應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)

袁 珍

(黎明職業(yè)大學(xué) 通識教育學(xué)院，福建 泉州 362000)

隨著我國綜合國力的提升，汽車的數(shù)量越來越多，在一些大城市和沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)最為明顯。目前，隨著大型商場、住宅小區(qū)的出現(xiàn)，大面積多層停車場層出不窮。對于很多新建居民區(qū)和商業(yè)區(qū)而言，停車場管理系統(tǒng)已經(jīng)成為了配套設(shè)施。由于車輛多、停車場面積大，缺乏系統(tǒng)規(guī)劃、管理混亂等原因，導(dǎo)致停車場的利用效率低下。用戶需要在駕車入場時尋找空位，離場時取車找車和尋找出口，花費時間較多，容易造成擁堵。這使得車輛的智能引導(dǎo)技術(shù)也越來越受到關(guān)注。人們更愿意使用一個運行效率高、直觀可靠的可視化引導(dǎo)系統(tǒng)。因此帶圖形界面的空位識別引導(dǎo)停車系統(tǒng)將有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為解決這一問題提供了很好的思路，可以通過計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、車道管理設(shè)備等搭建一套具備空位智能識別、場內(nèi)車流引導(dǎo)等功能的停車系統(tǒng)，從而為用戶提供更方便、直觀、快捷的停車方法[1-3]。實現(xiàn)智能停車系統(tǒng)是一個復(fù)雜的過程，本文在闡述技術(shù)實現(xiàn)時，有選擇地涉及其中幾個內(nèi)容，重點針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)和輔助停車系統(tǒng)開展研究，研究停車場內(nèi)精確選擇車位的方式，并構(gòu)建基于最佳路徑優(yōu)化選擇的停車輔助系統(tǒng)。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要功能是空位識別和車輛信息登記，這是智能引導(dǎo)的前提。系統(tǒng)會將識別出來的空位體現(xiàn)在車庫環(huán)境模型中，方便用戶停車取車，也為后面的路徑引導(dǎo)提供目標(biāo)位置[4-5]。據(jù)此，本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，對停車引導(dǎo)系統(tǒng)的各個模塊芯片進行分析選型，設(shè)計硬件電路并進行測試，建立一個集數(shù)據(jù)采集、分析、控制、引導(dǎo)于一體的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，為整個停車場方案實施提供硬件基礎(chǔ)。采用了嵌入式模塊作為主控制端，用Zigbee(“紫蜂”，一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議)模塊采集和傳輸信息，再結(jié)合多個傳感器構(gòu)成一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)框架

在主控制器的選擇上，考慮到停車場車輛眾多，需要上傳位置信息和車牌信息，并且需要在主控制器上安裝路徑識別算法，因此主控制器必須具備一定的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，在數(shù)據(jù)處理速度上也有一定的要求。因此，本系統(tǒng)選用了集成ARM(先進的精簡指令集處理器)單片機和DSP(數(shù)字信號處理)芯片的LM3S5749，此芯片功耗低、運算精準(zhǔn)，同時具備了主控功能和數(shù)據(jù)處理功能。

空位識別可使用的傳感器有很多種，例如超聲波傳感器、光敏傳感器、紅外檢測器等。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)采用了靈敏度高、分辨率大的磁阻傳感器。目前多數(shù)停車場都是用紅外線或超聲波檢測器進行空位識別，而經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這兩種傳感器存在著精度低、易損壞等缺陷。在本系統(tǒng)中，空位識別是后期停車線路規(guī)劃的前提，需要降低傳感器故障的幾率，提高精度，因此選用的磁阻傳感器更加適合這一場景。

傳感器節(jié)點通過IIC(集成電路)總線與Zigbee終端監(jiān)測節(jié)點CC2530連接，監(jiān)測車位狀態(tài)。信息采集終端電路如圖2所示。

圖2 信息采集終端電路圖

利用Zigbee無線傳輸將信息發(fā)送至ARM主控平臺，經(jīng)過對車位信息的存儲、處理，通過路由節(jié)點將信息發(fā)送至上位機，通過路由節(jié)點的設(shè)置實現(xiàn)停車場與汽車用戶之間的消息發(fā)送、傳遞與接收。

