基于智能傳感器的共享車位系統(tǒng)

王 新，徐 源

(長沙理工大學(xué) 計算機(jī)與通信工程學(xué)院，長沙 410114)

城市化的進(jìn)程導(dǎo)致私家車輛數(shù)量近幾年來在各個地區(qū)快速增長.根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在我國一線城市中，汽車與停車位的數(shù)量比例為1.25，在二、三線城市該比例高達(dá)2.00，且根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)估算，截至2020 年，我國停車位需求已達(dá)8 000 萬個，缺口巨大，車位資源嚴(yán)重不足[1].實際上，車輛是一種使用頻率極高的交通工具，其硬性停車需求無法回避，然而停車位的修建速度遠(yuǎn)趕不上私家車輛數(shù)量的增長速度.伴隨著私家車輛數(shù)量的不斷增加，出現(xiàn)了如停車難、交通堵塞和尾氣排放過量等一系列的問題.

與發(fā)達(dá)國家相比，我國城市化進(jìn)度較為滯后，停車?yán)щy的情況近些年才出現(xiàn)，對智能泊車系統(tǒng)的需求及其相關(guān)研究也相對遲緩[2].但伴隨著我國共享經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，共享觀念[3]已深深扎根在人們的日常生活中，共享停車軟件也層出不窮.隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和傳感器設(shè)備智能化程度的進(jìn)一步提高，作為嵌入式設(shè)備的核心器件，智能控制器的滲透率進(jìn)一步提升，已從簡單的家電、電動工具等應(yīng)用向智慧硬件、汽車電子、智慧家居、智慧城市等一系列新興領(lǐng)域擴(kuò)展[5].

本文針對城市停車難的問題，以某私人小區(qū)為主要研究對象，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的共享停車系統(tǒng).

1 整體設(shè)計方案

該共享車位系統(tǒng)以FPGA 控制器為核心，分為軟件和硬件2 個部分.其中，硬件部分包括道閘控制模塊、地鎖控制模塊、地磁檢測模塊、報警模塊等，主要負(fù)責(zé)道閘、地鎖和車位的管理；軟件部分包括系統(tǒng)管理軟件和客戶端APP 軟件，主要負(fù)責(zé)位置導(dǎo)航和附近的車位搜索.軟、硬件通過移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交互：急需停車的用戶利用手機(jī)APP 導(dǎo)航至空閑停車位附近，其泊車需求信息經(jīng)路由器傳至設(shè)備端，通過FPGA 主控模塊控制相關(guān)功能模塊運(yùn)作，直至完成車輛入庫和出庫等操作.系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2 系統(tǒng)主要功能模塊

2.1 主控模塊

本設(shè)計選取STORM IV_E6 FPGA 開發(fā)板作為主控模塊.該模塊主要包括FPGA 控制器、發(fā)光二極管、溫度傳感器、復(fù)位按鍵、蜂鳴器、UART串口、串行FLASH、VGA 接口、1602 和12864液晶接口、MAX485 接口、電機(jī)驅(qū)動接口等.

2.2 道閘控制模塊

道閘也被稱為擋車器，是停車場重要的組成部件，被廣泛應(yīng)用于公路收費(fèi)站、停車場等地以管理車輛的進(jìn)出[6].電動道閘既能利用無線遙控來操縱閘桿的升降，也能通過停車場管理系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制.本設(shè)計利用無線通信模塊發(fā)送控制信號至停車場的道閘控制器以控制其運(yùn)作.在FPGA 核心開發(fā)板上，LED1 燈的亮和滅分別表示道閘的開啟和關(guān)閉.

2.3 地鎖控制模塊

地鎖是一種避免其他人占用自己停車位的機(jī)械設(shè)備.智能地鎖作為一款可以被電腦、手機(jī)等遠(yuǎn)程控制的設(shè)備，解決了舊版地鎖無法實現(xiàn)實時車位共享的弊端[7].本設(shè)計選用了具有無線通信功能的智能地鎖，并將其固定在共享車位上.當(dāng)?shù)劓i控制器接收到無線通信模塊發(fā)出的入庫指令后，便會響應(yīng)并控制地鎖降下，且延時10 s；若地鎖控制器收到出庫信號且地磁檢測模塊未檢測到該車位被占，便會控制地鎖升起.在模擬測試中，利用LED2 燈的亮和滅分別表示地鎖的降下和升起.為了便于實驗觀察，地鎖的升、降延時暫設(shè)為10 s，但在實際場景中，則可根據(jù)車庫大小等設(shè)定合適的延時時長.

