基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的云智能停車系統(tǒng)

摘 要：隨著家庭用車的不斷增加，公共區(qū)域及小區(qū)內(nèi)車位矛盾、停車難的問(wèn)題越來(lái)越日?；Ｔ谌藗兊纳钪?，“車位”成了最熱的話題。本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云智能的停車系統(tǒng)的新算法，該算法具有提高效率的優(yōu)點(diǎn)，并分析了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。本文提到了一種基于新的性能指標(biāo)來(lái)幫助用戶自動(dòng)找到一個(gè)免費(fèi)停車位的系統(tǒng)，通過(guò)考慮每個(gè)停車場(chǎng)的距離和總數(shù)量來(lái)計(jì)算用戶的停車費(fèi)。這個(gè)費(fèi)用將作為提供解決方案的標(biāo)準(zhǔn)，在用戶的請(qǐng)求下找到一個(gè)可用的停車位，并提出建議。如果當(dāng)前的停車場(chǎng)已經(jīng)滿了，建議一個(gè)新的停車場(chǎng)。仿真結(jié)果表明，該算法能有效地提高停車的成功率，減少用戶的等待時(shí)間。在現(xiàn)實(shí)世界中，我們也成功地實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能停車；互聯(lián)網(wǎng)；云；云服務(wù)器

中圖分類號(hào)：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）04-0188-03

Abstract：With the increasing use of family cars，the contradiction between parking spaces and parking in public areas and communities is becoming more and more routine. In people’s lives，“parking space”has become the hottest topic. This paper introduces a new algorithm of parking system based on internet of things and cloud intelligence. This algorithm has the advantage of improving efficiency，and analyzes a network architecture based on the technology of Internet of things. This article refers to a system based on new performance indicators to help users automatically find a free parking space by considering the distance and total number of each parking lot to calculate the user's parking fee. This fee will be used as a standard for providing solutions，and a parking space can be found at the request of users，and suggestions are made. If the current parking lot is full，suggest a new parking lot. Simulation results show that the algorithm can effectively improve the success rate of parking and reduce the waiting time of users. In the real world，we have successfully implemented the system.

Keywords：intelligent parking；internet；cloud；cloud server

0 引 言

隨著交通管理系統(tǒng)的發(fā)展，人們開始建立智能停車系統(tǒng)，它能夠降低雇傭人員的成本，并為停車場(chǎng)所有者提供最優(yōu)的資源。目前，尋找停車位的常用方法是手動(dòng)尋找，司機(jī)通常通過(guò)運(yùn)氣和經(jīng)驗(yàn)在街上找到合適的停車空間。這個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)時(shí)間和精力，而且如果司機(jī)在車輛密度很高的城市開車，甚至可能會(huì)找不到任何停車位。另一種選擇是找到一個(gè)容量大的預(yù)定義停車場(chǎng)。然而，這并不是一個(gè)最佳的解決方案，因?yàn)橥＼噲?chǎng)通常離用戶目的地很遠(yuǎn)。近年來(lái)，研究使用了車輛對(duì)車輛和車輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的相互作用，支持各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，比如無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）、Zigbee、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)。這項(xiàng)研究旨在為司機(jī)提供附近停車位的信息，并提前幾分鐘使用智能手機(jī)或平板電腦等設(shè)備來(lái)支持信息獲取。此外，該項(xiàng)服務(wù)可以使用每個(gè)車輛的ID預(yù)訂一個(gè)停車位。然而，目前的智能停車系統(tǒng)并沒(méi)有提供整體的最佳解決方案來(lái)使用戶尋找到一個(gè)可用的停車空間，無(wú)法解決負(fù)載均衡的問(wèn)題，不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，也不能提供車輛拒絕服務(wù)。

1 云智能停車系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了解決上述問(wèn)題，利用技術(shù)的重大發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生活中許多領(lǐng)域的應(yīng)用和智能泊車系統(tǒng)（SPS）技術(shù)，本研究提出并開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的、有效的SPS解決方案。我們的系統(tǒng)將每個(gè)停車場(chǎng)作為一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，包括車輛GPS定位、汽車停車場(chǎng)的距離和停車場(chǎng)的空閑插槽數(shù)量等數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心作為一個(gè)云服務(wù)器，需要計(jì)算一個(gè)停車請(qǐng)求的成本，經(jīng)常更新這些費(fèi)用，并且車輛可以隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。這些SPS基于幾項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理停車場(chǎng)。此外，在擬議的系統(tǒng)中，每個(gè)停車場(chǎng)都可以獨(dú)立運(yùn)作，成為傳統(tǒng)的停車場(chǎng)。本研究還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Arduino開源物理計(jì)算平臺(tái)的無(wú)線接入的系統(tǒng)原型，使用智能手機(jī)作為控制系統(tǒng)來(lái)為車輛提供通信和用戶界面，以驗(yàn)證提議的系統(tǒng)的可行性。