2 智能誘導(dǎo)停車路徑算法

2.1 選擇最優(yōu)車位

非智能車位選擇辦法一般是由用戶自行選擇，但由于對停車場不熟悉等原因，選擇的停車位不是最合適的。本算法是從用戶角度看待問題，考慮目標(biāo)停車位距停車場入口距離、出口距離及兩側(cè)車位占用情況等因素，為用戶選擇最合適的停車位。

停車場空位實例及簡化停車場模型為二維有向帶權(quán)圖，如圖3、圖4所示。其中Ri為路徑編號，Si為空位編號。

圖3 停車場空位實例圖 圖4 二維有向帶權(quán)圖

通過車位檢測模塊得到停車位占用信息，分析行車時間、車位類型等因素，確定若干備選停車位，考慮場內(nèi)車流量和距離出入口距離等因素賦予每條有效路徑適當(dāng)?shù)臋?quán)值。設(shè)停車場內(nèi)每條道路的實際車速為V〈Ri～Rj〉(i,j=1,2,3,…)，停車場內(nèi)車速上限為V1，則某條道路(編號為i～j)上的實時車速為：

(1)

式(1)中μ為車流量系數(shù)，通過實際停車場內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到。

根據(jù)式(1)由實際測量的道路距離除以速度即可得到每條道路的權(quán)值：

(2)

假設(shè)目標(biāo)路徑長度為D，停車場內(nèi)車輛行駛平均速度為V1、步行速度平均為V2，由此可計算出用戶從入口至停車位停好車，再步行至出口的總時間如下：

(3)

其中：T′為泊車所需時間；α為時間系數(shù)，取值為0～1，可通過改變α的大小來調(diào)整行車時間和步行時間的比重。

在本系統(tǒng)的測試過程中，大部分情況下選取α=1，忽略步行時間。根據(jù)公式計算入口至各備選停車位的總時間T，當(dāng)式(3)中T最小時，也就是停車所用時間最短，那么該備選車位即可選為當(dāng)前目標(biāo)車位。

2.2 路徑規(guī)劃

Dijkstra算法是很經(jīng)典的單源最短路徑算法，能夠計算出從一個指定節(jié)點到其他所有節(jié)點的最短行車路線。計算原理是從起始節(jié)點開始逐步向外圍搜索，遍歷停車場模型中的所有節(jié)點，直至搜索至出庫，得到最佳路徑。其缺陷是計算速度慢，工作效率低。在實際應(yīng)用時，一般都會加上各自的預(yù)處理方法：分層或預(yù)計算。由于各停車場內(nèi)環(huán)境不相同，相對復(fù)雜，本算法將對傳統(tǒng)的Dijkstra算法進行改進。利用有向帶權(quán)圖，將路徑賦予一定權(quán)值，權(quán)值滿足條件的道路才予以考慮。

為了簡化，將車位和停車場內(nèi)的路徑均看成節(jié)點，并進行編號，在搜索路徑時將車位節(jié)點和路徑節(jié)點分開處理。首先處理路徑節(jié)點：根據(jù)上文得到的目標(biāo)車位位置，得到其所在目標(biāo)路段編號。建立兩個路段節(jié)點集合M、N，集合M中包含入口路段節(jié)點及其最小權(quán)值，集合N中包括其他路段節(jié)點及其對應(yīng)權(quán)值。從N中找出權(quán)值最小的節(jié)點，將其移至集合M中，并更新集合N中的權(quán)值。重復(fù)這一操作直到目標(biāo)道路節(jié)點出現(xiàn)在集合M中，這時只需將入口道路節(jié)點與集合M中出現(xiàn)的節(jié)點連接起來，即可構(gòu)建最優(yōu)行車路線。具體流程如圖5所示。

