智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

黃大維

摘要：在智慧城市建設(shè)過程中，智能停車場(chǎng)是不可或缺的一環(huán)，但其面臨著諸多現(xiàn)實(shí)難題，因此急需研究一套管理系統(tǒng)來解決找車難、停車慢、繳費(fèi)排隊(duì)等現(xiàn)狀。對(duì)此，筆者從智能停車場(chǎng)管理的需求出發(fā)，基于互聯(lián)網(wǎng)、全球定位、激光掃描、云計(jì)算、應(yīng)用集成等多種技術(shù)設(shè)計(jì)了一種管理系統(tǒng)，以期提高車輛進(jìn)出效率，縮短尋位泊車時(shí)間，真正實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)的智能化管理。

關(guān)鍵詞：智能停車場(chǎng);管理系統(tǒng);設(shè)計(jì)

一、前言

近年來，我國機(jī)動(dòng)車輛數(shù)量增速顯著，雖然便捷了人們出行，但也給城市停車帶來了巨大壓力，因此，如何在停車位不足的情況下加以高效合理地利用變得愈加重要。這就要求我們積極開發(fā)智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)，通過車位與車輛的智能管理解決傳統(tǒng)停車場(chǎng)的難題，進(jìn)而為建設(shè)智慧城市奠定良好的基礎(chǔ)。

二、智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的需求分析

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技進(jìn)步的共同作用下，人們生活水平得到了質(zhì)的改善，汽車數(shù)量大幅增加，不可否認(rèn)，這為人們的日常出行帶來了便捷，但也加劇了城市交通堵塞的情況，加之城市土地資源有限，不可能在短期內(nèi)建設(shè)與車輛數(shù)量匹配的停車場(chǎng)提供足夠的停車位，因此，只能從停車場(chǎng)管理著手提高其利用效率。

再者，我國城市當(dāng)下的停車場(chǎng)大多難以借助遠(yuǎn)程監(jiān)控為用戶及時(shí)提供準(zhǔn)確的車位信息，也難以實(shí)時(shí)掌握停車場(chǎng)的實(shí)際剩余車位和車輛信息，這使得尋位泊車難的現(xiàn)狀更為嚴(yán)峻。即使有的城市采用了智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)，然而智能程度較低，依舊面臨一系列的問題，尤其是雨雪等惡劣天氣和上下坡道情況下的停車刷卡通行方式，容易增大碰撞、溜車等事故風(fēng)險(xiǎn)，高峰期還易引發(fā)交通堵塞等。因此設(shè)計(jì)的智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)不僅需要解決傳統(tǒng)停車管理高成本、低效率、停車難、取車慢等基本問題，還要在管理上實(shí)現(xiàn)突破，滿足車輛管理、費(fèi)用繳納等多項(xiàng)業(yè)務(wù)需求，為真正打造智慧城市創(chuàng)造有利的條件。

三、智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)

（一）設(shè)計(jì)構(gòu)想

結(jié)合當(dāng)下智能停車場(chǎng)管理現(xiàn)狀和實(shí)際需求，考慮到成本與效用等因素，確定充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，配以合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能管理、經(jīng)濟(jì)高效、穩(wěn)定可靠等多重目標(biāo)，但在該過程中必須遵循一定的設(shè)計(jì)原則，如考慮設(shè)備成本與適用性，設(shè)備接口符合行業(yè)規(guī)范，信息采集安全可靠，具備良好的擴(kuò)展性和功能集成化等。基于上述分析，最終選擇采用綜合通信方式，即利用ZigBee通信進(jìn)行停車場(chǎng)車位檢測(cè)，包括信息采集、存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)發(fā)等環(huán)節(jié)，同時(shí)利用信號(hào)穩(wěn)定且適用于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腉PRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)動(dòng)車位信息至服務(wù)器。此時(shí)不僅監(jiān)控中心的管理人員可經(jīng)可視化界面及時(shí)查看停車場(chǎng)內(nèi)的車輛、車位信息，手機(jī)客戶端的車主還可以借助Internet網(wǎng)預(yù)定車位、繳納費(fèi)用，進(jìn)而達(dá)到智能管理停車場(chǎng)的要求和需求。

