基于物聯(lián)網(wǎng)的車位檢測(cè)誘導(dǎo)系統(tǒng)

楊懷德

摘要： 關(guān)鍵詞： 中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 2095-2163（2017）06-0139-03

Abstract： In order to solve the parking problem caused by the sharp increasing of car ownership in cities， a design of parking space detection guidance system is introduced， which uses the wireless monitoring node of geomagnetic parking state to measure the status of parking space， and uses ZigBee to build a wireless network for information transmission， and so inducts parking for drivers. The experimental results show that the system can carry out parking guidance accurately， improve the parking efficiency and the utilization ratio of parking spaces.

0引言

隨著城市機(jī)動(dòng)車保有量的迅猛激增，交通擁堵、停車?yán)щy、亂停亂放、停車糾紛、車輛安全、環(huán)境污染等交通相關(guān)的問題日益嚴(yán)重，尤其停車難是其中突出問題，30%的城市擁堵都是因?yàn)槿藗兯奶帉ふ彝＼囄欢斐傻摹６?，因?yàn)橥＼囯y，許多車輛胡亂?？吭隈R路兩側(cè)，進(jìn)一步加劇了城市擁堵?；诖?，為了真正緩解亂停亂放所造成的道路擁堵問題，大型停車場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用，然而由于傳統(tǒng)的停車場(chǎng)管理方式存在車位信息不透明、車位利用率低等因素使得停車難的問題并未展現(xiàn)得以控制的可觀態(tài)勢(shì)。因此，除城市規(guī)劃中有針對(duì)性籌建、新建停車場(chǎng)外，如何對(duì)現(xiàn)有的停車位進(jìn)行有效管理以提高其利用率即已成為當(dāng)下迫切需要解決的熱點(diǎn)關(guān)鍵問題。

國(guó)內(nèi)外己經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)此展開了研究且取得了頗多成果。文獻(xiàn)[1]針對(duì)停車系統(tǒng)中的信息傳輸可靠性問題提出了一種載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA）與應(yīng)答包（ACK）相結(jié)合的機(jī)制來減少數(shù)據(jù)碰撞率和丟包率，改善了系統(tǒng)的性能。 文獻(xiàn)[2]從跨層優(yōu)化的角度研發(fā)了一種基于 WSN 的地下停車場(chǎng)誘導(dǎo)信息系統(tǒng)（UPIS），MAC層采用基于 TDMA 的調(diào)度機(jī)制（CTD-MA）來降低節(jié)點(diǎn)的通信開銷；網(wǎng)絡(luò)層采用能量感知路由動(dòng)態(tài)調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，平衡網(wǎng)絡(luò)開銷，從而達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的滿意效果。文獻(xiàn)[3]利用RFID和無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一種泊車誘導(dǎo)方案，該方案通過數(shù)據(jù)融合降低無線通信的開銷。文獻(xiàn)[4]則給出了一種基于藍(lán)牙通信的停車場(chǎng)誘導(dǎo)泊車設(shè)計(jì)方案，該方案結(jié)合藍(lán)牙、語(yǔ)音技術(shù)，對(duì)駕駛員進(jìn)行誘導(dǎo)泊車。本文重點(diǎn)研究構(gòu)建了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的車位檢測(cè)誘導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可快速部署、無人值守、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于智能停車場(chǎng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了提升停車場(chǎng)的車位利用率和駕駛員的停車效率，車位檢測(cè)誘導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)該能給駕駛員提供準(zhǔn)確的車位信息和停車場(chǎng)的交通情況，駕駛員可以選擇自行前往或者經(jīng)車載終端導(dǎo)航到車位[5-6]。因此，系統(tǒng)首先需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取停車場(chǎng)的有效停車位、平面圖信息、停車場(chǎng)內(nèi)交通流信息、各種選擇方式下的最優(yōu)停車路線等指標(biāo)參數(shù)，其次，系統(tǒng)還需要根據(jù)車輛當(dāng)前的位置推薦最優(yōu)的停車位和行駛路徑給駕駛員，并且通過LCD顯示停車場(chǎng)平面圖信息、當(dāng)前區(qū)域的位置信息和空閑車位信息，供自主前往的駕駛員使用；最后對(duì)于使用車載終端導(dǎo)航前往的用戶，系統(tǒng)還應(yīng)提供導(dǎo)航的功能。因此，可將系統(tǒng)分為車位檢測(cè)模塊、無線通信模塊、路徑誘導(dǎo)模塊，主控中心模塊，如圖1所示。其中，無線通信模塊包括：下位機(jī)無線通信模塊和上位機(jī)無線通信模塊，而主控中心模塊則用于收集停車場(chǎng)的車位信息和車輛信息，并對(duì)車輛進(jìn)行車位分配和路徑規(guī)劃。

