基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧停車場(chǎng)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 要：為了突破物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建受物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，基于Packet Tracer和OneNET云平臺(tái)，規(guī)劃和設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧停車場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括車位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、停車場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)、出入口管理、遠(yuǎn)程查看停車場(chǎng)等功能。通過(guò)整體規(guī)劃、硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、云平臺(tái)端設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了停車場(chǎng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真，為物聯(lián)網(wǎng)課程實(shí)踐教學(xué)提供了有效、可行的解決思路。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧停車場(chǎng)；仿真實(shí)驗(yàn)；Packet Tracer；OneNET云平臺(tái)；車位監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）08-0-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是應(yīng)用性、實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科[1]，物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)經(jīng)常采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法[2]，即讓學(xué)生通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目來(lái)學(xué)習(xí)和應(yīng)用知識(shí)，提高動(dòng)手能力。然而，由于物聯(lián)網(wǎng)涉及內(nèi)容廣、更新速度快、建設(shè)成本高等原因，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以滿足日益增長(zhǎng)的學(xué)生實(shí)踐需求[3]。在此背景下，本文基于Packet Tracer網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)和OneNET云平臺(tái)，探討智慧停車場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以期為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有效支撐[4-5]。

Packet Tracer是一款網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái)，利用該平臺(tái)可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和通信仿真實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)[6]。OneNET是中國(guó)移動(dòng)打造的高效、穩(wěn)定、安全的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放云平臺(tái)，目前支持MQTT、CoAP、LwM2M、HTTP等協(xié)議接入[7]。本文中的Packet Tracer虛擬設(shè)備采用HTTP協(xié)議接入云平臺(tái)。首先基于Packet Tracer完成智慧停車場(chǎng)的構(gòu)建、硬件設(shè)計(jì)和程序編寫，然后基于HTTP協(xié)議將停車場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)狀態(tài)的遠(yuǎn)程查看。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用Packet Tracer中的虛擬傳感器和執(zhí)行設(shè)備構(gòu)建了一個(gè)智慧停車場(chǎng)系統(tǒng)，通過(guò)編寫MCU控制器程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)及數(shù)據(jù)上傳，并通過(guò)接入OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)情況的遠(yuǎn)程查看。系統(tǒng)由車位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、停車場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊、停車場(chǎng)出入口管理模塊、OneNET云平臺(tái)端遠(yuǎn)程查看模塊等組成[8]，如圖1所示。

車位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)車位狀態(tài)，包括車位空閑情況、被占用時(shí)長(zhǎng)等，并將車位狀態(tài)上傳到OneNET云平臺(tái)。環(huán)境監(jiān)測(cè)及報(bào)警模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)停車場(chǎng)內(nèi)的溫度、濕度、煙霧等環(huán)境參數(shù)，并上傳至OneNET云平臺(tái)；當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)。停車場(chǎng)出入口管理模塊實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)的自動(dòng)刷卡開(kāi)門功能。由于停車場(chǎng)車位狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)已上傳至OneNET云平臺(tái)，用戶可登錄OneNET云平臺(tái)遠(yuǎn)程查看停車場(chǎng)情況。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在上述物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在Packet Tracer中進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件編程，另外進(jìn)行了OneNET端設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 車位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

車位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車位空閑狀態(tài)及被占用時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，規(guī)劃了微控制器MCU1、薄膜壓力傳感器、車位狀態(tài)指示燈、LCD顯示屏、車位、車輛等不同的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象[9]，車位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

本模塊由多組薄膜壓力傳感器監(jiān)測(cè)停車位上是否停有汽車。當(dāng)薄膜壓力傳感器監(jiān)測(cè)到的壓力數(shù)值大于一定閾值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定車位上停有車輛，并根據(jù)監(jiān)測(cè)情況控制相應(yīng)車位指示燈的狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將停車位的編號(hào)、監(jiān)測(cè)到的壓力、停車時(shí)間等信息顯示在對(duì)應(yīng)的LCD顯示屏上，并將監(jiān)測(cè)到的停車場(chǎng)車位情況上傳到OneNET云平臺(tái)。