（二）系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)想，本文提出了圖1所示的智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)主要涉及三大部分，無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程控制端，而監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)分為終端、路由和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，控制端則分為客戶端和服務(wù)器。具體而言，在終端HC-SR04超聲傳感器的作用下對(duì)車位信息進(jìn)行采集，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳至路由器節(jié)點(diǎn)加以處理和轉(zhuǎn)發(fā)達(dá)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后基于TCP/IP協(xié)議連接GPRS網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器，此時(shí)服務(wù)器便能完成車位信息的接收、存儲(chǔ)和更新，并加以實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。同時(shí)監(jiān)控中心在與服務(wù)器交互工作的過程中，可以實(shí)時(shí)查詢車位、車輛信息，設(shè)置停車單價(jià)，自動(dòng)計(jì)算費(fèi)用，以及完成統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)出、打印等任務(wù)以方便管理。針對(duì)多位車主搶占同一空閑車位的問題，可內(nèi)設(shè)停車誘導(dǎo)模塊，當(dāng)車輛駛?cè)胪＼噲?chǎng)時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別車輛屬于轎車還是SUV，并在感應(yīng)設(shè)備的作用下將相關(guān)信息發(fā)送至服務(wù)系統(tǒng)，此時(shí)誘導(dǎo)模塊便會(huì)呈現(xiàn)與之相匹配的空閑車位編號(hào)至顯示屏，并在指示箭頭的提示下泊車。值得一提的是，智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)App的下載不僅便捷注冊(cè)用戶及時(shí)獲得準(zhǔn)確的車位占用、空閑、預(yù)約等信息，還可以遠(yuǎn)程預(yù)約、智能繳費(fèi)，為其出行節(jié)約時(shí)間。

四、智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑

由上可知，本文設(shè)計(jì)的智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)功能強(qiáng)大，方便快捷，可以解決現(xiàn)實(shí)生活中找車難、停車難的問題，但這是需要以相應(yīng)的軟硬件為基礎(chǔ)和條件，具體分析如下：

（一）硬件電路

硬件電路設(shè)計(jì)是本文智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)彰顯功能的重要基礎(chǔ)（見圖2），主控模塊設(shè)定的是STM32和CC2530模塊，其優(yōu)勢(shì)在于STM32外設(shè)的豐富性特點(diǎn)和多級(jí)流水線技術(shù)有利于高速傳輸車位信息。

其實(shí)在具體實(shí)踐中一個(gè)終端是可以與多個(gè)車位傳感器連接的，而且一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)可完成多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的通信，最終達(dá)到協(xié)調(diào)器。其中圖2所示的終端節(jié)點(diǎn)電路涵蓋了電源、無線通信、溫度傳感器、超聲波傳感器，由于停車場(chǎng)往往含有大量的車位，頻繁更換電池不太現(xiàn)實(shí)，所以選用了CC2530這一低功耗模塊來盡量延長節(jié)點(diǎn)的工作期限，而兩大傳感器的使用則會(huì)獲得更為精確的車位距離測(cè)量結(jié)果。負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)車位信息于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的路由節(jié)點(diǎn)，因無需采集車位信息，所以去除了超聲波傳感器模塊，增加了節(jié)點(diǎn)數(shù)量，以保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積足夠滿足大面積的停車場(chǎng)和數(shù)量多的車位需求，并同樣采用CC2530模塊，以期降低協(xié)調(diào)器負(fù)載。因協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著組建通信網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)格式、遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)等任務(wù)，必須保證其數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大且具有較高的吞吐率，故以外設(shè)豐富、性能高的STM32模塊為主控模塊，借助調(diào)用庫函數(shù)配置模塊，以此創(chuàng)設(shè)DMA快速通道實(shí)現(xiàn)高速傳輸信息。與之相關(guān)的GPRS模塊則選用的MG323有著穩(wěn)定、靈敏、高集成等優(yōu)勢(shì)，配以不同通信頻段的使用使得無線數(shù)據(jù)通信更為高效可靠，更重要的是無論是標(biāo)準(zhǔn)的還是拓展的AT指令規(guī)范均能夠支持，同時(shí)其內(nèi)設(shè)的SIM接口只需接通電源便能完成與內(nèi)部模塊的連接，并在程序設(shè)計(jì)的作用下連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。此外，LED點(diǎn)陣顯示模塊的設(shè)計(jì)可以動(dòng)態(tài)字幕的形式將停車場(chǎng)剩余車位數(shù)量信息呈現(xiàn)給車主，且能根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)刷新，對(duì)SPI協(xié)議的完全兼容特點(diǎn)還有助于強(qiáng)化對(duì)外部控制器的控制效果。換句話說，合理而成功的硬件電路設(shè)計(jì)是整個(gè)智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)有序運(yùn)行的基礎(chǔ)平臺(tái)，對(duì)該系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮有著不容忽視的價(jià)值和意義。

