基于STM32和K210的智能車庫管理系統(tǒng)

張?zhí)旌?

摘要：隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，截至2022年底，我國汽車保有量已經(jīng)超過4.17億輛，受此影響，汽車帶來的城市道路擁堵、車位緊缺等問題日益突出。針對這個(gè)問題，設(shè)計(jì)一種基于STM32和K210的智能車庫管理系統(tǒng)，主要由基于K210的高效車牌識別系統(tǒng)、基于超聲波模塊的車型識別系統(tǒng)、云平臺管理系統(tǒng)構(gòu)成，由STM32作為控制核心，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成本低廉并能提高車庫管理效率，具有一定的實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：智能車庫；STM32；K210

引言

我國近年來在現(xiàn)代化城市規(guī)劃建設(shè)方面取得了穩(wěn)步進(jìn)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，并對物質(zhì)需求有持續(xù)的增長。因此，汽車逐漸成為人們最常用的交通工具。隨著需求的增加，我國的汽車銷售量每年保持著穩(wěn)定的增長速度。截至2022年底，我國汽車保有量已經(jīng)超過4.17億輛，同比2021年增長了5.39%。預(yù)計(jì)在短期內(nèi)，增速放緩的速度將會有限[1]。不僅城市交通系統(tǒng)面臨著由于機(jī)動車數(shù)量迅速增加而造成的巨大壓力，城市的規(guī)劃建設(shè)和環(huán)境美化也受到了這種壓力的影響。根據(jù)交通運(yùn)輸部的數(shù)據(jù)，國內(nèi)一、二線城市每輛機(jī)動車擁有的停車位約為0.8個(gè)，三、四線城市為0.5個(gè)，而發(fā)達(dá)國家則為1.3個(gè)。

鑒于缺乏停車位，車輛亂停、亂放的問題廣泛存在，街道上停放的車輛不僅影響城市美觀，還占用了許多非機(jī)動車道的空間。據(jù)相關(guān)資料顯示，大多數(shù)車輛在停放狀態(tài)下，僅有10%的時(shí)間處于行駛狀態(tài)。在城市中心區(qū)域，甚至有近30%的車輛行駛在搜尋空車位的狀態(tài)下[2]。因此，對停車的管理至關(guān)重要。然而，一旦車輛進(jìn)入車庫，就很難對其行為進(jìn)行控制，這就經(jīng)常導(dǎo)致車輛找不到停車位或在車庫內(nèi)隨意尋找停車位的情況發(fā)生。尤其是在大型地下車庫中，由于空間有限且視野受限，尋找停車位需要不斷進(jìn)行人工操作。而且，車庫內(nèi)道路狹窄，使得高峰時(shí)段出現(xiàn)了嚴(yán)重的交通擁堵問題。從當(dāng)今城市的發(fā)展現(xiàn)狀和人們對生活的需求來看，一套高效率車庫管理系統(tǒng)對于緩解日趨嚴(yán)峻的交通狀況和車位嚴(yán)重不足問題尤為重要。這種管理系統(tǒng)具備預(yù)定車位、高效讀取和管理車輛數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)車位智能規(guī)劃引導(dǎo)停車等功能。此外還對未來智慧化城市建設(shè)有著重要意義。

1. 智能車庫系統(tǒng)介紹

針對目前城市中車位尋找困難以及車庫管理系統(tǒng)不足的問題，本文提出了一系列相關(guān)的技術(shù)措施，旨在優(yōu)化當(dāng)前的車庫管理，以實(shí)現(xiàn)車庫管理的智能化和高效化，從而為城市停車難的問題提供方案，提升城市居民的生活滿意度。本文設(shè)計(jì)的車庫管理系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）在當(dāng)前主流的管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，使用一連串圖像處理技術(shù)，提高車輛智能管理系統(tǒng)中車牌識別的準(zhǔn)確度，減少無法識別的時(shí)間和未知時(shí)間，為不停車出入庫提供解決方案；

（2）用超聲波模塊進(jìn)行測距，從而識別不同車型，以此適配擁有多種不同大小車位的停車場，進(jìn)而為不同車型指引不同的停車區(qū)域；

（3）在車輛駛?cè)牒?，自動檢測空余車位，自動引導(dǎo)車輛入庫，使車輛無效尋找車位行為大幅減少，節(jié)約時(shí)間、提高效率；

（4）最后將車輛進(jìn)出庫信息上傳至OneNET云平臺，通過多種不同設(shè)備進(jìn)行管理，方便進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查詢，未來還可增加遠(yuǎn)程車庫管理功能，積極促進(jìn)管理效率提升。

2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

系統(tǒng)整體主要由主控制器、K210核心板、傳感器、上位機(jī)以及一些功能模塊組成，具體結(jié)構(gòu)功能圖如圖1所示。

STM32F103C8T5核心板是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心，各個(gè)接口與外圍模塊相連；K210單片機(jī)主要作用是實(shí)現(xiàn)車牌識別，主要包括攝像頭圖像采集、圖像裁剪與縮放、運(yùn)行字符識別模型、中文字符解碼等功能，最后將識別結(jié)果通過串口上傳至STM32。

STM32通過串口獲取K210的車牌識別結(jié)果、發(fā)送/接收Wi-Fi模塊的數(shù)據(jù)、控制語音播報(bào)的內(nèi)容、控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。

2.2 元器件選型

車庫實(shí)現(xiàn)智能化的核心是處理器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，而主控芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，故主控芯片的選擇尤為重要。本設(shè)計(jì)選用STM32F103系列的芯片作為主控芯片，與其他常用主控芯片進(jìn)行比較如下[3]：

