圖通過對過去的車流信息進(jìn)行統(tǒng)計已經(jīng)可以預(yù)測、現(xiàn)實城市主要干道的車輛信息。谷歌還通過對普通家用汽車進(jìn)行改裝，加裝如紅外雷達(dá)、攝像頭等多種傳感器實現(xiàn)車輛對周圍信息的感受和自動駕駛，因此車聯(lián)網(wǎng)會在今后有更廣泛的應(yīng)用。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)車庫

車聯(lián)網(wǎng)的功能豐富，如果將車聯(lián)網(wǎng)的中有關(guān)身份識別、遙控、信息交換的功能應(yīng)用到智能車庫中，車庫與車輛就能實現(xiàn)相互的配合，最終實現(xiàn)車庫的自動化管理、車輛的自動入庫?，F(xiàn)有的機械式立體車庫需要人的操作完成入庫工作，首先需要駕駛員將車輛開入車庫的入口，然后再操作計算機讓車輛入庫，身份的認(rèn)證需要通過如停車卡這類臨時的憑證來完成。在出庫過程中，駕駛員需要持憑證前往停車庫的出庫處，等待車輛出庫，然后進(jìn)入車輛將車輛開出。然而在引入車聯(lián)網(wǎng)概念后，配合車輛的自動泊車和車聯(lián)網(wǎng)的通信能力，車輛可以通過與車輛的直接通信實現(xiàn)完全自動的入庫。

整個入庫過程如圖1所示。當(dāng)車輛到達(dá)入口處后駕駛員就可以離開車輛，車輛在自動泊車系統(tǒng)的輔助下自動駛?cè)肴肟谔?，并檢測是否停放到位。在車輛檢測到停放就位后，通過車聯(lián)網(wǎng)發(fā)送完成信號，車庫中的機械結(jié)構(gòu)將車輛移動至之前分配的位置。

圖1 入庫流程

在出庫時與入庫過程相似，同樣需要車庫與車輛通過物聯(lián)網(wǎng)的通信完成。出庫過程如圖2所示。

圖2 車輛的出庫流程

同時車輛在進(jìn)入車庫后計費等工作都可以自動的進(jìn)行，通過互聯(lián)網(wǎng)完成，如車輛在進(jìn)入車庫后，車庫識別車輛身份后開始計時，在車輛離開時，車庫對車輛收費，車輛通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行付費然后出庫，這樣就不需要駕駛員親自繳費。

2.3 與其他傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的通信

為了全面的監(jiān)控車庫狀態(tài)，需要大量的傳感器來獲取車庫、車輛的信息，如車輛的位置傳感器、捕捉機械結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的傳感器等。為了保證車庫的運行安全，還需要安裝相應(yīng)的安防系統(tǒng)，如防火系統(tǒng)，在防火系統(tǒng)中需要溫度、煙霧、紅外傳感器。這些傳感器也需要將檢測到的信息與控制計算機或者網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)端的控制中心進(jìn)行交換，因此這些傳感器也應(yīng)加入物聯(lián)網(wǎng)中。這樣才能實現(xiàn)全面遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 實物模型試驗

為了驗證車聯(lián)網(wǎng)智能立體車庫的可行性，進(jìn)行了實物模型試驗，用車模代替真實車輛，制作了車輛的模型，并安裝了相關(guān)無線通信、超聲波測距等模塊，然后設(shè)計制作了車庫的模型、控制算法，編寫了軟件，進(jìn)行了通信、車庫、入庫的試驗。實物演示圖如圖3所示。

圖3 車聯(lián)網(wǎng)中的車輛、服務(wù)器與車庫模型實物演示圖

車聯(lián)網(wǎng)模型中包括三種節(jié)點，車聯(lián)網(wǎng)中的車輛，車聯(lián)網(wǎng)中的車庫，車聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)器。

而車聯(lián)網(wǎng)中的通信包含三方面的信息，發(fā)送信息的節(jié)點身份、接受信息的節(jié)點身份、發(fā)送的信息內(nèi)容，即發(fā)送信息的目的（傳遞指令狀態(tài)等）。由于在模型中使用的車聯(lián)網(wǎng)通信模塊是一種基于2.4 GHz的無線模塊，若想實現(xiàn)點對點的通信，必須在發(fā)送的信息中包括目標(biāo)節(jié)點的身份信息，并進(jìn)行必要的差錯校驗，這樣才能避免干擾，例如車庫需要讓某一輛車啟動離開，那么必須在接受節(jié)點中寫入需要啟動的車輛的身份信息，這樣才能保證僅啟動需要出庫的車輛。車聯(lián)網(wǎng)中詳細(xì)的通信協(xié)議和命令如表1和表2所示。

