基于物联网的车位检测诱导系统

杨怀德

摘要： 关键词： 中图分类号： 文献标志码： A文章编号： 2095-2163（2017）06-0139-03

Abstract： In order to solve the parking problem caused by the sharp increasing of car ownership in cities， a design of parking space detection guidance system is introduced， which uses the wireless monitoring node of geomagnetic parking state to measure the status of parking space， and uses ZigBee to build a wireless network for information transmission， and so inducts parking for drivers. The experimental results show that the system can carry out parking guidance accurately， improve the parking efficiency and the utilization ratio of parking spaces.

0引言

隨着城市机动车保有量的迅猛激增，交通拥堵、停车困难、乱停乱放、停车纠纷、车辆安全、环境污染等交通相关的问题日益严重，尤其停车难是其中突出问题，30%的城市拥堵都是因为人们四处寻找停车位而造成的。而且，因为停车难，许多车辆胡乱停靠在马路两侧，进一步加剧了城市拥堵。基于此，为了真正缓解乱停乱放所造成的道路拥堵问题，大型停车场得到广泛应用，然而由于传统的停车场管理方式存在车位信息不透明、车位利用率低等因素使得停车难的问题并未展现得以控制的可观态势。因此，除城市规划中有针对性筹建、新建停车场外，如何对现有的停车位进行有效管理以提高其利用率即已成为当下迫切需要解决的热点关键问题。

国内外己经有许多学者对此展开了研究且取得了颇多成果。文献[1]针对停车系统中的信息传输可靠性问题提出了一种载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）与应答包（ACK）相结合的机制来减少数据碰撞率和丢包率，改善了系统的性能。 文献[2]从跨层优化的角度研发了一种基于 WSN 的地下停车场诱导信息系统（UPIS），MAC层采用基于 TDMA 的调度机制（CTD-MA）来降低节点的通信开销；网络层采用能量感知路由动态调整拓扑结构，平衡网络开销，从而达到优化网络性能的满意效果。文献[3]利用RFID和无线传感网络实现了一种泊车诱导方案，该方案通过数据融合降低无线通信的开销。文献[4]则给出了一种基于蓝牙通信的停车场诱导泊车设计方案，该方案结合蓝牙、语音技术，对驾驶员进行诱导泊车。本文重点研究构建了一种基于物联网的车位检测诱导系统，该系统具有可快速部署、无人值守、功耗小、成本低等优点，尤其适用于智能停车场。

1系统总体设计

为了提升停车场的车位利用率和驾驶员的停车效率，车位检测诱导系统应该能给驾驶员提供准确的车位信息和停车场的交通情况，驾驶员可以选择自行前往或者经车载终端导航到车位[5-6]。因此，系统首先需要实时准确地获取停车场的有效停车位、平面图信息、停车场内交通流信息、各种选择方式下的最优停车路线等指标参数，其次，系统还需要根据车辆当前的位置推荐最优的停车位和行驶路径给驾驶员，并且通过LCD显示停车场平面图信息、当前区域的位置信息和空闲车位信息，供自主前往的驾驶员使用；最后对于使用车载终端导航前往的用户，系统还应提供导航的功能。因此，可将系统分为车位检测模块、无线通信模块、路径诱导模块，主控中心模块，如图1所示。其中，无线通信模块包括：下位机无线通信模块和上位机无线通信模块，而主控中心模块则用于收集停车场的车位信息和车辆信息，并对车辆进行车位分配和路径规划。

本文设计使用CC2530为停车场的核心控制器，采用汇编和C语言编程，接受外部输入信号，控制引导的显示；采用微型计算机为显示中心和数据处理核心，显示程序采用Delphi 语言；采用ZigBee为传感节点和核心控制器进行数据传输；外部信号的采集是通过磁阻传感器，将探测到的车位信息送交给传感节点；人机接口方面采用语音和LCD显示屏，可以通过听觉和视觉相结合的方式来形成停车引导；同时为了配合上述实现，还需要A/D转换器，电平标准转换等多种元器件或者芯片。停车诱导系统的工作原理为：

1）泊位信息采集设备在停车场的各出入口实时检测进出车辆，采集停车场车位变化数据。

2）此车位变化数据通过ZigBee无线网络由停车诱导系统执行传送，再经过停车诱导控制系统的专用处理后，生成对应于各停车场的空余泊位数据，并对相应信息显示牌给出明确识别划分。

3）对应停车场的空余泊位数据经由合理分配和路径规划，再将得到的处理结果下达到至关联车载节点，并在车位显示牌标出空余泊位，从而向驾驶员通报各停车场的有效空位信息，为驾驶员提供自主选择的基础依据。