（1）和傳統(tǒng)單片機(jī)比較。STM32的片上資源更為豐富，因而在以STM32為主控芯片的控制器的整體硬件開發(fā)成本比傳統(tǒng)單片機(jī)低，且處理能力比傳統(tǒng)單片機(jī)更強(qiáng)。

（2）和ARM7、11等其他32位處理器相比。STM32單片機(jī)的架構(gòu)先進(jìn)，代碼密度高，功耗低，價(jià)位低，是32位處理器中性價(jià)比較高的芯片。

（3）和DSP芯片比較。雖然DSP芯片的系統(tǒng)頻率高，實(shí)時(shí)性好，處理性能強(qiáng)，但價(jià)格昂貴且開發(fā)周期長。

綜合上述比較情況，考慮到硬件的性能和價(jià)格因素，本設(shè)計(jì)選擇了STM32F103單片機(jī)作為主控芯片。

另外，本方案還需要進(jìn)行車牌識別，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的多重考量，最終選擇了K210 MCU。這款產(chǎn)品的特點(diǎn)在于其芯片架構(gòu)內(nèi)嵌了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件加速器KPU，能夠高效執(zhí)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，同時(shí)成本相比Openmv等攝像模組價(jià)格更為經(jīng)濟(jì)，可以有效降低產(chǎn)品的成本[4]。

3. 車牌定位識別方法

當(dāng)前在車牌定位識別技術(shù)領(lǐng)域，研究的焦點(diǎn)是提高車牌識別的準(zhǔn)確度和速度。提高車牌識別的準(zhǔn)確度可以減少意外發(fā)生的可能性，而加快識別速度則可以提高車輛管理的效率。

車牌識別技術(shù)在市場廣泛應(yīng)用，可分為兩類。一類是傳統(tǒng)車牌定位技術(shù)，主要依靠車牌的紋理、邊框比例、顏色和字符等特征進(jìn)行定位；另一類是基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車牌定位技術(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以抽象車牌特征，通過多次迭代訓(xùn)練來實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位車牌。

本方案使用基于KPU（kendryte processing unit）的目標(biāo)檢測模型[5]，來對圖像中的車牌信息進(jìn)行定位和識別。

要在K210上實(shí)現(xiàn)車牌定位與識別，首先需進(jìn)行目標(biāo)檢測模型的訓(xùn)練。具體可以分為以下步驟：

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：收集包含各種車牌的圖像數(shù)據(jù)集，進(jìn)行標(biāo)注并轉(zhuǎn)換為適用于訓(xùn)練的大小和格式；

（2）選擇合適的目標(biāo)檢測模型；

（3）進(jìn)行模型訓(xùn)練；

（4）將訓(xùn)練好的模型部署至K210。

4. 算法設(shè)計(jì)與程序流程圖

圖2為車輛入庫流程圖，車輛駛近入口時(shí)，通過K210單片機(jī)識別車牌并記錄信息，然后通過超聲波傳感器測量車底盤離地距離，判斷車型若在相應(yīng)區(qū)域有車位，則進(jìn)行語音播報(bào)指引并打開道閘，并將相應(yīng)的信息上傳至云平臺存儲。車輛出庫流程與入庫流程相似，主要增加了計(jì)費(fèi)環(huán)節(jié)。車輛駛出入口時(shí)，通過K210單片機(jī)識別車牌并比對停車信息，然后對停車信息進(jìn)行計(jì)算，用車輛離開時(shí)間減去車輛進(jìn)入時(shí)間，得出車費(fèi)，然后進(jìn)行車費(fèi)繳納環(huán)節(jié)，之后若車費(fèi)繳清，則開具票據(jù)、打開道閘放行，在車輛駛出之后對車位數(shù)量信息更新。

5. 測試與分析

對系統(tǒng)各個(gè)功能進(jìn)行測試如下：

（1）驗(yàn)證車牌識別的準(zhǔn)確度。在室外隨機(jī)選取60個(gè)車牌進(jìn)行識別測試。測試結(jié)果如表1所示。

（2）驗(yàn)證云平臺管理是否有效，方法為使用一個(gè)車牌模擬入庫后，檢查云平臺。

（3）測試系統(tǒng)其余功能，具體方案是模擬車輛入庫后，觀察其余模塊是否正常工作。結(jié)果為OLED模塊、舵機(jī)、超聲波測距模塊等均正常工作，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)語

車位難尋的根本原因是停車位的規(guī)劃建設(shè)水平落后于汽車保有量的增長，而這又進(jìn)一步造成了交通擁堵。本文基于STM32與K210設(shè)計(jì)了一套智能車庫管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)目的為基于目前車輛管理體系，盡可能降低車庫管理的時(shí)間成本，提高車庫管理效率，并通過實(shí)際測試驗(yàn)證，在成本低廉的同時(shí)，能夠縮短存取車的耗時(shí)，提高存取車速度，有效解決停車取車?yán)щy的問題。該系統(tǒng)在各購物中心或露天停車場等處均可應(yīng)用，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱立地.對基于云平臺的城市智慧停車發(fā)展現(xiàn)狀和改進(jìn)措施的研究[J].科技資訊，2023，21（8）：33-36.

[2]葉聰.智能車庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].南昌：華東交通大學(xué)，2021.

[3]王晨輝，吳悅，楊凱.基于STM32的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（1）：51-53，57.

[4]顧恭.一種基于MSER及CNN的車牌文字定位新方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2021，38（8）：206-213，279.

[5]白璐.基于深度學(xué)習(xí)的車牌識別技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2019.

作者簡介：張?zhí)旌?，碩士研究生，研究方向：無人裝備導(dǎo)航制導(dǎo)與控制。

基金項(xiàng)目：陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——基于柔性傳感技術(shù)的壓瘡及人體生理信號監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)（編號：2023-YBSF-451）。