本文設(shè)計(jì)使用CC2530為停車場(chǎng)的核心控制器，采用匯編和C語(yǔ)言編程，接受外部輸入信號(hào)，控制引導(dǎo)的顯示；采用微型計(jì)算機(jī)為顯示中心和數(shù)據(jù)處理核心，顯示程序采用Delphi 語(yǔ)言；采用ZigBee為傳感節(jié)點(diǎn)和核心控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；外部信號(hào)的采集是通過磁阻傳感器，將探測(cè)到的車位信息送交給傳感節(jié)點(diǎn)；人機(jī)接口方面采用語(yǔ)音和LCD顯示屏，可以通過聽覺和視覺相結(jié)合的方式來形成停車引導(dǎo)；同時(shí)為了配合上述實(shí)現(xiàn)，還需要A/D轉(zhuǎn)換器，電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換等多種元器件或者芯片。停車誘導(dǎo)系統(tǒng)的工作原理為：

1）泊位信息采集設(shè)備在停車場(chǎng)的各出入口實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)出車輛，采集停車場(chǎng)車位變化數(shù)據(jù)。

2）此車位變化數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)由停車誘導(dǎo)系統(tǒng)執(zhí)行傳送，再經(jīng)過停車誘導(dǎo)控制系統(tǒng)的專用處理后，生成對(duì)應(yīng)于各停車場(chǎng)的空余泊位數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)信息顯示牌給出明確識(shí)別劃分。

3）對(duì)應(yīng)停車場(chǎng)的空余泊位數(shù)據(jù)經(jīng)由合理分配和路徑規(guī)劃，再將得到的處理結(jié)果下達(dá)到至關(guān)聯(lián)車載節(jié)點(diǎn)，并在車位顯示牌標(biāo)出空余泊位，從而向駕駛員通報(bào)各停車場(chǎng)的有效空位信息，為駕駛員提供自主選擇的基礎(chǔ)依據(jù)。

2系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

本文的車位檢測(cè)誘導(dǎo)系統(tǒng)利用監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)收集車位和車輛信息，向用戶發(fā)出實(shí)時(shí)的停車場(chǎng)停車位可用性信息，并引導(dǎo)用戶快速找到空車位。當(dāng)有車輛進(jìn)入或離開停車位時(shí)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在很短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到車位狀態(tài)變化，并通過無線傳感網(wǎng)傳送給主控中心，一旦主控中心收到車位信息就會(huì)立即通知信息管理控制中心，控制中心重新計(jì)算誘導(dǎo)信息、停車費(fèi)用、空余停車位數(shù)目等，將實(shí)時(shí)更新導(dǎo)引屏和信息屏，完成誘導(dǎo)信息的發(fā)布。

2.1車位檢測(cè)設(shè)計(jì)

車位檢測(cè)是用來實(shí)時(shí)獲取停車場(chǎng)中的停車信息，包括正在使用的車位和空閑車位信息[7]。在停車場(chǎng)的內(nèi)部，每個(gè)車位上都安裝了一個(gè)車位檢測(cè)子單元，這個(gè)子單元可以精確地檢測(cè)到該車位的使用狀況：如果并未檢測(cè)到車輛擺放，該車位就被歸為可使用車位；如果檢測(cè)到有車輛?？?，該車位就會(huì)歸為不可使用車位[6-7]?；诖耍疚募催x用弱磁傳感器感測(cè)車位上方磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，利用泊車前后的磁場(chǎng)強(qiáng)度之差來判別該停車位的狀態(tài)。傳感器模塊的核心元件采用霍尼韋爾的 HMC5883L，該芯片包括設(shè)計(jì)先進(jìn)的 HMC118X 系列磁阻傳感器，可同時(shí)測(cè)量X、Y、Z 三個(gè)方向的磁場(chǎng)信息，這三個(gè)方向是正交的，對(duì)這三個(gè)方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以得到磁場(chǎng)的角度，每個(gè)方向擁有兩個(gè)8 bit的數(shù)據(jù)寄存器A和B，寄存器A中儲(chǔ)存一個(gè)測(cè)量結(jié)果中的高位數(shù)據(jù)，寄存器B中儲(chǔ)存一個(gè)自測(cè)量結(jié)果的低位數(shù)據(jù)，這兩個(gè)寄存器中的值是以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存在的16 bit，其范圍是0XF800～0X07FF。 HMC5883L因其靈敏度高、可靠性好、功耗低，特別適合于大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的車位狀態(tài)監(jiān)測(cè)。而由研究可知，HMC5883L磁阻傳感器檢測(cè)車位上方是否有車輛停泊的基本原理是：當(dāng)車位上方?jīng)]有車輛停泊時(shí)，水平放置的傳感器Z軸方向的值很?。划?dāng)有車輛停泊時(shí)，由于車輛結(jié)構(gòu)中選配的大量金屬部件會(huì)對(duì)周圍的地磁場(chǎng)產(chǎn)生較大的影響，水平放置的傳感器 Z 軸方向的值會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，因此 Z 軸方向的數(shù)據(jù)能直接反映出車位占用情況。該研究模塊的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。endprint