2.4 地磁檢測模塊

地磁傳感器是一種基于電磁感應(yīng)原理的微電子機(jī)械技術(shù)的新式傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、能耗低、測量精確度高等，且極易與計算機(jī)相連[8].利用地磁傳感器檢測停車位狀態(tài)，不僅對路面破壞較小，也不易受環(huán)境因素的影響[9]，相較于其他檢測方式更為精準(zhǔn).

本設(shè)計選用HMC1023 三軸地磁傳感器.當(dāng)?shù)卮艡z測模塊接收到車輛出庫信息后，會即時檢測當(dāng)前車位上是否有非法占位的車輛，以避免地鎖升起時對其造成損壞.在測試中，利用開發(fā)板上的KEY1 鍵來表示地磁傳感器檢測結(jié)果：當(dāng)該按鍵被按下時，輸出低電平，代表地磁檢測模塊檢測到當(dāng)前車位上有占位車輛.

2.5 車位報警模塊

當(dāng)用戶進(jìn)行出庫掃碼時，無線通信模塊發(fā)出車輛出庫信號，此時車位地鎖即將升起，但為了避免因當(dāng)前車位被非法占據(jù)而導(dǎo)致地鎖升起時對車輛造成損壞，需要通過地磁檢測模塊及時檢測當(dāng)前車位狀態(tài)并報警[10].本設(shè)計利用FPGA 開發(fā)板上的蜂鳴器來模擬報警功能.

2.6 無線傳輸模塊

常用的無線收發(fā)芯片主要包括nRF 系列和CC2420.其中，nRF24L01 利用串口收發(fā)，能量消耗相對較低，且其信息傳輸速率較高，可達(dá)1 Mb/s[11].由于其數(shù)據(jù)傳輸只占據(jù)少部分通信信道，數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的幾率及通信功耗較低，且其外圍電路所需的元器件較少，便于達(dá)到節(jié)點(diǎn)微型，所以本設(shè)計選用nRF24L01 無線傳輸模塊.

3 硬件仿真結(jié)果分析

為保證系統(tǒng)可靠性，利用ModelSim 軟件對道閘、地鎖和報警模塊進(jìn)行了硬件時序仿真.其中輸入信號rst_n 為復(fù)位信號；rece_init_done 為接收模塊初始化成功信號；rece_data_done 為數(shù)據(jù)接收完成信號；rece_cmd_data_i 為所接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容；key_dc_i 為接收端按鍵KEY1，用來模擬道閘處的地磁檢測結(jié)果(當(dāng)有車輛出庫時，按下該鍵，輸出低電平，表示地磁檢測發(fā)現(xiàn)當(dāng)前車位上有車占位)；輸出信號led1 為道閘模塊狀態(tài)；led2為地鎖模塊狀態(tài)；beep_o 為報警器狀態(tài)；rece_rdy_led 為接收模塊初始化成功信號.

當(dāng)車輛入庫時，無線接收模塊檢測到車輛入庫信號，即rece_cmd_data_i 值為000000001，道閘開啟，led1 為高電平；當(dāng)車輛離開道閘后，key_dc_i 由高電平變?yōu)榈碗娖?，道閘關(guān)閉，led1 變?yōu)榈碗娖?；?dāng)無線模塊收到入庫信號后會延時10 s，地鎖自動降下，led2 變?yōu)楦唠娖?，如圖2 所示.當(dāng)車輛出庫時，無線接收模塊檢測到車輛出庫信號，即rece_cmd_data_i 值為00000010，若此時key_dc_i 為高電平(即當(dāng)前車位上無車占位)，則地鎖升起，led2 變?yōu)榈碗娖?，如圖3 所示.

