基于物聯(lián)網(wǎng)的地下停車場車輛引導(dǎo)系統(tǒng)

郭展宏，馬殷元，郭夜啼

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國汽車保有量的持續(xù)增加，停車位缺口的增大，停車難的問題日益凸顯。停車場內(nèi)車輛進(jìn)出泊車與停車位的實(shí)時信息不匹配造成地下停車場車位利用率低，也制約著場內(nèi)的高效泊車[1]。市面上涌現(xiàn)出許多車位和車輛監(jiān)控方法，其中基于地磁傳感器和視頻監(jiān)控的方法在新建停車場中使用較多。如果采用同樣方法對現(xiàn)有室內(nèi)停車場進(jìn)行改造將存在以下缺陷：根據(jù)市場調(diào)研，在停車場通信方式上目前國內(nèi)大多采用有線傳輸方式進(jìn)行車位采集，有線傳輸需要對現(xiàn)場進(jìn)行布線，當(dāng)出現(xiàn)線路問題時維護(hù)成本較高；地磁傳感器是地埋式的，在安裝時需要對路面做較大修整，容易造成原有設(shè)施的大面積破壞；視頻監(jiān)控技術(shù)受白晝光線影響較大[2]，技術(shù)還未完全成熟，且布置成本高；在供電方面采用有線方式較為繁瑣。此外，駕駛員不知道每個停車區(qū)域的車流量情況，在停車場內(nèi)迂回地尋找車位，容易造成停車場內(nèi)車輛區(qū)域局部性擁堵[3]。針對以上問題，本文提出一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的地下停車場車輛引導(dǎo)系統(tǒng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是通過IP (互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)連接傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器設(shè)備全球系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)中連接的傳感器用來感知和收集實(shí)時數(shù)據(jù)，并采用相應(yīng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相互通信，收集到的數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上共享，經(jīng)處理和分析后的信息用于各種應(yīng)用程序[4-5]。本系統(tǒng)所采用的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)可拓展節(jié)點(diǎn)多，適用于地下停車場內(nèi)多車輛多岔口的應(yīng)用場景。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1所示的地下停車場車輛引導(dǎo)系統(tǒng)主要由4部分組成。1)位于地下停車場入口的用戶車牌信息采集裝置，實(shí)現(xiàn)對車輛信息進(jìn)行采集，將車輛信息傳輸給引導(dǎo)系統(tǒng)。2)安裝在地下停車場關(guān)鍵路口的LED顯示屏，方便對進(jìn)入停車場的用戶進(jìn)行分時分區(qū)引導(dǎo)找到有效車位。3)位于地下停車場停車位上的多路車位信息采集節(jié)點(diǎn)，包括多傳感器模塊及由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對車位信息的動態(tài)檢測。4)區(qū)域道岔口車流量檢測節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對每個區(qū)域內(nèi)的車輛數(shù)目進(jìn)行檢測，當(dāng)上位機(jī)在獲知各個區(qū)域的空車位信息及各道岔路口的車輛數(shù)目后，在引導(dǎo)屏的提示下分時分區(qū)地動態(tài)引導(dǎo)駕駛員進(jìn)入有效停車位，以避免高峰期由于系統(tǒng)不知道車位與地下停車場某區(qū)域內(nèi)的待停車的車輛數(shù)目而造成的無效引導(dǎo)，節(jié)省巡泊時間。

圖1 地下停車場車輛引導(dǎo)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3 地下停車場車輛引導(dǎo)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件主要包括超聲波傳感器模塊、ZigBee無線射頻收發(fā)模塊、LCD顯示模塊等[6]。這些模塊以ZigBee模塊為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，并將其最終上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過該節(jié)點(diǎn)匯總至上位機(jī)的車輛引導(dǎo)系統(tǒng)。