本模塊中各對(duì)象通過(guò)不同的端口連接到MCU微控制器的端口，各對(duì)象的硬件端口見(jiàn)表1。在Python編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，表中的模擬接口可以接收不同的電平數(shù)據(jù)，而數(shù)字接口接收的高低電平對(duì)應(yīng)1023和0。

2.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)及出入口管理模塊硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊主要規(guī)劃了微控制器MCU0、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、LCD顯示屏、報(bào)警裝置等不同的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)停車場(chǎng)溫度、濕度、煙霧等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警；出入口管理模塊則主要規(guī)劃了微控制器MCU2、RFID閱讀器、控制停車場(chǎng)出入口橫桿的舵機(jī)、LCD顯示屏、測(cè)試車輛等不同的物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象，可以實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)的自動(dòng)刷卡開(kāi)門功能[10]。環(huán)境監(jiān)測(cè)及出入口管理模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

本模塊中各對(duì)象通過(guò)不同的端口分別連接到微控制器MCU0和MCU2，各設(shè)備的硬件端口見(jiàn)表2。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件編程

完成硬件設(shè)計(jì)之后，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行Python編程，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)要求[11]。

3.1 車位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件編程

車位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)MCU編程，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)及車位情況的遠(yuǎn)程查看，程序包括以下部分：

（1）引入模塊，如gpio、time、realtcp、realhttp、requests。

（2）通過(guò)RealHTTPClient（ ）函數(shù)創(chuàng)建HTTP客戶端，定義通過(guò)HTTP協(xié)議連接及上傳數(shù)據(jù)到OneNET云平臺(tái)的URL、data、header等。

（3）新建多個(gè)中斷函數(shù)inputHandler1（）、inputHandler2（）、

inputHandler3（），……，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)停車場(chǎng)的車位狀態(tài)。中斷函數(shù)讀取薄膜壓力傳感器的數(shù)值，通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)判斷車位上是否停有車輛。

（4）在一個(gè)循環(huán)函數(shù)中，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的車位情況控制車位狀態(tài)指示燈。如果監(jiān)測(cè)到車位上停有車輛，則開(kāi)始計(jì)時(shí)停車時(shí)間。與此同時(shí)，將車位編號(hào)、車位狀態(tài)、停車時(shí)長(zhǎng)等信息顯示在LCD顯示屏上，并通過(guò)調(diào)用http.postWithHeader（url， data， head）函數(shù)將車位狀態(tài)及停車場(chǎng)位置等信息實(shí)時(shí)上傳到OneNET云平臺(tái)。

（5）在main函數(shù)中，調(diào)用add_event_detect（）函數(shù)在相應(yīng)引腳上添加事件監(jiān)測(cè)，當(dāng)引腳狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)觸發(fā)中斷；調(diào)用循環(huán)函數(shù)監(jiān)測(cè)車位狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)。

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)及出入口管理編程設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊編程設(shè)計(jì)與車位狀態(tài)監(jiān)測(cè)編程設(shè)計(jì)類似，主要包括以下步驟：

（1）創(chuàng)建HTTP客戶端；

（2）定義通過(guò)HTTP協(xié)議連接及上傳數(shù)據(jù)到OneNET云平臺(tái)的URL、data、header等參數(shù)；

（3）通過(guò)中斷函數(shù)獲取監(jiān)測(cè)到的環(huán)境參數(shù)數(shù)值；

（4）在循環(huán)函數(shù)中不斷刷新顯示監(jiān)測(cè)數(shù)值，并通過(guò)調(diào)用http.postWithHeader（url， data， head）函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)；

（5）在main函數(shù)中，調(diào)用add_event_detect（）函數(shù)在相應(yīng)引腳上添加事件監(jiān)測(cè)，并調(diào)用循環(huán)函數(shù)監(jiān)測(cè)停車場(chǎng)狀態(tài)，同時(shí)上傳數(shù)據(jù)到OneNET云平臺(tái)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的關(guān)鍵代碼及注釋如下：

#創(chuàng)建HTTP客戶端

http = RealHTTPClient（）

……

#定義URL、head、data

……

#中斷函數(shù)，讀取環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)值

def inputHandler1（）：

global value1

value1 =" （（（analogRead（A0） - 0） * （100 - -100）） / （1023 - 0）） + -100.

