基于車牌識別和ZigBee無線傳感的智能車庫系統(tǒng)應(yīng)用

吳芷純　謝琳　潘耀豪

摘? 要：如今，人們越來越追求更為便捷與人性化的人居生活。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像識別技術(shù)以及受眾廣泛的網(wǎng)頁，設(shè)計出一套適宜現(xiàn)代小區(qū)需求的智能車庫管理系統(tǒng)。智能車庫包括可識別空車位并提供停車導(dǎo)航以及火警警報。該設(shè)計中添置了兩個目前所知的智能小區(qū)沒有的功能，在智能車庫系統(tǒng)中使用了基于ZigBee神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車牌識別系統(tǒng)，同時，車庫內(nèi)搭載室內(nèi)燈光導(dǎo)航系統(tǒng)，以保證能快速找到車位。

關(guān)鍵詞：智能;車牌識別;ZigBee

中圖分類號：TP391.4;TP274? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）05-0168-03

Application of Intelligent Garage System Based on License Plate

Recognition and ZigBee Wireless Sensing

WU Zhichun，XIE Lin，PAN Yaohao

（Guangzhou College of Commerce，Guangzhou? 511363，China）

Abstract：Nowadays，people are increasingly pursuing more convenient and humanized living. The team used the internet of things technology，image recognition technology，and a wide range of web pages to design a smart garage management system suitable for the needs of modern communities. Smart garages include identifying empty parking spaces and providing parking navigation，as well as fire alarms. In this design，we added two functions that are not known to the smart community. The team uses a ZigBee neural network-based license plate recognition system in the intelligent garage system. At the same time，the garage is equipped with an indoor lighting navigation system to ensure that parking spaces can be found quickly.

Keywords：intelligence;license plate recognition;ZigBee

0? 引? 言

如今，筑物智能化系統(tǒng)的技術(shù)日臻成熟，電腦、有線電視、機(jī)頂盒、移動通信等數(shù)字化通信已經(jīng)走進(jìn)許多家庭。正是由于技術(shù)與市場雙方面的進(jìn)步與發(fā)展才使得我國的智能化小區(qū)成為必然的趨勢。在對相關(guān)文獻(xiàn)的檢索中，筆者閱覽了我國建設(shè)部發(fā)行的《全國住宅小區(qū)智能化技術(shù)示范工程建設(shè)工作大綱》，其為智能化小區(qū)的建設(shè)提供了可靠依據(jù)。

通過團(tuán)隊成員對廣州市各中高級住宅區(qū)的調(diào)研顯示，目前傳統(tǒng)型小區(qū)存在許多的弊端，如效率低下、人工成本高、安全隱患嚴(yán)重、信息缺失等缺點(diǎn)。而根據(jù)我們的查找，發(fā)現(xiàn)目前我國雖然已經(jīng)有了不少成功的智能化社區(qū)實(shí)例，但普及率、科學(xué)性仍然有待提高。

綜上，在隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們的生活水平和消費(fèi)水平日益提高的背景下，我們認(rèn)為智能小區(qū)的建設(shè)具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，特別是智能化停車管理方面，擁有極大的市場需求潛能。

1? 技術(shù)分析

根據(jù)預(yù)計需求，我們把智能車庫分為三個部分，在智能車庫方面，搭載的功能有：車牌識別、預(yù)約停車、車庫門控制、室內(nèi)燈光導(dǎo)航系統(tǒng)等功能，并使用了樹莓派、NodeMCU（ESP8266）、ZigBee（CC2530）等硬件。

在監(jiān)控場景下的車牌自動檢測識別技術(shù)是智能交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，采集到的車牌圖像既有清晰的高質(zhì)量圖像，也有模糊的低質(zhì)量圖像，因此對于不同質(zhì)量的車牌圖像，都需要設(shè)計出能夠正確提取車牌信息的檢測算法。本系統(tǒng)匯總采用的車牌識別算法，是通過構(gòu)建的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自上而下逐層提取車牌不同“粒度”特征，再自下而上進(jìn)行上采樣融合每層的特征，然后根據(jù)融合的特征產(chǎn)生基于不同置信度的候選框，并根據(jù)不同置信度分配不同權(quán)重值給對應(yīng)的候選框，最后合并得到在監(jiān)控場景中定位率較高的新能源車牌檢測模型[1]。