一些研究提出了一種新的實(shí)時(shí)停車處理規(guī)劃算法。首先，使用一種算法將一個(gè)停車系統(tǒng)的在線問(wèn)題安排為離線問(wèn)題；其次，建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，將離線問(wèn)題描述為線性問(wèn)題；然后，設(shè)計(jì)一個(gè)算法來(lái)解決這個(gè)線性問(wèn)題；最后，利用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)提出的算法進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。

另一些研究提出了一種基于UHF頻率、RFID和IEEE 802.15.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成的SPS。這個(gè)系統(tǒng)可以收集有關(guān)停車場(chǎng)的占用情況的信息，并可以通過(guò)軟件應(yīng)用程序直接將司機(jī)帶到最近的空閑停車位。然而，在這個(gè)系統(tǒng)中，作者沒(méi)有系統(tǒng)架構(gòu)的數(shù)學(xué)方程式，也沒(méi)有建立大規(guī)模的停車系統(tǒng)。

本文討論了一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目提供了一個(gè)微型模型的自動(dòng)停車系統(tǒng)，它可以在任何給定的時(shí)間，根據(jù)停車位的可用性來(lái)管理可停放在給定區(qū)域內(nèi)的汽車數(shù)量。自動(dòng)停車方法允許使用傳感裝置停車和下車?；贏ndroid的應(yīng)用程序命令進(jìn)入或退出停車場(chǎng)。Bonde系統(tǒng)和其他現(xiàn)有系統(tǒng)的不同之處在于，設(shè)計(jì)者的目標(biāo)是使系統(tǒng)盡可能地依靠自動(dòng)化車輛和整個(gè)停車場(chǎng)的自動(dòng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，大多數(shù)現(xiàn)有的系統(tǒng)需要人工干預(yù)（車主或其他）來(lái)停車。Lambrinos和Dosis描述了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型SPS體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包括Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、IoT中間件層和前端層，作為最終用戶界面為用戶提供數(shù)據(jù)報(bào)告。但是，由于它沒(méi)有使用合適的應(yīng)用程序協(xié)議將數(shù)據(jù)從WSN傳輸?shù)椒?wù)器，比如約束的應(yīng)用程序協(xié)議（CoAP），在系統(tǒng)操作中沒(méi)有數(shù)學(xué)模型，而且沒(méi)有系統(tǒng)性能評(píng)估，這是其缺點(diǎn)所在。

在系統(tǒng)中使用了RFID技術(shù)。當(dāng)車輛進(jìn)入一個(gè)停車場(chǎng)或離開IPA停車位時(shí)，RFID閱讀器和磁回路檢測(cè)到動(dòng)作，并將此信息發(fā)送到單元控制器，以更新汽車公園狀態(tài)的信息。本研究?jī)H使用一些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)架構(gòu)的數(shù)學(xué)方程式，并沒(méi)有建立大規(guī)模的停車系統(tǒng)。該系統(tǒng)的一部分在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一個(gè)協(xié)調(diào)器向PC發(fā)送緊急信息，然后更新數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用程序?qū)涌梢钥焖偻ㄟ^(guò)互聯(lián)網(wǎng)上的停車信息，利用web服務(wù)的優(yōu)勢(shì)收集所有分散的停車信息，方便那些想找停車位的人。本文簡(jiǎn)單介紹了SPS的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并沒(méi)有對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 云智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了克服上面提到的系統(tǒng)的缺點(diǎn)，從一些相關(guān)的作品中得到啟發(fā)，我們引入了基于物聯(lián)網(wǎng)的、新的SPS體系結(jié)構(gòu)，并建立了系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型。首先，我們的算法采用了一種以最少的成本搜索停車場(chǎng)的機(jī)制；第二，如果目前的停車場(chǎng)已經(jīng)滿了，我們將采用一種將車輛運(yùn)送到另一個(gè)停車場(chǎng)的機(jī)制。我們提議建立一個(gè)停車場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，這樣每個(gè)公園都是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)從相鄰節(jié)點(diǎn)獲取信息，從而確保車輛以低成本平穩(wěn)運(yùn)行，增加找到一個(gè)免費(fèi)停車位的可能性。與其他停車系統(tǒng)相比，我們的系統(tǒng)性能更好。我們通過(guò)仿真和實(shí)現(xiàn)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果與我們的數(shù)學(xué)模型比較接近，且性能優(yōu)于其他系統(tǒng)。擬議的系統(tǒng)減少了未能找到停車位的車輛數(shù)量，并將移動(dòng)到停車場(chǎng)的成本降至最低。這里定義的成本是用戶必須等待服務(wù)的時(shí)間，從而幫助用戶節(jié)省時(shí)間和金錢，并減少環(huán)境污染。

