基于加密二維碼的智能停車(chē)系統(tǒng)

陳泓昌，喻家明，李慶霖，黃鎮(zhèn)建

（韓山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，潮州521000）

0 引言

隨著汽車(chē)的普及，很多城市往往會(huì)出現(xiàn)“一位難求”的情況，因此非常有必要開(kāi)發(fā)一款接入互聯(lián)網(wǎng)的小型智能設(shè)備，滿足人民群眾出行的停車(chē)的需求。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于加密二維碼的智能停車(chē)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上預(yù)約停車(chē)。用戶(hù)在線預(yù)約停車(chē)后，即可獲可用智能手機(jī)獲得加密二維碼，該二維碼具有時(shí)效性。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，用戶(hù)憑獲得的加密二維碼至停車(chē)場(chǎng)刷碼停車(chē)，用戶(hù)停車(chē)完畢后，刷碼結(jié)算。車(chē)輛離開(kāi)后，云端數(shù)據(jù)庫(kù)增加一個(gè)停車(chē)位。一位難求已成為“城市的痛”，系統(tǒng)可應(yīng)用到大型公共停車(chē)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)位的在線智能化管理，用戶(hù)完全可“按需”駕車(chē)出行。

停車(chē)場(chǎng)管理方只需購(gòu)買(mǎi)本作品設(shè)計(jì)的智能設(shè)備，并在網(wǎng)上注冊(cè)綁定即可使停車(chē)場(chǎng)處于無(wú)人值守的管理狀態(tài)。這既節(jié)省了人力，還可以實(shí)時(shí)共享停車(chē)數(shù)據(jù)，從而改善人們的出行體驗(yàn)。

1 相關(guān)技術(shù)

二維碼（2-Dimensional Bar Code），是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息[1]。目前，最流行的莫過(guò)于QR Code，QR 表示Quick Response 即快速響應(yīng)，QR Code 碼具有全方位（360°）識(shí)讀特點(diǎn)，QR Code 碼的超高速識(shí)讀特性使它能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線管理等領(lǐng)域，因此QR Coded 在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，也出現(xiàn)了很多二維碼門(mén)禁，廣泛應(yīng)用于酒店房間，住宅等，但并沒(méi)有將二維碼技術(shù)應(yīng)用到智能停車(chē)系統(tǒng)的門(mén)禁系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，實(shí)現(xiàn)預(yù)約和結(jié)算功能，并且大多數(shù)應(yīng)用并沒(méi)有注意到QR Code 由于其開(kāi)源特性，容易被篡改、假冒，因此本文對(duì)QR 碼進(jìn)行了加密處理?；诩用芏S碼的智能停車(chē)預(yù)約系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成功后，將其適當(dāng)修改，還可應(yīng)用于電梯門(mén)禁、門(mén)診預(yù)約、車(chē)站、地鐵的驗(yàn)票、大型賽事集會(huì)的簽到等領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛。該“鑰匙”很容易分發(fā)，制作成本也極低廉，如獲得資金支持，可滿足社會(huì)公共事業(yè)建設(shè)的需要，為智慧城市的建設(shè)添磚加瓦。

目前，QR 二維碼已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。本文將在線生成的二維碼的信息當(dāng)做“鑰匙”，只有遇到正確的“鑰匙”，智能停車(chē)系統(tǒng)的門(mén)禁設(shè)備才會(huì)啟動(dòng)，允許停車(chē)。系統(tǒng)的實(shí)施分為線下硬件設(shè)備、MQTT 協(xié)議服務(wù)器控制腳本和線上網(wǎng)站三部分。

硬件部分使用ESP8266+Arduino+GM65 圍繞MQTT 協(xié)議來(lái)開(kāi)發(fā)。在物聯(lián)網(wǎng)大肆發(fā)展的今天，樂(lè)鑫的ESP8266 模塊，能快速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的多種實(shí)踐，逐漸在嵌入式領(lǐng)域占據(jù)了領(lǐng)先地位[2]。

服務(wù)器控制端使用Python 語(yǔ)言，接收設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，解密，與用戶(hù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息做比對(duì)，正確才發(fā)送開(kāi)門(mén)信號(hào)給設(shè)備。

Web 頁(yè)面使用Python 的Flask 框架搭建，給注冊(cè)用戶(hù)提供生成加密二維碼的預(yù)約頁(yè)面[3]。管理員則可以通過(guò)后臺(tái)管理頁(yè)面操作數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)數(shù)據(jù)的增刪改查，以及對(duì)用戶(hù)進(jìn)行管理。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)包括以下三部分：