2? 需求設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計實(shí)體俯瞰圖如圖1所示，其左右兩側(cè)為車位，白色燈為車位指引燈，指示當(dāng)前車位是否有車。圖2為車牌識別現(xiàn)場，當(dāng)正確識別后，智能小區(qū)的門禁系統(tǒng)會通過HTTP協(xié)議向云平臺獲取相應(yīng)的信息，是否打開車門，如果是有預(yù)約的車牌或者是本地住戶車牌就會使用左側(cè)的舵機(jī)進(jìn)行開門操作，等到小車觸碰到門后的光電感應(yīng)開關(guān)就把門關(guān)上。

2.1? 詳細(xì)設(shè)計——硬件部分

2.1.1? 車輛入庫流程

當(dāng)有車輛靠近車庫門，觸發(fā)車庫外的傳感器后，開始車輛入庫流程，首先樹莓派接收到傳感器的信號會開啟攝像頭，并開啟基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車牌識別系統(tǒng)，進(jìn)行車牌識別，當(dāng)識別到車輛時，會將該車輛的車牌號與行為上傳到后端服務(wù)器，后端服務(wù)器會根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息，判斷該車是否有權(quán)限進(jìn)行停車，并將該權(quán)限信息返回給樹莓派，樹莓派再根據(jù)后端服務(wù)器返回的授權(quán)信息，若無權(quán)限則播放提示音樂并結(jié)束流程，若有權(quán)限則開啟車庫門并在顯示屏中顯示相應(yīng)信息，等待車輛進(jìn)入后關(guān)閉車庫門，判斷車輛是否進(jìn)入車庫以及進(jìn)入完成的依據(jù)是通過車門后的傳感器。

2.1.2? 室內(nèi)燈光導(dǎo)航系統(tǒng)與車位反饋流程

ZigBee是智能車庫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。智能車庫系統(tǒng)主要包括信息識別、智能控制等方面，由這些傳感器收集車輛及環(huán)境信息，并將大量的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行腫2]。當(dāng)車庫內(nèi)有某一輛車的狀態(tài)發(fā)生改變時（入庫或出庫），會觸發(fā)車位上的傳感器，并反饋給車位所在的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備，節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收到反饋信息后，會向ZigBee節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送車輛的狀態(tài)，其他ZigBee接收到消息后會進(jìn)行燈光信息的調(diào)整，而當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器接收到消息后，則會通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送給后端服務(wù)器，以便后端服務(wù)器更新車輛數(shù)據(jù)。

2.1.3? 智能車庫與后端服務(wù)器的通訊設(shè)計

本次設(shè)計，考慮到樹莓派與NodeMCU兩個設(shè)備的計算力有較大的差異，以及存在傳遞信息的差異，對于樹莓派與后端設(shè)備的通訊，采用HTTP協(xié)議，而NodeMCU與后端設(shè)備的通訊，則采用MQTT協(xié)議，樹莓派與NodeMCU設(shè)備的信息若需要進(jìn)行傳遞，則需要通過后端服務(wù)器才可以進(jìn)行。通訊協(xié)議圖如圖3所示。

2.2? 詳細(xì)設(shè)計——軟件部分

2.2.1? 智能車庫管理平臺

本次設(shè)計在軟件客戶端設(shè)計上，設(shè)計了網(wǎng)頁客戶端“智能車庫管理平臺”，此平臺的針對群體主要是管理員，也提供了住戶登錄，兩者使用相同的登錄接口，根據(jù)賬號的不同來分配不同的角色權(quán)限，因?yàn)獒槍π^(qū)住戶單獨(dú)制作了微信小程序，在本管理平臺不再展示與微信小程序相同的功能。

