基于數(shù)據(jù)融合的智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

封居強(qiáng) 樊麗江 韓 芳

(1淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院；2安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 安徽淮南 232001)

作為一種交通工具，汽車給人們的生活帶來了很多便利，但也給汽車使用者帶來了很多麻煩，比如停車的時(shí)候需要花很多時(shí)間尋找停車位。在上下班以及節(jié)假日等停車高峰期的時(shí)候，停車就變成了尋找車位與漫長(zhǎng)的等待過程。

為了解決該問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多智能停車處理方案。李遠(yuǎn)鵬[1]提出基于電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)在停車系統(tǒng)中的應(yīng)用方案；張華軍[2]提出基于車輛識(shí)別的無人收費(fèi)停車系統(tǒng)方案；楊立會(huì)[3]針對(duì)居民小區(qū)提出基于無線網(wǎng)的智能停車方案，并設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)；韋傾[4]針對(duì)大型車庫(kù)設(shè)計(jì)了基于Zigbee技術(shù)的停車管理系統(tǒng)；有文獻(xiàn)研究針對(duì)公共場(chǎng)所停車場(chǎng)提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能停車系統(tǒng)，采用ZigBee組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)，通過管理界面對(duì)車位信息進(jìn)行顯示和管理[5-7]；郭禹[8]提出基于手機(jī)APP的智能停車系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)停車預(yù)定、停車引導(dǎo)等功能；劉晨[9]提出基于云邊融合技術(shù)的智能停車場(chǎng)方案，采用電磁尋跡算法和路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)維一體化；陳軍[10]提出云平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同的城市智能停車場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過地磁傳感器和視頻車牌識(shí)別協(xié)同技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛進(jìn)出，利用云平臺(tái)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理；余以梅[11]提出了一種基于車牌字符識(shí)別技術(shù)的臨時(shí)停車場(chǎng)自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車牌字符高效識(shí)別，利用OpenCV和C++對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，識(shí)別率達(dá)到97%。另外，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了較多的產(chǎn)品，主要包括無輔助停車裝置、車庫(kù)進(jìn)出自動(dòng)識(shí)別設(shè)備、停車多元傳感器監(jiān)控設(shè)備、輔助停車裝置、GPS導(dǎo)航輔助停車系統(tǒng)等[12-15]。

無論是學(xué)者研究的內(nèi)容還是投入的產(chǎn)品，都是想構(gòu)建一種智能停車管理系統(tǒng)。使用智能設(shè)備感知車輛進(jìn)出信息，利用PC技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算、處理、存儲(chǔ)和傳送，轉(zhuǎn)化為語(yǔ)言、圖像等信息，從而實(shí)現(xiàn)車輛智能管理等目的[16]。雖然，感知設(shè)備由傳統(tǒng)的人工變成磁卡、機(jī)器視覺設(shè)備；管理系統(tǒng)由傳統(tǒng)的登記管理變成PC管理系統(tǒng)。但現(xiàn)有的智能停車管理系統(tǒng)還存在一定的問題，比如車輛出入速度和識(shí)別準(zhǔn)確率上還有待提高，車庫(kù)周圍安全環(huán)境的檢測(cè)還不完善，車輛信息交互不暢通、管理軟件系統(tǒng)的開發(fā)成本較高。針對(duì)以上問題，文章提出一種多數(shù)據(jù)采集融合、分析和處理的停車管理系統(tǒng)。主要從系統(tǒng)總體方案、車位單元監(jiān)控系統(tǒng)，車輛識(shí)別系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)測(cè)試該系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由五部分構(gòu)成：車庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)部分、車輛出入識(shí)別部分、軟件管理系統(tǒng)部分、移動(dòng)終端部分和通信部分。系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體方案示意圖

其中，車庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)部分負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)車庫(kù)內(nèi)車輛停放、水災(zāi)、火災(zāi)和人為破壞等車輛周圍信息；車輛出入識(shí)別部分負(fù)責(zé)車輛識(shí)別和出入收費(fèi)管理；軟件管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)多數(shù)據(jù)融合分析處理，為車主提供車輛信息和決策；移動(dòng)終端是方便車主了解車輛信息和引導(dǎo)車輛停放；通信部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。該系統(tǒng)的車庫(kù)管理系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 車庫(kù)管理系統(tǒng)運(yùn)行流程

2車庫(kù)環(huán)境監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)

車庫(kù)環(huán)境監(jiān)控硬件主要實(shí)現(xiàn)單元車位的煙霧、局部水位、車輛報(bào)警和停放信息監(jiān)測(cè)。通過無線發(fā)送到控制單元。

2.1單元控制器

系統(tǒng)的單元控制是STC89C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路和晶振電路，具有上電自啟動(dòng)功能。

2.2水位檢測(cè)設(shè)計(jì)

為了防止車庫(kù)地面存在積水現(xiàn)象，單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)了區(qū)域性水位檢測(cè)模塊。該模塊主要采用信泰微電子液位水位檢測(cè)傳感器產(chǎn)品。該產(chǎn)品屬于接觸式光電傳感器，采用紅外光學(xué)原理，沒有機(jī)械部件不需要額外的調(diào)試，并靈敏度高，耗電小，耐腐蝕、耐高壓。其設(shè)計(jì)電路如圖3所示，其中使用DO口(數(shù)字輸出端口)，調(diào)節(jié)電路中R7電位器設(shè)置水位高度等級(jí)報(bào)警。

圖3 水位檢測(cè)設(shè)計(jì)