（二）軟件設(shè)計(jì)

在完成硬件電路的調(diào)試工作后，便需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，此時(shí)我們既要重視系統(tǒng)軟件的基本功能，還要將其復(fù)雜程度納入考慮范圍，需要設(shè)計(jì)的內(nèi)容有終端、路由、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序以及監(jiān)控中心、手機(jī)客戶端程序。

1. 需要組建ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)

這是其他軟件程序的基礎(chǔ)和前提。因此，以高端優(yōu)化的IAR作為集成軟件工作平臺(tái)，以此簡化跨平臺(tái)代碼之間的移植，方便不同MCU數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)基于Z-Stack協(xié)議棧的分層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，只需根據(jù)功能需求添加修改相應(yīng)層次的代碼便可完成程序移植，且對(duì)智能技術(shù)規(guī)范的支持使其應(yīng)用更加安全可靠。

2. 設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)程序

（1）終端節(jié)點(diǎn)主要設(shè)計(jì)的是車位采集和通信網(wǎng)絡(luò)兩大程序，前者在正常工作狀態(tài)下進(jìn)行串口和DS18B20的初始化，后經(jīng)超聲波傳感器進(jìn)行超聲波的發(fā)送用于判斷是否存在外部終端，并根據(jù)發(fā)送與接收之間的時(shí)間自動(dòng)計(jì)算車位距離，再轉(zhuǎn)化A/D為數(shù)字化信息傳輸數(shù)據(jù)到路由節(jié)點(diǎn)。后者則是在模塊化思想的基礎(chǔ)上先作初始化處理，借助偵聽判斷是否有無線網(wǎng)絡(luò)加入，確定成功連接后選擇恰當(dāng)?shù)男诺腊l(fā)送數(shù)據(jù)至路由節(jié)點(diǎn)，待數(shù)據(jù)全部發(fā)送后請(qǐng)求與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)斷網(wǎng)轉(zhuǎn)為休眠模式，直至出現(xiàn)下次服務(wù)需求，以此節(jié)約節(jié)點(diǎn)功耗。

（2）路由節(jié)點(diǎn)的功能在于搜索路徑、處理信息、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等，該節(jié)點(diǎn)的加入不僅使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜化，也拓展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，在接入方式上可以直接請(qǐng)求協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，也可以檢索合適的節(jié)點(diǎn)路徑直到找到目標(biāo)地址。

（3）作為該系統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器，包括主控程序、GPRS模塊、LED點(diǎn)陣顯示程序、通信程序等方面的設(shè)計(jì)。其中主控程序先初始化System Init函數(shù)，保證系統(tǒng)時(shí)鐘與外設(shè)時(shí)鐘頻率一致，然后設(shè)置中斷源并初始化I/O輸入輸出接口，配置為GPIO_Mode_IPU模式以及USART2與USART3參數(shù)，如此一來，只要有數(shù)據(jù)發(fā)送便能實(shí)時(shí)觸發(fā)中斷處理模式，待數(shù)據(jù)接收成功后再發(fā)送AT指令促使GPRS模塊動(dòng)作最終傳輸協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。

（4）設(shè)計(jì)服務(wù)器與監(jiān)控中心界面，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行轉(zhuǎn)換協(xié)議和數(shù)據(jù)通信的過程中采用的是C/S架構(gòu)和TCP/IP協(xié)議，以及支持Window Server 2003/2008/2012的云服務(wù)器，可通過遠(yuǎn)程終端程序或遠(yuǎn)程界面登陸，然后，在數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)車輛和車位等基本信息。這里提及的數(shù)據(jù)庫是能夠存儲(chǔ)大量信息的SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫，當(dāng)然管理員、用戶、車輛、車位等相關(guān)信息均能高效而安全的存儲(chǔ)其中。至于監(jiān)控中心界面，主要經(jīng)C#語言、ADO.NET技術(shù)和拖放控件分別完成程序編寫、數(shù)據(jù)庫訪問以及可視化界面的形成，從而滿足用戶登入、車輛登記、車位信息等功能需求，如管理模式下的車輛登記界面呈現(xiàn)的不只是車輛當(dāng)下的車位號(hào)、停車起始時(shí)間、時(shí)長、單價(jià)，還可自動(dòng)對(duì)繳費(fèi)金額加以計(jì)算，顯示是否完成繳費(fèi)以及當(dāng)下還有多少空閑車位等，進(jìn)而幫助管理員及時(shí)了解停車場(chǎng)現(xiàn)狀，為其高效管理提供重要的數(shù)據(jù)參考。