2系统研究设计

本文的车位检测诱导系统利用监测节点、中继节点组成的无线传感网络实时收集车位和车辆信息，向用户发出实时的停车场停车位可用性信息，并引导用户快速找到空车位。当有车辆进入或离开停车位时，监测节点在很短的时间内检测到车位状态变化，并通过无线传感网传送给主控中心，一旦主控中心收到车位信息就会立即通知信息管理控制中心，控制中心重新计算诱导信息、停车费用、空余停车位数目等，将实时更新导引屏和信息屏，完成诱导信息的发布。

2.1车位检测设计

车位检测是用来实时获取停车场中的停车信息，包括正在使用的车位和空闲车位信息[7]。在停车场的内部，每个车位上都安装了一个车位检测子单元，这个子单元可以精确地检测到该车位的使用状况：如果并未检测到车辆摆放，该车位就被归为可使用车位；如果检测到有车辆停靠，该车位就会归为不可使用车位[6-7]。基于此，本文即选用弱磁传感器感测车位上方磁场强度的变化，利用泊车前后的磁场强度之差来判别该停车位的状态。传感器模块的核心元件采用霍尼韦尔的 HMC5883L，该芯片包括设计先进的 HMC118X 系列磁阻传感器，可同时测量X、Y、Z 三个方向的磁场信息，这三个方向是正交的，对这三个方向的数据进行处理可以得到磁场的角度，每个方向拥有两个8 bit的数据寄存器A和B，寄存器A中储存一个测量结果中的高位数据，寄存器B中储存一个自测量结果的低位数据，这两个寄存器中的值是以二进制补码形式存在的16 bit，其范围是0XF800～0X07FF。 HMC5883L因其灵敏度高、可靠性好、功耗低，特别适合于大规模、长时间的车位状态监测。而由研究可知，HMC5883L磁阻传感器检测车位上方是否有车辆停泊的基本原理是：当车位上方没有车辆停泊时，水平放置的传感器Z轴方向的值很小；当有车辆停泊时，由于车辆结构中选配的大量金属部件会对周围的地磁场产生较大的影响，水平放置的传感器 Z 轴方向的值会出现明显的变化，因此 Z 轴方向的数据能直接反映出车位占用情况。该研究模块的电路设计如图2所示。endprint

HMC5883L使用源自IIC协议衍生的简化后的通信接口协议，传输速率是标准的100 kpbs或者400 kpbs，总线格式是一个8 bit数据/地址传送和1 bit应答位。有效的数据字节格式应是区分大小写的ASCII字符或二进制字符；返回值为二进制数据，负的二进制将以补码形式传回。HMC5883L的默认7 bit从机地址为0x3C的写入，0x3D的读写操作。SCL与SDA线需要10 K的上拉电阻。

2.2无线传输模块设计

无线传输模块采用CC2530内部集成的RF模块作为核心模块，实现无线组网、数据包寻找终端进行数据交换的功能。CC2530芯片具有地址配对的性能模式，只需要在写入程序时，设置配对终端的地址即可发送、接收、以及处理数据，这就成功保障了信息的A/D转换及收发，因此这部分的主要工作是射频电路的设计。无线RF的外围电路连接与CC2530芯片有对应的引脚接口：引脚25对应RF_N，引脚26对应RF_P，可得电路设计如图3所示。CC2530是符合802.15.4协议的RF芯片，在802.15.4协议中，MAC层有固定的协议格式和不同种类的命令，协议中包括命令类型、源地址和目标地址等重要信息。无线收发部分的寄存器较多，需要在内嵌芯片初始化后才能正常使用其无线收发的功能。初始化部分包括接收数据包帧过滤控制、发射功率控制和信道选择。发送过程可分为侦听SFD清除信道、关闭接收中断、填充缓冲区、启动发送并等待发送完成、恢复接收中断五個阶段。特别地，在填充缓冲区过程中，CC2530的物理层负载部分第一个字节为长度域，长度域的值需要考虑CRC字段的长度。而无线接收部分则可以分为无线接收中断处理和无线数据帧处理两个阶段。前者中，仅需查询标志位即可，RFIRQF0的第6位为完整数据包接收中断标志，若CC2530接收到一个完整的无线数据包，该标志位便会置位。由于CC2530包含多种RF中断类型，在进入中断服务函数之后可以通过查询标志位的方法转入相应的处理任务；进入无线数据帧处理阶段后，首先读取接收缓冲区的表征数据包长度的第一个字节，由于发送端考虑了CRC字段，因此，接收时也需要考虑该因素。如果CRC校验成功，那么就依次读取接收缓冲区字节数据，通过串口发送这些字节数据，并附加二个RSSI结果。