3.1 超聲波傳感器模塊

該系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波傳感器用于檢測地下停車場車位的狀態(tài)。其工作原理是向輸入引腳觸發(fā)信號，傳感器內(nèi)部將會發(fā)出8個40 kHz的周期電平并檢測回波，依據(jù)收集的時間信息計(jì)算相應(yīng)的物理量，并采用Zigbee技術(shù)將信息上傳給上位機(jī)，如圖2所示。

圖2 信息采集試驗(yàn)?zāi)K

3.2 ZigBee無線射頻收發(fā)模塊

在傳輸方式上以 CC2530 芯片為核心，采用低耗電、低成本、低復(fù)雜度的近距離ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]。CC2530是51單片機(jī)的增強(qiáng)型模塊，能夠進(jìn)行無線數(shù)據(jù)收發(fā)。在ZigBee 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，電源濾波電路、時鐘電路、射頻電路等CC2530 的外圍工作電路在 ZigBee 模塊的核心板中已經(jīng)包含，如圖3所示。

圖3 硬件總體電路

3.3 LCD顯示模塊

系統(tǒng)需要能同時顯示字母、數(shù)字以及符號，以實(shí)現(xiàn)對車輛引導(dǎo)，LCD12864芯片能滿足系統(tǒng)需求。故本系統(tǒng)選用LCD12864芯片。

3.4 區(qū)域車輛檢測

3.4.1 區(qū)域車輛流量記錄

車輛流量檢測通過吊裝在停車場區(qū)域道岔路口上方的2路超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)。在車輛進(jìn)出某一區(qū)域時，根據(jù)車輛被超聲波檢測到的先后順序不同，來判斷車輛的進(jìn)出方向。通過Zigbee終端模塊的計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)超聲波檢測的脈沖數(shù)，記錄停車場內(nèi)的區(qū)域車流量。Zigbee終端模塊將記錄下來的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)上傳給與PC機(jī)連接的協(xié)調(diào)器，上位機(jī)平臺將收集到的信息進(jìn)行判斷，給停車場內(nèi)的引導(dǎo)屏發(fā)出引導(dǎo)指令，使車輛交錯行駛避免擁堵。

3.4.2 車位狀態(tài)檢測

由于地下停車場的建設(shè)規(guī)范高度約為3 m，現(xiàn)有車輛高度為1.6～2.1 m，故將超聲波傳感器布置在停車場內(nèi)上方2.5 m的位置。當(dāng)超聲波傳感器在1.6～2.1 m間檢測到信號，表示有車輛進(jìn)出。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用美國德州儀器公司的CC2530芯片，因而選用IAR嵌入式工作平臺集成調(diào)試。該系統(tǒng)的軟件程序主要包括傳感器的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、LCD 顯示、車輛流量檢測以及車位狀態(tài)模塊。

4.1 車輛流量檢測子程序

視頻特征提取、紅外線傳感器以及磁感應(yīng)傳感器等都能夠?qū)崿F(xiàn)對車流量的檢測[8]。結(jié)合停車場的實(shí)際環(huán)境條件及安裝的便捷性，該系統(tǒng)采用了2路背對式超聲波傳感器A和B，當(dāng)傳感器A檢測到距離有所改變后傳感器B才檢測到距離的變化，則代表著車輛進(jìn)入了該停車區(qū)域，否則相反，然后將車輛計(jì)數(shù)信息傳輸給計(jì)算機(jī)。車輛流量檢測的流程如圖4所示。

圖4 區(qū)域車輛流量檢測流程圖

4.2 車位狀態(tài)檢測子程序

地下停車場內(nèi)車位狀態(tài)的檢測是根據(jù)CC2530模塊對超聲波傳感器的TRIG(觸發(fā))和ECHO(回響)2個引腳進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)的。該模塊對發(fā)射信號到接收回響信號的時間間隔進(jìn)行記錄，從而計(jì)算車位上空距離的變化，并將采集到的信息無線傳輸給ZigBee節(jié)點(diǎn)。車位狀態(tài)檢測的流程圖如圖5所示。