（1）線下停車(chē)場(chǎng)硬件設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)二維碼信息的傳輸給服務(wù)器，接收服務(wù)器回傳結(jié)果并做出相應(yīng)的處理；

（2）線上網(wǎng)站。提供用戶(hù)注冊(cè)、信息存儲(chǔ)、停車(chē)場(chǎng)信息展示、后臺(tái)管理等功能；

（3）MQTT 協(xié)議服務(wù)器控制腳本，主要接收線下停車(chē)場(chǎng)硬件設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，并進(jìn)行比對(duì)，將結(jié)果回傳給對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)備[4]。

2.1 硬件部分

本作品硬件設(shè)備包括兩大部分，一部分屬于通信設(shè)備，為主設(shè)備；另一部分為控制設(shè)備，為從設(shè)備。主設(shè)備ESP8266 模組通過(guò)MQTT 協(xié)議與服務(wù)器通信，處理服務(wù)器回傳的數(shù)據(jù)，控制從設(shè)備Arduino UNO[5-6]從而做出相應(yīng)的動(dòng)作，其工作流程如圖1 所示。

ESP8266 模塊是樂(lè)鑫公司生產(chǎn)的32 位Tensilica處理器。CPU 時(shí)鐘速度最高可達(dá)160MHz，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）和Wi-Fi 協(xié)議棧，可將高達(dá)80%的處理能力留給應(yīng)用編程和開(kāi)發(fā)。

GM65 掃描模塊功耗低，工作電流小于150mA，一體化設(shè)計(jì)，體積小；支持TTL232 和USB（中文免驅(qū)）接口；支持所有通用一維條碼及常用二維碼，可直接識(shí)別手機(jī)屏幕。

圖1 硬件流程圖

Arduino UNO 通過(guò)串口接收到ESP8266 發(fā)送過(guò)來(lái)的命令信息，進(jìn)而控制舵機(jī)開(kāi)啟閘門(mén)，接著，通過(guò)超聲波測(cè)距模塊判斷車(chē)輛是否完全進(jìn)入，從而使舵機(jī)放下閘門(mén)，完成車(chē)輛進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)的程序，硬件部分的電路如圖2 所示。

圖2 硬件電路圖

2.2 MQTT服務(wù)器控制腳本

服務(wù)器端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Python，程序基于MQTT 通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器，且云端也能主動(dòng)發(fā)消息到設(shè)備端。ESP8266 模塊通過(guò)串口接收GM65 掃碼模塊傳過(guò)來(lái)的二維碼信息，并將該加密信息加上駛?cè)?駛出掃描設(shè)備自身的加密信息一同傳輸?shù)椒?wù)器。服務(wù)器對(duì)信息進(jìn)行解密，對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)已有信息，從而做出判斷，并將結(jié)果加密，通過(guò)MQTT 協(xié)議發(fā)送給ESP8266。ESP8266 再將信息解密后通過(guò)串口控制從設(shè)備Arduino UNO 做出相應(yīng)的動(dòng)作。

2.3 線上網(wǎng)站

Web 的開(kāi)發(fā)框架是Flask，后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)為MySQL，支持手機(jī)瀏覽器、傳統(tǒng)PC 兩種訪問(wèn)方式。后臺(tái)的主要數(shù)據(jù)表有7 張，主要用于存儲(chǔ)管理員信息、用戶(hù)信息、用戶(hù)積分、用戶(hù)預(yù)訂信息以及用戶(hù)停車(chē)賬單、硬件設(shè)備、停車(chē)場(chǎng)信息等。服務(wù)器控制腳本一直在后臺(tái)運(yùn)行著檢測(cè)預(yù)約情況。注冊(cè)用戶(hù)可看到停車(chē)場(chǎng)的情況，隨時(shí)隨地可根據(jù)自已的情況進(jìn)行預(yù)約。Web 部分的結(jié)構(gòu)圖如3 和圖4 所示。

圖3 普通用戶(hù)模塊功能結(jié)構(gòu)圖

圖4 管理員模塊功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)使用Docker 技術(shù)打包本作品的Web 應(yīng)用以及依賴(lài)包到一個(gè)輕量級(jí)、可移植的容器中，然后部署上線。服務(wù)器用的是阿里的云服務(wù)器，系統(tǒng)為Ubuntu Server 18.04，這些應(yīng)用程序分別運(yùn)行在不同的Docker容器中，相互隔離，使服務(wù)盡可能的安全運(yùn)行。一共開(kāi)啟三個(gè)容器，分別為：Python-Flask+uwsgi+Nginx 網(wǎng)站運(yùn)行環(huán)境、MySQL 運(yùn)行環(huán)境、MQTT 服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境。

