基于嵌入式與云平臺的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)

長沙學(xué)院電氣工程及其自動化系 肖 揚 高 洋 陳東民 鄧啟江

針對當前社會人們尋找車位難、車位利用率低、返回取車難等問題，設(shè)計了一項基于嵌入式單片機與物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)的智能泊車管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由上位手機APP信息處理和多個下位智能車位地鎖兩大部分構(gòu)成。多個智能地鎖通過模式-視圖-控制器三層處理架構(gòu)協(xié)議和云平臺與上位的APP信息交互，通過APP實現(xiàn)停車場車位信息的查詢、預(yù)約、導(dǎo)航，前端地鎖硬件的信息采集控制等功能。該系統(tǒng)具備成本低、效率高、具有良好的發(fā)展前景、方便使用等優(yōu)點，是解決停車難問題的良方。

隨著社會全民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量日益提高，擁有私家車的家庭越來越多，與此同時，在城市道路上的機動車數(shù)量也急速增長，由此帶來的令社會困擾的停車難問題也日益突出。停車難問題不僅影響著市民出行的心情更影響著城市容貌，甚至?xí)蛘也坏杰囄槐黄冗`規(guī)停車而帶來生命財產(chǎn)安全損害。本項產(chǎn)品根據(jù)市場需求以及現(xiàn)代化發(fā)達的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了基于安卓平臺的APP，搭建了以嵌入式單片機STM32F103C8T6為核心處理器，多款低功耗高性能的應(yīng)用模塊為輔的智能地鎖硬件裝置，兩者以經(jīng)典的MVC三層處理為架構(gòu)，Spring Boot+Mybatis+Netty三個Java框架構(gòu)成的云平臺與WiFi連接，成為一個完整的泊車系統(tǒng)。使用戶能實時在線查看停車場中的空閑車位并提前預(yù)約、導(dǎo)航至車位，操作簡單快捷，有效的提高了車位利用率，緩解停車難問題。

1 設(shè)計方案

基于嵌入式與云平臺的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)由多個智能停車地鎖、安卓APP、云平臺構(gòu)成，其組成如圖1所示。

圖1 基于嵌入式與云平臺的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)的總體框架設(shè)計圖

（1）智能停車地鎖的組成包括直流電機、鋰蓄電池、繼電器模塊、激光測距傳感器、紅外對管傳感器、Zigbee模塊、GPS模塊、WiFi模塊等低功耗模塊；

（2）安卓APP為Java框架構(gòu)建的用戶手機APP。

基于嵌入式與云平臺的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)的總體框架設(shè)計圖如圖1所示。

基于如上設(shè)計方案，基于嵌入式與云平臺的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)預(yù)期達成的目標為：

（1）實時預(yù)覽車位停泊情況：通過手機APP，用戶可以在家中或途中便能看到停車場中每個車位的停泊狀態(tài)，分為空閑、已預(yù)約和已占用三種狀態(tài)，及時了解停車場中剩余車位數(shù)目；

（2）在線預(yù)約車位：當用戶有急事需辦，時間緊張的時候可通過手機APP，點擊空閑的車位、點擊預(yù)約便能提前在線預(yù)約空閑車位，車位上的智能停車地鎖跟隨預(yù)約上鎖。僅在預(yù)約用戶到達現(xiàn)場后才能掃碼解鎖，使用車位。避免因?qū)ふ臆囄焕速M時間、注冊身份信息等繁瑣操作，方便用戶出行；

（3）定位導(dǎo)航至車位：通過點擊手機APP上車位并選擇位置功能按鍵，便能啟動內(nèi)置高德的API接口以及SDK實現(xiàn)高德地圖定位和導(dǎo)航功能。通過手機APP，用戶可以GPS導(dǎo)航到達停車位。