HMC5883L使用源自IIC協(xié)議衍生的簡(jiǎn)化后的通信接口協(xié)議，傳輸速率是標(biāo)準(zhǔn)的100 kpbs或者400 kpbs，總線格式是一個(gè)8 bit數(shù)據(jù)/地址傳送和1 bit應(yīng)答位。有效的數(shù)據(jù)字節(jié)格式應(yīng)是區(qū)分大小寫的ASCII字符或二進(jìn)制字符；返回值為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，負(fù)的二進(jìn)制將以補(bǔ)碼形式傳回。HMC5883L的默認(rèn)7 bit從機(jī)地址為0x3C的寫入，0x3D的讀寫操作。SCL與SDA線需要10 K的上拉電阻。

2.2無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

無線傳輸模塊采用CC2530內(nèi)部集成的RF模塊作為核心模塊，實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)、數(shù)據(jù)包尋找終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能。CC2530芯片具有地址配對(duì)的性能模式，只需要在寫入程序時(shí)，設(shè)置配對(duì)終端的地址即可發(fā)送、接收、以及處理數(shù)據(jù)，這就成功保障了信息的A/D轉(zhuǎn)換及收發(fā)，因此這部分的主要工作是射頻電路的設(shè)計(jì)。無線RF的外圍電路連接與CC2530芯片有對(duì)應(yīng)的引腳接口：引腳25對(duì)應(yīng)RF_N，引腳26對(duì)應(yīng)RF_P，可得電路設(shè)計(jì)如圖3所示。CC2530是符合802.15.4協(xié)議的RF芯片，在802.15.4協(xié)議中，MAC層有固定的協(xié)議格式和不同種類的命令，協(xié)議中包括命令類型、源地址和目標(biāo)地址等重要信息。無線收發(fā)部分的寄存器較多，需要在內(nèi)嵌芯片初始化后才能正常使用其無線收發(fā)的功能。初始化部分包括接收數(shù)據(jù)包幀過濾控制、發(fā)射功率控制和信道選擇。發(fā)送過程可分為偵聽SFD清除信道、關(guān)閉接收中斷、填充緩沖區(qū)、啟動(dòng)發(fā)送并等待發(fā)送完成、恢復(fù)接收中斷五個(gè)階段。特別地，在填充緩沖區(qū)過程中，CC2530的物理層負(fù)載部分第一個(gè)字節(jié)為長(zhǎng)度域，長(zhǎng)度域的值需要考慮CRC字段的長(zhǎng)度。而無線接收部分則可以分為無線接收中斷處理和無線數(shù)據(jù)幀處理兩個(gè)階段。前者中，僅需查詢標(biāo)志位即可，RFIRQF0的第6位為完整數(shù)據(jù)包接收中斷標(biāo)志，若CC2530接收到一個(gè)完整的無線數(shù)據(jù)包，該標(biāo)志位便會(huì)置位。由于CC2530包含多種RF中斷類型，在進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)之后可以通過查詢標(biāo)志位的方法轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理任務(wù)；進(jìn)入無線數(shù)據(jù)幀處理階段后，首先讀取接收緩沖區(qū)的表征數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的第一個(gè)字節(jié)，由于發(fā)送端考慮了CRC字段，因此，接收時(shí)也需要考慮該因素。如果CRC校驗(yàn)成功，那么就依次讀取接收緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送這些字節(jié)數(shù)據(jù)，并附加二個(gè)RSSI結(jié)果。

2.3停車誘導(dǎo)模塊設(shè)計(jì)