在使用基于加密二維碼的智能停車(chē)場(chǎng)前，用戶(hù)必須通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端注冊(cè)網(wǎng)頁(yè)帳號(hào)，填寫(xiě)相應(yīng)的資料，并且通過(guò)驗(yàn)證為合法用戶(hù)之后才能使用本系統(tǒng)進(jìn)行線下停車(chē)，注冊(cè)成功后會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到用戶(hù)主頁(yè)（http://49.234.8.226）。主頁(yè)的側(cè)邊欄為導(dǎo)航欄，中間部分為各停車(chē)場(chǎng)信息頁(yè)面，分塊顯示，網(wǎng)站主頁(yè)界面如圖5所示。

點(diǎn)擊側(cè)邊導(dǎo)航欄的用戶(hù)→停車(chē)，可生成一個(gè)有時(shí)效性的經(jīng)過(guò)加密的二維碼，并將相應(yīng)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，然后用戶(hù)將此二維碼于停車(chē)場(chǎng)掃碼設(shè)備識(shí)別，進(jìn)而上傳到服務(wù)器進(jìn)行對(duì)比，從而開(kāi)啟停車(chē)場(chǎng)閘門(mén)，實(shí)現(xiàn)停車(chē)的功能。系統(tǒng)支持手機(jī)瀏覽器，用戶(hù)獲得的加密二維碼如圖6 所示。

圖5 網(wǎng)站主頁(yè)

圖6 用戶(hù)獲取二維碼停車(chē)界面

這里二維碼的加密算法使用的是愷撒加密方法。設(shè)備開(kāi)機(jī)后會(huì)主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送一條算子特定的加密信息，然后服務(wù)器將算子存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，之后的加密通信都由此算子加密。

服務(wù)器端生成的加密二維碼為一段帶get 參數(shù)的URL，其中所帶的get 參數(shù)即為加密后的信息。門(mén)禁系統(tǒng)掃描設(shè)備接收到信息后只需在尾部拼接上自己的駛?cè)?駛出加密信息，并發(fā)送給服務(wù)器即可。服務(wù)器再根據(jù)對(duì)應(yīng)設(shè)備在數(shù)據(jù)庫(kù)找到相應(yīng)算子來(lái)解密信息，并做出處理，其中算子會(huì)定時(shí)更新。此時(shí)，二維碼中加密信息包含如下字段內(nèi)容。

表1

管理員登錄Web 后臺(tái)后顯示的主頁(yè)儀表盤(pán)信息界面如圖7 所示。后臺(tái)可以添加設(shè)備、添加停車(chē)場(chǎng)、刪除設(shè)備、刪除停車(chē)場(chǎng)、添加管理員、刪除管理員，其中添加新的停車(chē)場(chǎng)前需添加新的設(shè)備，一個(gè)設(shè)備只能屬于一個(gè)停車(chē)場(chǎng)。若能得到資金的支持，將每座城市分散的停車(chē)場(chǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)線上線下的停車(chē)數(shù)據(jù)同步，一定能夠?yàn)槿嗣袢罕姵鲂刑峁└玫姆?wù)。

圖7 主頁(yè)儀表盤(pán)

3 結(jié)語(yǔ)

目前，常見(jiàn)的停車(chē)系統(tǒng)大多還需要人工值守，或者刷卡通過(guò)門(mén)禁。部分高端設(shè)備即使能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別，但沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)在線預(yù)約，用戶(hù)出行前根本不了解停車(chē)場(chǎng)車(chē)位狀況，“按需”出行沒(méi)有辦法實(shí)施，在線支付或者無(wú)感支付更是無(wú)從談起。也就是說(shuō)，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，使用加密二維碼實(shí)現(xiàn)在線車(chē)位預(yù)約，而且還能在線支付結(jié)算的智能停車(chē)系統(tǒng)目前尚屬空白。此外，大多數(shù)停車(chē)場(chǎng)還處于分散經(jīng)營(yíng)，各自為政狀況，因而，公共部門(mén)無(wú)從獲取各停車(chē)場(chǎng)的停車(chē)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為用戶(hù)的出行或停車(chē)場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)提供建議。本系統(tǒng)如獲得資金的關(guān)注和支持，能夠?qū)⒁蛔鞘械乃型＼?chē)場(chǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)停車(chē)數(shù)據(jù)的在線共享，用戶(hù)將獲得更好的出行體驗(yàn)。尤其在節(jié)假日或出行高峰，公共管理部門(mén)可以對(duì)停車(chē)需求進(jìn)行預(yù)警或通報(bào)，人們可以根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)“按需”出行，從而解決“一位難求”的城市痛點(diǎn)。