2.3火焰檢測(cè)設(shè)計(jì)

為防止車庫(kù)內(nèi)火災(zāi)或新能源汽車自燃等問題，單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)了火焰檢測(cè)模塊。該模塊主要采用育松電子4針火焰?zhèn)鞲衅鳟a(chǎn)品。該產(chǎn)品可檢測(cè)波長(zhǎng)為760nm～1100nm范圍內(nèi)的光源，探測(cè)角度60°，可調(diào)整安裝位置，能有效的監(jiān)控單個(gè)車位，其電路如圖4所示，其中直接輸出數(shù)字量。

圖4 火焰檢測(cè)設(shè)計(jì)

2.4車位檢測(cè)設(shè)計(jì)

為了獲得車位使用情況，單元系統(tǒng)采用紅外傳感器檢測(cè)，探測(cè)距離可通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、使用裝配方便等特點(diǎn)，其電路如圖5所示。

圖5 車位檢測(cè)設(shè)計(jì)

2.5車輛出入電路設(shè)計(jì)

車輛的出入由兩個(gè)閘門控制，該系統(tǒng)采用L298N作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閘門開關(guān)，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

為保證單元系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)5V供電和鋰電池兩套供電系統(tǒng)?；赟TC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的硬件電路PCB板和硬件實(shí)物如圖7所示。

圖7 硬件系統(tǒng)的PCB板及實(shí)物圖

3車輛識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW作為圖形化編程語(yǔ)言，相對(duì)其它高級(jí)語(yǔ)言具有簡(jiǎn)單明了、函數(shù)庫(kù)豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器視覺作為人工智能的一個(gè)重要分支，應(yīng)用范圍涵蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和安全等領(lǐng)域。因此，車輛識(shí)別系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)開發(fā)，通過相機(jī)獲取車牌照片，傳送給車牌識(shí)別系統(tǒng)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)車牌識(shí)別和管理。

為了提高車輛識(shí)別的準(zhǔn)確度，該系統(tǒng)對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理、校正、定位、分割，最終完成識(shí)別。識(shí)別系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 車牌識(shí)別系統(tǒng)流程

其中采用LabVIEW內(nèi)置的IMAQdx驅(qū)動(dòng)相機(jī)采集圖像，采用Vision Assistant庫(kù)中的彩色運(yùn)算color Operators函數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均值法的灰度化，采用高級(jí)形態(tài)學(xué)Adv.Morphology函數(shù)中值濾波處理，采用基礎(chǔ)形態(tài)學(xué)Basic函數(shù)機(jī)械二值化處理，采用粒子分析Particle Analysis函數(shù)中Hough變換法計(jì)算車牌傾斜角度，采用IMAQ Rotate函數(shù)反向旋轉(zhuǎn)，采用IMAQ Extract Tetragon函數(shù)提出車牌矩形框，采用光學(xué)字符識(shí)別OCR庫(kù)進(jìn)行圖像的濾波增強(qiáng)、閥值分割形態(tài)學(xué)處理以及ROI、字符的分割、訓(xùn)練和識(shí)別等處理。

4軟件管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

4.1手機(jī)APP管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)設(shè)備可以實(shí)時(shí)查看到車庫(kù)中車位及車輛信息，設(shè)計(jì)了手機(jī)APP管理系統(tǒng)。系統(tǒng)基于樹莓派硬件，采用TCP協(xié)議進(jìn)行通信，采用火山安卓平臺(tái)開發(fā)智能終端。開發(fā)界面和運(yùn)行界面如圖9所示。

圖9 APP開發(fā)與運(yùn)行界面

4.2 PC管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PC管理系統(tǒng)采用LabVIEW軟件開發(fā)，基于需求分析和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要功能包括：用戶登錄、功能選擇、賬戶管理、參數(shù)設(shè)置、車輛出入實(shí)時(shí)視頻、車牌識(shí)別、停車時(shí)間及計(jì)費(fèi)管理、車庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、APP手機(jī)數(shù)據(jù)共享等。系統(tǒng)登錄界面、功能選擇界面、模擬演示界面如圖10所示。

圖10 PC端運(yùn)行界面

4.2 PC管理系統(tǒng)的測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)硬件、軟件和通信的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1可知，包含文字、字符和數(shù)字的車牌在相機(jī)迎角75°～105°范圍內(nèi)的平均識(shí)別率為98%，平均識(shí)別時(shí)間為0.26s。環(huán)境監(jiān)測(cè)率和計(jì)費(fèi)正確率均為100%。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

5結(jié)語(yǔ)

為了解決尋車位難、停車效率低、車輛停放安全無法保證等問題，文章設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)據(jù)融合的智能停車場(chǎng)管理系統(tǒng)。基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)，通過大量傳感器獲取停車場(chǎng)周圍環(huán)境信息，通過軟件管理系統(tǒng)分析處理，借助手機(jī)APP為車主提供停車場(chǎng)及車輛的實(shí)時(shí)信息。基于虛擬儀器技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)開發(fā)一套車牌識(shí)別系統(tǒng)，并嵌入到PC機(jī)停車場(chǎng)管理系統(tǒng)中，提高了車輛進(jìn)出效率，提供了車輛計(jì)費(fèi)信息。該系統(tǒng)的硬件模塊化、擴(kuò)展性強(qiáng)，軟件開發(fā)成本低，整套系統(tǒng)的速度更快、精度更高、數(shù)據(jù)分析更加智能，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。