圖2 車輛入庫時序仿真

圖3 車輛出庫時序仿真

當(dāng)車輛出庫時，若key_dc_i 為低電平(即當(dāng)前車位上有車非法占位)，則beep_o 由低電平變?yōu)楦唠娖剑瑘缶黜懫?，如圖4 所示.

圖4 報警模塊時序仿真

4 系統(tǒng)客戶端APP 設(shè)計

客戶端APP 使用HBuilderX 工具并采用uniapp 框架開發(fā)[12]，可以實現(xiàn)用戶注冊與登錄、車位查詢和導(dǎo)航等功能.該APP 通過獲取在微信云服務(wù)器內(nèi)所儲存的空閑車位的位置信息，調(diào)用地圖定位接口getInstance 對用戶進(jìn)行定位，并利用騰訊地圖提供的URI API 喚醒地圖小程序，實現(xiàn)用戶定位、車位查詢、導(dǎo)航等功能.其與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互過程如圖5 所示.

圖5 APP 數(shù)據(jù)交互流程

5 系統(tǒng)測試與分析

在系統(tǒng)設(shè)計完成后，模擬實際應(yīng)用場景，分別對其設(shè)備端和客戶端進(jìn)行了功能測試.

5.1 設(shè)備端測試

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，要求道閘和地鎖能及時響應(yīng)中控設(shè)備指令并反饋?zhàn)陨頎顟B(tài)；地磁檢測模塊能實時檢測車位狀態(tài)，并通過nRF24L01 無線傳輸模塊與中控設(shè)備進(jìn)行通信；各功能模塊能穩(wěn)定、協(xié)同工作，實現(xiàn)系統(tǒng)主要功能.

5.1.1 車輛入庫

按下發(fā)送端開發(fā)板KEY1 鍵，模擬車輛入庫，此時LED1 亮起，道閘開啟，如圖6 所示.按下接收端開發(fā)板KEY1 鍵，模擬車輛離開，道閘關(guān)閉，LED1 熄滅；延時10 s 后，LED2 亮起，地鎖自動降下，車輛入庫測試成功，如圖7 所示.

圖6 車輛入庫道閘開啟

圖7 車輛入庫道閘關(guān)閉

5.1.2 車輛出庫

按下發(fā)送端開發(fā)板KEY2 鍵，模擬車輛出庫，若地磁檢測模塊未檢測到車輛(未按下接收端開發(fā)板KEY1 鍵)，則地鎖升起，LED2 熄滅，如圖8 所示.此時，若地磁檢測模塊檢測到有車輛非法占位(按下接收端開發(fā)板KEY1 鍵)，則蜂鳴器報警；車輛出庫完成，地鎖降下，如圖9 所示.

圖8 車輛出庫地鎖升起

圖9 車輛出庫地鎖降下

5.2 客戶端測試

用戶利用手機(jī)客戶端APP 軟件，能夠完成注冊、登錄等常用功能，如圖10(a)所示；在查詢空閑車位時，與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，及時發(fā)現(xiàn)附近車位并顯示，如圖10(b)所示；利用地圖組件的定位功能鎖定車位位置并導(dǎo)航，如圖10(c)所示；到達(dá)停車位置后與云服務(wù)器進(jìn)行通信，向無線通信模塊發(fā)送相關(guān)信息，系統(tǒng)設(shè)備開始工作.

圖10 客戶端APP 測試界面

在網(wǎng)絡(luò)暢通的情況下，對客戶端進(jìn)行了完整的功能測試，其用戶注冊、登錄、車位查詢、導(dǎo)航等功能均已成功實現(xiàn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).

6 結(jié)語

本研究針對實際案例，借助智能傳感器和無線通信技術(shù)，給出了以FPGA 為控制核心的共享車位系統(tǒng)的解決方案.該系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸手段，實現(xiàn)了主控單元對各主要功能模塊的控制和多設(shè)備操作.基于HBuilderX 工具和uni-app框架開發(fā)的客戶端軟件，可以提供用戶注冊、登錄、車位查詢、導(dǎo)航等功能.硬件時序仿真和模擬場景測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行.