圖5 路徑識別流程

2.3 測試效果

硬件測試時，編寫簡短的測試程序燒錄至ARM主控平臺，主要檢測磁阻傳感器能否實時更新車位的占用情況，數(shù)據(jù)能否通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至主控平臺。并測試各種干擾情況是否會影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度、完整度。經(jīng)測試，數(shù)據(jù)采集終端運行正常，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸正常，符合預(yù)期目標(biāo)。

軟件測試以圖3為停車場平面模型和實時車況參考，檢測軟件是否能正確找到有效路徑。首先需要根據(jù)備選車位、距離入口距離、道路情況等確定最優(yōu)停車位。根據(jù)空位識別得知，當(dāng)前停車場共有6個空位，編號為Si(i=1～6)。車場內(nèi)每條路徑的長度是不變的，只考慮道路距離權(quán)值的話，S3即為最優(yōu)車位，可系統(tǒng)計算時綜合考慮了距離權(quán)值和道路狀況權(quán)值，S3車位所在路段R11當(dāng)前路況較為擁擠，路段權(quán)值過大，不予考慮。綜合考慮后，選取了S4節(jié)點為最優(yōu)車位，根據(jù)系統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法規(guī)劃出最佳路線為：入口—R2—R4—R13—R14—S4，路徑如圖6所示?？梢钥闯?，最終設(shè)計的路徑有效地避開了R3、R5、R11、R12等擁擠路段。

圖6 路徑識別結(jié)果

3 信息的處理和發(fā)布

在信息采集和處理端，主要采用了C語言來開發(fā)設(shè)計軟件程序，大大降低了開發(fā)難度。并結(jié)合MySQL(關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))數(shù)據(jù)庫，存儲車位和車輛信息，可以滿足服務(wù)器的使用需求。

在信息傳送和發(fā)布端，軟件方面需要實現(xiàn)的功能是：當(dāng)有車輛入場時，首先確定所有空位位置信息，再利用路徑規(guī)劃算法，定位最優(yōu)車位，并提供最優(yōu)停車路線；通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將以上信息推送至服務(wù)器，通過服務(wù)器的可視化界面，將信息發(fā)布在用戶終端(目前主要是在web端)上，引導(dǎo)用戶駕車至最優(yōu)停車位。

信息發(fā)布端采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)，實現(xiàn)了客戶端的統(tǒng)一，將功能實現(xiàn)部分集中在云端(服務(wù)器)，終端只需安裝瀏覽器即可實現(xiàn)與服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的信息共享，簡化了客戶端的功能。具體實現(xiàn)過程是：用戶通過瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器端接收、處理請求并產(chǎn)生響應(yīng)，把用戶請求的數(shù)據(jù)(這里主要是車位信息和路線圖)返回到瀏覽器；瀏覽器解釋執(zhí)行HTML(超文本標(biāo)記語言)文件，呈現(xiàn)在用戶界面上。另外，系統(tǒng)利用了RSTP(快速生成樹)協(xié)議實現(xiàn)信息的發(fā)布。RSTP是一種主機和服務(wù)器之間的雙向通信協(xié)議，可以實現(xiàn)聲音和影像等多媒體信息的傳送，在本系統(tǒng)中傳遞的主要是車位和路線信息。

4 結(jié)束語

在停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中，主要實現(xiàn)了停車場空位實時識別并生成相應(yīng)平面圖、識別出最佳空位和最優(yōu)引導(dǎo)路徑。該系統(tǒng)在投入應(yīng)用后，可以提高大型停車場的車位利用率及運行效率，為用戶節(jié)省時間，進而提高停車場的管理水平和服務(wù)質(zhì)量。另外，本系統(tǒng)具有可視化界面，針對某一停車場環(huán)境進行建模，實時顯示停車位的空閑或占用狀態(tài)。當(dāng)汽車駕駛?cè)笋側(cè)胪＼噲鰠^(qū)域內(nèi)時，即可通過終端平臺(手機APP)查看空閑車位位置，并迅速停車。若駕駛?cè)瞬皇煜きh(huán)境，可選擇停車空位項進行停車誘導(dǎo)；系統(tǒng)將采用圖形界面提示或者語音提示的方法進行停車誘導(dǎo)，幫助駕駛?cè)颂岣咄＼囆省?/p>