（5）設(shè)計(jì)手機(jī)客戶端App，即在MVC 軟件模式的基礎(chǔ)上結(jié)合Android_query 框架的使用來便捷軟件開發(fā)和維護(hù)，以達(dá)到異步通信、網(wǎng)絡(luò)訪問、緩存數(shù)據(jù)等多項(xiàng)功能。用戶通過應(yīng)用客戶端，在接收服務(wù)器信息的同時(shí)，可利用GSON對(duì)JSON數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，點(diǎn)擊界面按鈕將信息發(fā)送至服務(wù)端，隨后服務(wù)端再發(fā)揮反饋信息，以此完成兩者信息的交互。因此，在App可視化界面中能夠呈現(xiàn)車位查詢、預(yù)約訂單、訂單管理等信息，并完成車位查看、繳費(fèi)說明、智能繳費(fèi)等多樣化功能。

五、智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，以亞克力板作了兩層停車場(chǎng)和六個(gè)車位模型作了測(cè)試，且測(cè)試場(chǎng)地相對(duì)安靜、干擾較少。在硬件電路測(cè)試時(shí)，劃分該停車場(chǎng)模型為A、B兩個(gè)區(qū)，終端節(jié)點(diǎn)1和2分別連接A區(qū)和B區(qū)的超聲波傳感器，并對(duì)三類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，下載程序代碼用于系統(tǒng)調(diào)試，使其正常通信。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況均較為穩(wěn)定，并得到25?m的ZigBee有效通信距離，即在該距離范圍內(nèi)系統(tǒng)通信效果良好，可以滿足功能要求。在軟件測(cè)試時(shí)將小車置于第一層A區(qū)和B區(qū)，在多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后監(jiān)測(cè)并查看手機(jī)客戶端和監(jiān)控中心的實(shí)際運(yùn)行情況，當(dāng)車輛依次占用一層的5、2、4號(hào)車位后，模擬用戶經(jīng)手機(jī)客戶端對(duì)1號(hào)車位進(jìn)行預(yù)約，此時(shí)監(jiān)控中心界面顯示車位顏色變黃（紅色、綠色、黃色分別代表車位占用、空閑、預(yù)約狀態(tài)），而且進(jìn)入的車輛何時(shí)進(jìn)入、何時(shí)駛出、停車時(shí)長、應(yīng)繳金額等信息均一目了然，車輛以往的停車歷史數(shù)據(jù)也能順利導(dǎo)出，說明實(shí)現(xiàn)了智能管理車位。而連接Internet網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)客戶端在遠(yuǎn)程預(yù)定車位時(shí)，通過查詢界面確定是否存在空閑車位以及費(fèi)用是否合理，進(jìn)而確定預(yù)約車位，并在訂單管理中進(jìn)行繳費(fèi)，見圖3。此時(shí)，LED顯示屏?xí)詣?dòng)態(tài)字幕的形式為管理員和用戶顯示當(dāng)下的已占用車位數(shù)量、剩余車位數(shù)量以及預(yù)留車位，配以STM32定時(shí)刷新保證信息實(shí)時(shí)有效。

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析后確定，該智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能管理停車場(chǎng)的要求，顯著提高了工作效率，節(jié)約了人力物力，便捷了人們出行，因此值得研究、實(shí)踐和推廣。

六、結(jié)束語

總之，開發(fā)智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)勢(shì)在必行，這需要我們從停車場(chǎng)管理實(shí)際需求出發(fā)確定系統(tǒng)功能目標(biāo)，然后設(shè)計(jì)并優(yōu)化硬件電路和軟件程序，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)有利于當(dāng)下停車場(chǎng)難題的改善，并提高停車場(chǎng)工作效率和管理水平，值得借鑒，但也有不足之處，需要繼續(xù)創(chuàng)新和完善。

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