停車誘導(dǎo)模塊由車位分配功能和路徑誘導(dǎo)功能組成。其中，車位分配功能能夠從當(dāng)前空閑車位中推薦最優(yōu)的停車位給用戶，路徑誘導(dǎo)則是在給定車位后為用戶去往該車位提供導(dǎo)航指示功能。這里，將給出具體研究?jī)?nèi)容如下。

2.3.1車位分配功能

本設(shè)計(jì)根據(jù)停車場(chǎng)面積和交通流線將其劃分為多個(gè)區(qū)域進(jìn)行車位分配。對(duì)于購(gòu)買或租用車位的用戶，將分配固定區(qū)域、固定車位；對(duì)于會(huì)員卡及臨時(shí)卡用戶，將在停車場(chǎng)各分配區(qū)域還剩余空位時(shí)，為用戶分配臨時(shí)車位。分配車位時(shí)，優(yōu)先在流動(dòng)車輛 （待停車輛及剛離開車位車輛）較少區(qū)域?qū)嵤┓峙?，以避免?chǎng)內(nèi)某區(qū)域內(nèi)流動(dòng)車輛過多而出現(xiàn)擁堵。系統(tǒng)進(jìn)行車位分配時(shí)，需要考慮諸多因素。如果用C 表示車輛、N表示時(shí)間、 R表示車位， 車位分配問題的目標(biāo)就是找出滿足約束條件的（C， N， R）組合。如何安排統(tǒng)籌后的分配次序，不僅關(guān)系到算法的性能、安排的合理性，更牽涉到最終能否求出可行解。因此，分配次序的好壞也是每個(gè)算法中均需慎重分析處理的問題。在本文的算法中，是對(duì)每組 （C， N， R）設(shè)定優(yōu)先級(jí)，然后按照優(yōu)先級(jí)的高低次序分配車位。設(shè)定（C， N， R） 優(yōu)先級(jí)需要考慮的因素有：

1）停車位到電梯距離。

2）由入口駕車到停車位距離。

3）分區(qū)內(nèi)流動(dòng)車輛的數(shù)量。在進(jìn)行車位分配時(shí)，考慮停車場(chǎng)各個(gè)分區(qū)交通狀況，分配車位時(shí)要均衡調(diào)配各個(gè)分區(qū)流動(dòng)車輛數(shù)量，避免分區(qū)也發(fā)生擁堵。

4）停車位是否易于停放，即車位兩邊是否有車停放、有柱子或處于停車場(chǎng)盡端 （靠墻），在運(yùn)算時(shí)分別考慮：

① 停車位處于盡端；

② 停車位兩邊均為車；

③ 停車位一邊為車、一邊為柱；

④ 停車位一邊為車、一邊為空位；

⑤ 停車位一邊為柱、一邊為空位；

⑥ 停車位兩邊均為空位。

算法在選擇每組停車任務(wù)（C， N， R）時(shí)是按貪心策略來展開研究，即按（C， N， R）優(yōu)先級(jí)的降位次序選擇最高優(yōu)先級(jí)的停車任務(wù)，進(jìn)而得出最佳停車位。

2.3.2停車路徑誘導(dǎo)功能

停車路徑誘導(dǎo)功能通過信息顯示和語(yǔ)音提示組合完成。信息顯示模塊的核心是顯示屏，本系統(tǒng)采用ST7735。ST7735是一款單芯片控制器/驅(qū)動(dòng)器262K色，圖形型TFT-LCD。該芯片接受串行外圍接口（SPI），8/ 9/ 16/ 18 bit并行接口。顯示數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在片上，顯示數(shù)據(jù)為132 ×162×18位RAM。而且還可以執(zhí)行顯示數(shù)據(jù)RAM讀/寫操作，沒有外部操作時(shí)鐘，由此達(dá)到功耗最小。ST7735與CPU之間的電路連接設(shè)計(jì)如圖4所示。

語(yǔ)音提示功能是結(jié)合車輛位置和路徑信息在關(guān)鍵路徑節(jié)點(diǎn)生成語(yǔ)音提示，避免駕駛員駛?cè)脲e(cuò)誤的路線，通過語(yǔ)音提醒，駕駛員可得知行車方向、包括到下個(gè)路口的行駛距離，以及當(dāng)前停車場(chǎng)內(nèi)的交通情況。

3結(jié)束語(yǔ)

本文著重研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的車位檢測(cè)誘導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架圖，并詳細(xì)討論了系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方案。本文研究成果適用于大多數(shù)智能停車場(chǎng)的需求，對(duì)后續(xù)功能的完善和拓展研發(fā)具有良好參考價(jià)值。

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