表1 通信信息的協(xié)議

表2 通信命令定義

最終車庫通過設(shè)計的車聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)的協(xié)議，可以實現(xiàn)車輛的自動入庫出庫，車庫能通過車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控車輛的狀態(tài)，也能通過車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對車輛的控制，可以實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)對車庫的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控。所設(shè)計的作品獲全國大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車競賽創(chuàng)意組全國總決賽優(yōu)秀獎，北京市首屆機器人競賽創(chuàng)意組二等獎，并被推薦參加北京市大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”課外科技作品競賽。

4 結(jié) 論

本文對車聯(lián)網(wǎng)智能立體車庫進(jìn)行了設(shè)計和試驗研究，然而目前的試驗只是在較為理想情況下進(jìn)行的，系統(tǒng)的容錯能力仍然十分有限，并且沒有設(shè)計安裝模擬的火警安保系統(tǒng)，因此只能用來驗證車聯(lián)網(wǎng)對車庫管理的可行性。隨著物聯(lián)網(wǎng)國家工程的實施，智慧城市建設(shè)的不斷深入，車聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)入下一代新能源與智能汽車中[10]。目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)計劃列入汽車標(biāo)配中，未來汽車自主導(dǎo)航定位與無人駕駛將逐漸實現(xiàn)。隨著車聯(lián)網(wǎng)的往縱深方向發(fā)展，車庫與汽車將實現(xiàn)無障礙的“溝通和交流”，實現(xiàn)完全無人干預(yù)的停車入庫和出庫將走進(jìn)現(xiàn)實商業(yè)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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表1 通信信息的協(xié)議

表2 通信命令定義

最終車庫通過設(shè)計的車聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)的協(xié)議，可以實現(xiàn)車輛的自動入庫出庫，車庫能通過車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控車輛的狀態(tài)，也能通過車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對車輛的控制，可以實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)對車庫的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控。所設(shè)計的作品獲全國大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車競賽創(chuàng)意組全國總決賽優(yōu)秀獎，北京市首屆機器人競賽創(chuàng)意組二等獎，并被推薦參加北京市大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”課外科技作品競賽。

4 結(jié) 論

本文對車聯(lián)網(wǎng)智能立體車庫進(jìn)行了設(shè)計和試驗研究，然而目前的試驗只是在較為理想情況下進(jìn)行的，系統(tǒng)的容錯能力仍然十分有限，并且沒有設(shè)計安裝模擬的火警安保系統(tǒng)，因此只能用來驗證車聯(lián)網(wǎng)對車庫管理的可行性。隨著物聯(lián)網(wǎng)國家工程的實施，智慧城市建設(shè)的不斷深入，車聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)入下一代新能源與智能汽車中[10]。目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)計劃列入汽車標(biāo)配中，未來汽車自主導(dǎo)航定位與無人駕駛將逐漸實現(xiàn)。隨著車聯(lián)網(wǎng)的往縱深方向發(fā)展，車庫與汽車將實現(xiàn)無障礙的“溝通和交流”，實現(xiàn)完全無人干預(yù)的停車入庫和出庫將走進(jìn)現(xiàn)實商業(yè)應(yīng)用。

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表1 通信信息的協(xié)議

表2 通信命令定義

最終車庫通過設(shè)計的車聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)的協(xié)議，可以實現(xiàn)車輛的自動入庫出庫，車庫能通過車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控車輛的狀態(tài)，也能通過車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對車輛的控制，可以實現(xiàn)通過互聯(lián)網(wǎng)對車庫的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控。所設(shè)計的作品獲全國大學(xué)生“飛思卡爾杯”智能汽車競賽創(chuàng)意組全國總決賽優(yōu)秀獎，北京市首屆機器人競賽創(chuàng)意組二等獎，并被推薦參加北京市大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”課外科技作品競賽。

4 結(jié) 論

本文對車聯(lián)網(wǎng)智能立體車庫進(jìn)行了設(shè)計和試驗研究，然而目前的試驗只是在較為理想情況下進(jìn)行的，系統(tǒng)的容錯能力仍然十分有限，并且沒有設(shè)計安裝模擬的火警安保系統(tǒng)，因此只能用來驗證車聯(lián)網(wǎng)對車庫管理的可行性。隨著物聯(lián)網(wǎng)國家工程的實施，智慧城市建設(shè)的不斷深入，車聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)入下一代新能源與智能汽車中[10]。目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)計劃列入汽車標(biāo)配中，未來汽車自主導(dǎo)航定位與無人駕駛將逐漸實現(xiàn)。隨著車聯(lián)網(wǎng)的往縱深方向發(fā)展，車庫與汽車將實現(xiàn)無障礙的“溝通和交流”，實現(xiàn)完全無人干預(yù)的停車入庫和出庫將走進(jìn)現(xiàn)實商業(yè)應(yīng)用。

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