2.3停车诱导模块设计

停车诱导模块由车位分配功能和路径诱导功能组成。其中，车位分配功能能够从当前空闲车位中推荐最优的停车位给用户，路径诱导则是在给定车位后为用户去往该车位提供导航指示功能。这里，将给出具体研究内容如下。

2.3.1车位分配功能

本设计根据停车场面积和交通流线将其划分为多个区域进行车位分配。对于购买或租用车位的用户，将分配固定区域、固定车位；对于会员卡及临时卡用户，将在停车场各分配区域还剩余空位时，为用户分配临时车位。分配车位时，优先在流动车辆 （待停车辆及刚离开车位车辆）较少区域实施分配，以避免场内某区域内流动车辆过多而出现拥堵。系统进行车位分配时，需要考虑诸多因素。如果用C 表示车辆、N表示时间、 R表示车位， 车位分配问题的目标就是找出满足约束条件的（C， N， R）组合。如何安排统筹后的分配次序，不仅关系到算法的性能、安排的合理性，更牵涉到最终能否求出可行解。因此，分配次序的好坏也是每个算法中均需慎重分析处理的问题。在本文的算法中，是对每组 （C， N， R）设定优先级，然后按照优先级的高低次序分配车位。设定（C， N， R） 优先级需要考虑的因素有：

1）停车位到电梯距离。

2）由入口驾车到停车位距离。

3）分区内流动车辆的数量。在进行车位分配时，考虑停车场各个分区交通状况，分配车位时要均衡调配各个分区流动车辆数量，避免分区也发生拥堵。

4）停车位是否易于停放，即车位两边是否有车停放、有柱子或处于停车场尽端 （靠墙），在运算时分别考虑：

① 停车位处于尽端；

② 停车位两边均为车；

③ 停车位一边为车、一边为柱；

④ 停车位一边为车、一边为空位；

⑤ 停车位一边为柱、一边为空位；

⑥ 停车位两边均为空位。

算法在选择每组停车任务（C， N， R）时是按贪心策略来展开研究，即按（C， N， R）优先级的降位次序选择最高优先级的停车任务，进而得出最佳停车位。

2.3.2停车路径诱导功能

停车路径诱导功能通过信息显示和语音提示组合完成。信息显示模块的核心是显示屏，本系统采用ST7735。ST7735是一款单芯片控制器/驱动器262K色，图形型TFT-LCD。该芯片接受串行外围接口（SPI），8/ 9/ 16/ 18 bit并行接口。显示数据可以存储在片上，显示数据为132 ×162×18位RAM。而且还可以执行显示数据RAM读/写操作，没有外部操作时钟，由此达到功耗最小。ST7735与CPU之间的电路连接设计如图4所示。

语音提示功能是结合车辆位置和路径信息在关键路径节点生成语音提示，避免驾驶员驶入错误的路线，通过语音提醒，驾驶员可得知行车方向、包括到下个路口的行驶距离，以及当前停车场内的交通情况。

3结束语

本文着重研究了基于物联网的车位检测诱导系统的设计，给出了系统的设计框架图，并详细讨论了系统的硬件和软件实现方案。本文研究成果适用于大多数智能停车场的需求，对后续功能的完善和拓展研发具有良好参考价值。

参考文献：

[1] CHEN Mingkai，CHANG Tianhai. A parking guidance and information system based on wireless sensor network[C]//2011 IEEE International Conference on Information and Automation （ICIA）. Shenzhen， China：IEEE，2011：601-605.

[2] SUN Hao，CHEN Yongrui，XU Xuzhu， et al. Underground parking information system based on wireless sensor network[J]. Journal of University of Chinese Academy of Sciences，2013，30（5）：664-670.

[3] MAINETTI L， PALANO L， PATRONO L， et al. Integration of RFID and WSN technologies in a smart parking system[C]// 2014 22nd International Conference on Software， Telecommunications and Computer Networks （SoftCOM）. Split， Croatia：IEEE， 2014：104-110.

[4] 齐保良，赵飞，孙敏. 基于蓝牙通信的停车场诱导泊车系统[J]. 计算机工程与设计，2017，38（2）：557-561.

[5] 李艳萍， 察晓龙， 于东敏. 基于物联网技术的停车诱导系统的架构分析[J]. 电脑知识与技术， 2013，9（5）：1207-1208.

[6] 及娜. 基于无线地磁节点的停车诱导信息系统研究[D]. 合肥：中国科学技术大学， 2015.

[7] 曹永健. 基于物联网技术的定位诱导系统[D]. 南京：南京信息工程大学， 2015.endprint