該系統(tǒng)利用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（WSN）來(lái)監(jiān)控停車場(chǎng)。由一個(gè)RFID閱讀器來(lái)計(jì)算每個(gè)停車場(chǎng)的免費(fèi)停車位的百分比。RFID的使用促進(jìn)了大規(guī)模系統(tǒng)的低成本實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)提供了一種機(jī)制，可以防止停車場(chǎng)發(fā)生糾紛，并有助于減少尋找停車位的時(shí)間。登錄系統(tǒng)后，用戶可以選擇合適的停車位。選定的停車位置信息將通過(guò)通知向用戶確認(rèn)；然后，系統(tǒng)更新停車空間的狀態(tài)到“待定”，在此期間系統(tǒng)將不允許其他用戶保留它。如果在一定的等待時(shí)間后系統(tǒng)確定沒(méi)有汽車停在那個(gè)空間，那么它將改變狀態(tài)為“可用”。系統(tǒng)將在新汽車加入系統(tǒng)時(shí)從WSN節(jié)點(diǎn)（停車場(chǎng)的狀態(tài)）更新?tīng)顟B(tài)。因此，整個(gè)停車系統(tǒng)的狀態(tài)總是實(shí)時(shí)更新的。該系統(tǒng)將幫助每個(gè)停車位實(shí)時(shí)掌握停車時(shí)間，并能支持每小時(shí)停車收費(fèi)的業(yè)務(wù)。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能如下。

（1）基于云的服務(wù)器：這是一個(gè)Web實(shí)體，存儲(chǔ)每個(gè)停車場(chǎng)的本地單元提供的資源信息。該系統(tǒng)允許驅(qū)動(dòng)程序在每個(gè)停車場(chǎng)搜索和查找有關(guān)停車位的信息，無(wú)需直接訪問(wèn)基于云的服務(wù)器，可以直接訪問(wèn)本地服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。

（2）本地單位：本單位位于每個(gè)停車場(chǎng)，并存儲(chǔ)每個(gè)停車位的信息。

（3）控制單元：這是一個(gè)Arduino模塊，使用RFID閱讀器連接。由讀卡器驗(yàn)證用戶信息，然后在屏幕上顯示這些信息。如果RFID標(biāo)簽或卡片的信息是正確的，Arduino模塊將控制車門開啟，讓車輛進(jìn)入。Arduino模塊通過(guò)Internet連接與云服務(wù)器連接，將數(shù)據(jù)從本地停車場(chǎng)傳輸?shù)皆品?wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）屏幕：顯示本地停車場(chǎng)的容量、當(dāng)前空閑空間的總百分比、RFID標(biāo)簽檢查的狀態(tài)、輸入的用戶卡和本地停車場(chǎng)的迷你地圖。

（5）RFID標(biāo)簽或ID卡：用于檢查和驗(yàn)證用戶信息，并計(jì)算每個(gè)停車場(chǎng)的總空閑空間的百分比。

（6）軟件客戶端：這是一個(gè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)。運(yùn)行在Android操作系統(tǒng)上，用戶將安裝在他們的智能手機(jī)上，并使用它來(lái)保留停車位。用戶通過(guò)3G/4G移動(dòng)連接訪問(wèn)系統(tǒng)。

我們使用CPN（car park network）架構(gòu)基礎(chǔ)架構(gòu)/主干。這種類型的停車網(wǎng)絡(luò)以路由器作為連接客戶端的基礎(chǔ)設(shè)施?？梢越PN基礎(chǔ)設(shè)施/主干，允許傳感器網(wǎng)絡(luò)使用無(wú)線射頻技術(shù)進(jìn)行連接。路由器形成自配置和自修復(fù)的鏈路網(wǎng)絡(luò)。路由器可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)功能連接互聯(lián)網(wǎng)。這種方法也稱為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，為傳統(tǒng)客戶端提供主干，并通過(guò)路由器中的網(wǎng)關(guān)/橋功能實(shí)現(xiàn)CPN與現(xiàn)有WSN的集成。傳統(tǒng)的客戶端使用相同的無(wú)線電技術(shù)，路由器可以直接與路由器通信。我們假設(shè)每個(gè)停車場(chǎng)都是CPN中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)停車場(chǎng)都有標(biāo)記。