……

#循環(huán)函數(shù)

def loop1（）：

customWrite（0， \"Tem：\"+str（value1）+\" Hum：\"+str（value2）+\"＼nsmoke：\"+str（value3））

if value1gt;20 or value2gt;75 or value3gt;15：

digitalWrite（1，HIGH）

else：

digitalWrite（1，LOW）

data = json.dumps（{\"id\"： \"123\"，\"version\"： \"1.0\"，\"params\"： {\"humi\"： {\"value\"： value2 }， \"Tem\"： { \"value\"： value1}， \"smoke\"： { \"value\"： value3}，\"location\"：{\"value\"：{\"lon\"：113.65，\"lat\"：34.76}}}}）http.postWithHeader（url，data，head）

……

#主函數(shù)

def main（）：

add_event_detect（A0， inputHandler1）

……

http.postWithHeader（url0，data0，head0）

http.onDone（onHTTPDone）

while True：

sleep（5）

loop1（）

if __name__ == \"__main__\"：

main（）

出入口管理編程設(shè)計(jì)主要通過(guò)RFID閱讀器識(shí)別車輛，識(shí)別成功后控制舵機(jī)開(kāi)關(guān)門，關(guān)鍵代碼如下：

value=0

def main（）：

pinMode（1， OUT）

print（\"vehicle Identifying\"）

while True：

value=digitalRead（1）

if value==0：

customWrite（0， 1）；

print（\"close the door！\"）

sleep（3）

else：

customWrite（0， 160）；

print（\"open the door！\"）

sleep（3）

if __name__ == \"__main__\"：

main（）

3.3 OneNET云端開(kāi)發(fā)

OneNET云端開(kāi)發(fā)主要包括創(chuàng)建產(chǎn)品、添加設(shè)備、定義物模型等步驟[12]。首先，在OneNET云平臺(tái)上創(chuàng)建產(chǎn)品和設(shè)備，填寫產(chǎn)品相關(guān)信息時(shí)接入?yún)f(xié)議選擇HTTP協(xié)議，數(shù)據(jù)協(xié)議選擇OneJSON。設(shè)備添加成功后，需要記錄所創(chuàng)建的產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品ID、設(shè)備名稱、設(shè)備密鑰等信息，這些信息將在設(shè)備接入時(shí)使用。

定義物模型在功能定義步驟中完成。單擊設(shè)置物模型，然后單擊添加自定義功能點(diǎn)，在彈出的窗口中進(jìn)行設(shè)置。功能類型選擇屬性功能，其他按要求填寫。本文建立了多個(gè)車位狀態(tài)、停車場(chǎng)位置、溫度、濕度、煙霧濃度等屬性功能。

完成了OneNET云端的開(kāi)發(fā)之后，Packet Tracer中的虛擬設(shè)備將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)RealHTTP方式上傳到OneNET云平臺(tái)進(jìn)行展示。OneNET云平臺(tái)端顯示頁(yè)面如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

智慧停車場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融合了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)技術(shù)、硬件構(gòu)建技術(shù)、軟件編程技術(shù)，具體包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、場(chǎng)景搭建、設(shè)備選擇、接口設(shè)計(jì)、通信協(xié)議、設(shè)備接入、數(shù)據(jù)傳輸、代碼編寫、云端開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)顯示等內(nèi)容，能夠有效提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力。

智慧停車場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受實(shí)驗(yàn)物理?xiàng)l件限制，學(xué)生一人一機(jī)的實(shí)驗(yàn)條件能夠很好地將課程的示教、開(kāi)發(fā)與實(shí)訓(xùn)相融合，最大限度地拓展學(xué)生的動(dòng)手能力。同時(shí)，該系統(tǒng)具有開(kāi)放、靈活、二次開(kāi)發(fā)方便的特點(diǎn)。該系統(tǒng)的擴(kuò)展性使得該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠有效培養(yǎng)和提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

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