2.2.2? 微信小程序客戶端

為了讓小區(qū)住戶能夠得到更方便更快捷的體驗(yàn)，以及兼顧iOS與Android系統(tǒng)都可以使用的特點(diǎn)，本次設(shè)計開發(fā)了基于微信小程序的客戶端，該客戶端僅面向住戶，提供了訪客停車預(yù)約和訪客入門預(yù)約、小區(qū)監(jiān)控等主要功能。微信小程序與服務(wù)器的交互全部是通過調(diào)用后端服務(wù)器的API來完成的，其中監(jiān)控查看功能因?yàn)樾枰D(zhuǎn)到小區(qū)內(nèi)監(jiān)控服務(wù)器中，需要在小區(qū)內(nèi)網(wǎng)才可以觀看，其他功能在內(nèi)外網(wǎng)均可以使用。當(dāng)用戶第一次使用這一客戶端時，因?yàn)樵揙penID沒有注冊，調(diào)用登錄接口過程不會成功，將會自動跳轉(zhuǎn)到注冊頁面。微信小程序的訪客預(yù)約系統(tǒng)如圖4所示。

2.2.3? 后臺服務(wù)器

本次設(shè)計的后端服務(wù)器使用Flask框架進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一個RESTful API服務(wù)端，并通過Nginx進(jìn)行反向代理的同時，實(shí)現(xiàn)HTTPS安全傳輸?shù)墓δ?。該后端服?wù)器提供用戶相關(guān)、智能車庫相關(guān)等接口。對于后端服務(wù)器API的所有操作，除了登錄接口外，其他接口都要提交token才能進(jìn)行訪問，token是由登錄接口驗(yàn)證登錄后提供的，token有時長限制，當(dāng)超過token的最大存活時間后，token會失效，此時，一個失效的token是不能進(jìn)行任何操作的，這時，便要求重新登錄以獲得新的token。后端服務(wù)器除了通過HTTPS與客戶端進(jìn)行通訊之后，還通過MQTT與部分硬件進(jìn)行通訊。

2.3? 智能車庫預(yù)約停車功能總體流程

用戶用過本系統(tǒng)的微信小程序，使用邀請碼注冊登錄后，輸入訪客的預(yù)約車牌號碼，查詢當(dāng)前車庫是否還有空余車位，若有即可進(jìn)行下一步預(yù)約操作，若無則提示用戶當(dāng)前車庫車位已滿，無法預(yù)約。用戶成功預(yù)約后，后臺記錄預(yù)約信息，用戶進(jìn)入車庫時進(jìn)行車牌識別并匹配當(dāng)前用戶車牌是否有預(yù)約信息，并登記車庫入庫信息，對用戶進(jìn)行引導(dǎo)停車。其相關(guān)流程圖如圖5所示。

3? 結(jié)? 論

在這次的課題設(shè)計過程中我們遇到了各種各樣問題，比如ZigBee網(wǎng)絡(luò)器件掉線、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)器件使用的MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸異常，車牌識別的準(zhǔn)確度、跨域訪問和云平臺搭建等難題。后經(jīng)一一排除不斷優(yōu)化和學(xué)習(xí)，最終完成了從云端到地面的全流程自主設(shè)計。在難題面前我們有想過放棄，比如車牌識別使用的人工智能算法我們也曾經(jīng)想過直接調(diào)用各大云平臺的API，不使用本地的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別算法，但是這樣識別的時間將會大大增加，而且準(zhǔn)確率也得不到保證，因此我們沒有放棄對深度學(xué)習(xí)算法的研究，在團(tuán)隊成員的共同努力下建立好一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)本地識別車牌，從而較好地完成了這次課題的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王瀟凡.基于深度學(xué)習(xí)的車牌檢測識別研究 [D].江蘇：南京郵電大學(xué)，2019.

[2] 姚濤，周光耀.基于ZigBee的智能車庫分布式系統(tǒng)研究 [J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2019（7）：135+137.

作者簡介：吳芷純（1997-），女，漢族，廣東潮州人，就讀于信息技術(shù)與工程學(xué)院，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、智能車庫;謝琳（1997-），女，漢族，廣東汕頭人，就讀于信息技術(shù)與工程學(xué)院，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、智能車庫;潘耀豪（1997-），男，漢族，廣東佛山人，就讀于信息技術(shù)與工程學(xué)院，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、智能車庫。