3 云智能停車系統(tǒng)功能

這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了一個(gè)停車系統(tǒng)，通過(guò)減少?zèng)]有找到停車位的用戶數(shù)量來(lái)提高性能，并將移動(dòng)到停車位的成本降至最低。我們的架構(gòu)和系統(tǒng)已經(jīng)成功地模擬，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。本文通過(guò)算法大大降低了用戶停車的平均等待時(shí)間。當(dāng)大多數(shù)車輛成功地找到一個(gè)免費(fèi)的停車位時(shí)，系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)最佳的解決方案。每個(gè)停車場(chǎng)的平均等待時(shí)間變得非常少，每輛車在每個(gè)停車場(chǎng)的總時(shí)間都減少了。在未來(lái)的研究中，我們將考慮到系統(tǒng)的安全方面，并在現(xiàn)實(shí)世界中大規(guī)模地應(yīng)用我們的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)停車算法系統(tǒng)的分析，并結(jié)合現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)提出的一種智能停車系統(tǒng)的整體架構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。這個(gè)系統(tǒng)可以提供在線瀏覽空余車位、提前預(yù)約停車、客戶停車指引、推薦附近停車場(chǎng)和智能收費(fèi)等功能，實(shí)現(xiàn)停車自動(dòng)化服務(wù)，緩解與日俱增的汽車保有量帶給我們的“找位難”的壓力。

本文的研究結(jié)果只實(shí)現(xiàn)了提出的體系結(jié)構(gòu)，沒(méi)有提到停車系統(tǒng)的性能。通過(guò)接入互聯(lián)網(wǎng)，智能手機(jī)可以保留一個(gè)停車位。在進(jìn)入停車場(chǎng)后，預(yù)留停車位將顯示在一幅小型地圖上，該地圖使用無(wú)線傳輸，在專用的短程通信協(xié)議DSRC下使用。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）用來(lái)引導(dǎo)車輛進(jìn)入預(yù)定的空間。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)更新停車位的狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)性能通過(guò)在室內(nèi)環(huán)境中運(yùn)行的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度來(lái)測(cè)量，并通過(guò)考慮GPS的精度來(lái)實(shí)現(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)的功能。本文沒(méi)有對(duì)停車服務(wù)的性能進(jìn)行評(píng)估，沒(méi)有提供系統(tǒng)的任何數(shù)學(xué)模型，也不考慮每輛車的等待時(shí)間。

4 結(jié) 論

根據(jù)時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，將來(lái)的智能停車場(chǎng)主要從以下幾方面進(jìn)行研究：

（1）數(shù)據(jù)共享。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算等，停車場(chǎng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，共同搭建物聯(lián)平臺(tái)，進(jìn)行資源共享，使停車場(chǎng)得到合理有效地利用。

（2）完成自動(dòng)化控制。通過(guò)微信、支付寶自助繳費(fèi)，使用傳感技術(shù)感應(yīng)車輛進(jìn)出，并自動(dòng)收費(fèi)?？裳杆僮R(shí)別車輛的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)慢慢由人工監(jiān)督轉(zhuǎn)為無(wú)人管理的自動(dòng)化管理。

（3）精準(zhǔn)的停車指引。通過(guò)定位傳感器技術(shù)，自動(dòng)可視停車場(chǎng)的布局，為客戶提供最精準(zhǔn)的停車指引，具有緩解車位沖突和尋車等功能。

（4）移動(dòng)終端操作化。使用移動(dòng)設(shè)備、手機(jī)等移動(dòng)終端即可下載APP實(shí)現(xiàn)停車自動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)收費(fèi)、自動(dòng)尋車等服務(wù)功能。

隨著云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，解決城市“一位難求”的方法將越來(lái)越智能化，逐步緩解停車難的問(wèn)題，并在發(fā)展中找到更好的解決辦法。

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作者簡(jiǎn)介：黃桂欽（1987-），男，漢族，廣東博羅人，教師，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)講師，學(xué)士。研究方向：智能停車系統(tǒng)。