2 硬件模塊、傳感器工作原理

2.1 智能停車地鎖

智能停車地鎖由可升降地鎖桿與直流電機、繼電器、可充電鋰電池、STM32F103C8T6嵌入式最小系統(tǒng)板、紅外對管限位開關(guān)模塊、激光測距傳感器、Zigbee模塊、ESP8266模塊、GPS定位模塊等機械構(gòu)建與高性能低功耗模塊構(gòu)成。通過Zigbee模塊使多個智能停車地鎖之間能實現(xiàn)相互通信，每8個Zigbee終端選擇其中一個Zigbee模塊作為通信協(xié)調(diào)器將各個車位的狀態(tài)通過ESP8266 WiFi模塊傳輸給云平臺。最終在根據(jù)傳輸?shù)闹悄芡＼嚨劓i的狀態(tài)在手機APP上顯示各個車位的狀態(tài)。

2.1.1 紅外對管限位開關(guān)傳感器

通過兩對紅外對管是否被升降桿遮擋的4種電信號狀態(tài)，判斷可升降地鎖桿轉(zhuǎn)動到達的位置。確保升降桿的轉(zhuǎn)動升起到豎直位置時停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動下降到水平位置時停止轉(zhuǎn)動，并在其它因素推動升降桿轉(zhuǎn)動時能自鎖，防止他人惡意推倒智能停車地鎖搶用車位。限位開關(guān)工作流程如圖2所示。

圖2 限位開關(guān)工作流程圖

2.1.2 激光測距傳感器

通過帶有溫度補償?shù)募す鉁y距傳感器，其主要功能為距離測量。在無極端惡劣環(huán)境條件下對激光測距信號輸出端信號的采集，當有車輛駛?cè)胝趽跫す鉁y距模塊時測到距離較小，則判斷有車輛駛?cè)耄划敎y得距離數(shù)據(jù)較大時，則判斷無車輛停入。激光測距框架如圖3所示。

圖3 激光測距框架圖

2.1.3 Zigbee短距離通信模塊

通過短距離通信模塊Zigbee主要用于實現(xiàn)停車場中各個車位之間互相通信。Zigbee是介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)方案。將每8個停車位智能地鎖的Zigbee終端數(shù)據(jù)匯總到1個Zigbee協(xié)調(diào)器并通過WiFi傳輸至云平臺并在APP上顯示，創(chuàng)建了停車場智能停車地鎖樹型數(shù)據(jù)圖，將所有車位狀況數(shù)據(jù)的匯總、上傳。如圖4所示。

圖4 Zigbee樹狀信息傳輸圖

2.1.4 GPS模塊

通過GPS模塊實現(xiàn)對停車場位置的定位，由此通過APP設(shè)計的申請高德地圖APP的API接口以及SDK實現(xiàn)高德地圖的定位和導(dǎo)航功能，讓用戶能一鍵定位、導(dǎo)航，優(yōu)化了操作更方便使用。

2.1.5 ESP8266模塊

在WiFi模塊上選擇了ESP8266模塊，其體積小、功耗低、支持透傳、丟包現(xiàn)象不嚴重，本項目中將芯片設(shè)置為透傳模式，將Zigbee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)安全傳輸給云平臺進行信息交互，使車位信息與用戶指令及時得到響應(yīng)。

2.2 安卓APP

安卓是一種基于Linux內(nèi)核的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要使用于移動設(shè)備如手機和平板電腦。本作品中運用到了Android的系統(tǒng)構(gòu)架和操作系統(tǒng)，聯(lián)系程序?qū)印?yīng)用程序框架層對API反饋的重要窗口、新的API和行為變更的查看并向云平臺實時報告信息。

本系統(tǒng)的用戶APP名稱為“優(yōu)享停車”，具有尋找停車場，在線預(yù)約停車位和空閑停車位查詢等三大主要功能。

（1）尋找停車場導(dǎo)航功能

主要調(diào)用高德地圖實現(xiàn)此功能，具體流程如下：

①安卓手機下載高德地圖用戶API開發(fā)包并安裝；②申請高德地圖API Key，獲取定位與導(dǎo)航信息包；③創(chuàng)建一個Android工程；④在布局文件中添加地圖應(yīng)用層程序。

（2）在線預(yù)約停車位功能

用戶想要預(yù)約目的地的停車位節(jié)省時間時，可提前通過“優(yōu)享停車”APP，線上預(yù)約車位功能按鈕，一鍵預(yù)約車位，云平臺數(shù)據(jù)傳輸使車位遠程上鎖，僅當預(yù)約用戶到達現(xiàn)場后才能掃碼解鎖、使用車位。