圖5 車位狀態(tài)測流程圖

4.3 車輛引導(dǎo)路徑搜索算法

根據(jù)該系統(tǒng)中停車場的車位檢測裝置獲得的空車位信息，針對傳統(tǒng)Dijkstra算法[9-11]中全節(jié)點(diǎn)盲目搜索的不足，在車輛路徑引導(dǎo)的搜索方向和搜索范圍上進(jìn)行了改進(jìn)，其正向搜索算法基本步驟如下。

1)首先給出對應(yīng)的源節(jié)點(diǎn)S和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)M，用E1，E2表示對向搜索過程中遍布的節(jié)點(diǎn)。

2)依據(jù)扇形搜索范圍進(jìn)行區(qū)域化搜索，查找假定的扇形限制角2α內(nèi)的遍布節(jié)點(diǎn)，并存儲在集合A中，否則存入B中。

3)找出集合A中所有與源節(jié)點(diǎn)S中相距最短的節(jié)點(diǎn)n(即S和n的道路權(quán)值最小)，以此作為源節(jié)點(diǎn)的下一個搜索起點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)。

4)當(dāng)E1和E2集合的交集滿足不為空集時停止搜索判斷，最終輸出最優(yōu)路徑結(jié)果。反向搜索與正向搜索步驟相同。

5 仿真測試

地下停車場車輛引導(dǎo)系統(tǒng)路徑優(yōu)化是最短路徑的一個相關(guān)應(yīng)用，在完成車輛泊車檢測系統(tǒng)軟硬件的搭建后，以某高鐵站地下停車場為例進(jìn)行了簡單的系統(tǒng)測試，對停車場內(nèi)單個區(qū)域路口車流量和區(qū)域內(nèi)車位進(jìn)行了采集。在實(shí)驗(yàn)中觀察到58輛車輛經(jīng)過終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)出G區(qū)域，系統(tǒng)檢測到56次數(shù)據(jù)并上傳計(jì)算機(jī)，檢測率為56/58×100%=96.55%，進(jìn)而計(jì)算出該檢測系統(tǒng)的誤差約為3.45%，具體車輛和車位檢測結(jié)果如表1所示。圖6所示為停車場中某一時刻的交通情況，此時各個節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)值的大小根據(jù)場內(nèi)節(jié)點(diǎn)間距離和各道岔路口車輛進(jìn)出區(qū)域數(shù)量確定。在仿真測試中采用MATLAB編程，規(guī)避區(qū)域局部性擁堵，同時使駕駛員在停車結(jié)束后步行至電梯的路程最短，基于改進(jìn)Dijkstra搜索算法得到的車輛從入口到有效車位的最優(yōu)有效路徑為D1→D2→D6，駕駛員行車至A3車位，如圖7中紅色引導(dǎo)線所示，其中當(dāng)前時刻道路權(quán)值標(biāo)注在每條邊上。結(jié)合圖6和圖7可以看出，所引導(dǎo)的路徑有效避開了多車輛路段D4→D6段，達(dá)到了該系統(tǒng)的初始目的，能夠使駕駛員快速到達(dá)并有效泊車。

表1 車輛泊車實(shí)時檢測結(jié)果

圖6 地下停車場某時刻平面示意圖

圖7 車輛引導(dǎo)最優(yōu)到達(dá)路徑規(guī)劃示意圖

6 結(jié)束語

針對地下停車場人工管理方式存在的停車場內(nèi)剩余的車位信息不明確、未占用停車位的位置不清楚、車輛區(qū)域局部性擁堵、車主停車時不能及時找到空停車位、停車位利用率低等問題，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的車輛引導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)對停車場內(nèi)的空車位信息及區(qū)域車輛流量進(jìn)行主動獲??；能充分考慮駕駛員停車和到達(dá)電梯的路程，使其最短，規(guī)避了車輛的區(qū)域局部擁堵，對駕駛員進(jìn)行高效的路徑引導(dǎo)，提高了泊車效率。