2.3 云平臺

停車位狀態(tài)更變的數(shù)據(jù)流動：

Netty網(wǎng)絡(luò)通信框架接收到智能停車位用TCP協(xié)議傳輸過來的數(shù)據(jù)，將停車位發(fā)送過來的一些相應(yīng)數(shù)據(jù)通過Spring Boot框架的業(yè)務(wù)層進行邏輯處理再講數(shù)據(jù)傳遞到MyBatis Boot框架的表現(xiàn)層，MyBatis將數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中，Spring Boot框架的表現(xiàn)層則將數(shù)據(jù)封裝為json格式，最終發(fā)送給手機APP“優(yōu)享停車”，使用戶能夠看到停車場每個車位的使用狀態(tài)。

手機APP發(fā)送請求的數(shù)據(jù)流動：

手機端發(fā)送停車請求，Spring Boot框架的表現(xiàn)層將手機APP端發(fā)送的請求數(shù)據(jù)封裝為一個對象，將這個對象傳入給Spring Boot框架的業(yè)務(wù)層，Spring Boot框架的業(yè)務(wù)層將對象數(shù)據(jù)進行邏輯處理，再轉(zhuǎn)發(fā)給MyBatis和Netty，MyBatis將數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中，Netty通過TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給停車位設(shè)備。使得用戶能通過手機APP在線遠程預(yù)約車位，手機端更新車位狀態(tài)為“已預(yù)約”，并使預(yù)約車位上鎖防止他人占用。

圖5 車位信息采集軟件流程圖

3 軟件模塊設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括三部分：車位狀態(tài)采集傳輸層軟件設(shè)計，車位狀態(tài)信息查詢、導(dǎo)航及掃碼解鎖功能和車位預(yù)約信息傳輸、遠程上鎖功能。

基于“一體化監(jiān)管”和“突出事中監(jiān)控”的基本認識，為切實有效落實 《意見》精神，浙江專員辦黨組研究提出，專員辦應(yīng)從拓展監(jiān)管內(nèi)容、健全監(jiān)管鏈條和改進工作方式“三個維度”不斷強化事中績效運行跟蹤監(jiān)控。

車位狀態(tài)采集傳輸層軟件設(shè)計：

本項目中ZigBee樹型網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸功能的開發(fā)由信泰微電子的2.4G zigbee無線串口收發(fā)模塊CC2530數(shù)據(jù)透傳廣播模式TTL，信息傳輸數(shù)據(jù)硬件與計算機通過串口連接的ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。為了確保采集數(shù)據(jù)的準確性，本項目將對傳感器電平狀態(tài)多次采集，以確保信息的準確性，確認車位是否已被占用。軟件檢測流程如圖5所示。

APP將具有定位導(dǎo)航，預(yù)約，掃碼解鎖，與云數(shù)據(jù)對接等功能。解決停車難中外出停車問題，能夠讓人們提前預(yù)約空閑車位，以及查看到車位狀態(tài)，避免到達目的地沒有停車位的情況。采用rxjava+retrofit模塊實現(xiàn)高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)請求，申請高德的API接口以及SDK實現(xiàn)高德地圖定位和導(dǎo)航功能，通過設(shè)備識別碼來定位唯一用戶，而不用注冊身份信息等繁瑣操作，通過二維碼掃描解鎖車位，安全方便快捷。

結(jié)語：為了解決現(xiàn)今停車難、尋找車位難、取車難、車位利用率低的問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能停車系統(tǒng)，該系統(tǒng)巧妙結(jié)合多種傳感器，通過多款Zigbee、WiFi模塊、云平臺等信息傳遞層實現(xiàn)停車場車位狀況與車主用戶數(shù)據(jù)交互。有效的提高了車位利用率，節(jié)省時間提高車主的工作效率，幫助車主省時省事，一鍵預(yù)約車位，尋找車位，是一項新型的智能化作品，提升了城市生活的智能度。