基于物联网的车位在线检测与显示

田昌民 顾江洋 王宁 毛小银

摘要： 随着我国汽车数量大幅度增加，停车难问题越来越严重。因此，针对城市车库、停车场的“停车难”问题提出了由物联网检测车位，显示车位的设计方案。该方案利用超声测距与ATMEGA配合来检测车位信息；再将监测信息通过ZigBee网络传输到管理终端，管理终端通过串口把收集到的信息上传到上位机平台，由该平台将车库信息反应到LED显示屏。这样达到方便停车的目的。

Abstract： With the increase of the number of cars in our country， the parking problem becomes more and more serious. Therefore， in view of the problem of "parking difficult" in urban garages and parking lots， a design scheme of detecting parking spaces and displaying parking spaces is proposed by the Internet of Things. The program uses ultrasonic ranging and ATMEGA to detect parking information， then transmits the monitoring information to the management terminal through the ZigBee network， and the management terminal uploads the collected information to the host computer platform through the serial port， and the platform reflects the garage information to the LED display， to achieve the purpose of convenient parking.

关键词：停车难；物联网；ZigBee技术；超声波

Key words： parking difficult；Internet of Things；ZigBee technology；ultrasonic

中图分类号：P225 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0160-05

1 概述

1.1 社会背景

随着国家工业实力的提升，机动车在持续增加。于此同时也带来了一些问题。停车管理存在一些缺陷，停车供需矛盾日益突出，特别是在人流较集中的区域存在停车位紧张，不同程度地展现 “一位难求”的停车问题，停车难的问题已经严重影响到城市的经济发展。

1.2 国内外研究状况

国外停车系统采用互联网技术与实物相结合的方法，达到在一定区域多个停车场间可以随意停车的目的，停车费用和车位使用都是由系统统一管理安排，节省了人力物力，同时可以提前预订车位停车， 给生活带來了便利。美国的圣保罗商业区比日本更早采用中央计算机公布停车场状况，能够准确地获得相应信息。

在国内，已有一些关于物联网停车方面的研究，2014年6月15日席建中教授提出物联网车位停车信息公布和预约停车的装置，此系统利用物联网，计时器和压力传感器的弹性压力装置，这样不仅能够获得车位信息还能提前预约，该装置车位检测较为准确，可应用范围广。在2017年5月17日西南交通大学张海涛硕士提出了基于Android和物联网的自助收费停车控制系统的设计，使用Android手机客户端App包含用户注册、登陆和个人信息管理等功能，采用高德地图SDK开发组件，实现地图定位、搜索功能，可以实时直观地查看附近停车场和停车位使用情况，具备停车计时、移动端支付停车费用等功能。

1.3 社会问题

1.3.1停车难问题产生的原因

①机动车数量迅速增长。近些年，我国机动车不断增加，在2014年已经突破2亿多辆，至2016年年底达1.174亿，占世界汽车总量的19%。汽车出行已成为人们日益普及的出行方式，如图1。

②停车场传统管理方法比较原始且相对单一。当今基本利用人工诱导方法来停车。有没有停车位不能提前知晓其花费时间。

1.3.2 停车难产生的影响

①能源消耗加重，交通事故发生频繁。寻找车位比较盲目，浪费大量时间，并且车辆刮蹭等事故时有发生。

②空气和噪声污染加重。能源和机动车尾气等这些污染物的产生加重了环境的污染。鸣笛使用率高，造成污染。

1.4 研究的意义

针对以上问题，为了更加有效地停车，采用物联网的车位在线检测与显示很有必要而且意义重大：

一方面，减少了车主寻找车位的时间，间接地减少了燃油的消耗，节约资源。

一方面，使得管理停车场更加合理有效，减轻人力物力，很大程度上提高车位的利用率，节省劳动成本。

1.5 设计思路

利用物联网去改变停车的模式。利用超声波探测是否有车， ZigBee无线通讯等设备可以实时通知司机整个车库的停车状况，包括停车场内车辆停放数量和每个车位的占、空状态，从而来提高车位的利用率和停车效率。

车位信息采集利用超声波和压力传感器，将收集的车位信息传给单片机去处理；利用ZigBee无线通信为单片机和计算机传输数据；实现远程显示功能。（图2）

根据设计要求，将系统主要分为车位检测、车位计数、无线通信等系统。

2 车位检测系统

2.1 超声波传感器检测系统

2.1.1 超声波测距原理

高于20000赫兹的超声波频率，它的指向及穿透能力极强。在标压下，空气认为是理想化的气体。那么在空气中，超声波传播速度为：

式中，M为气体的摩尔质量，Cp为定压比热，Cr为定容比热，R为摩尔气体常数；T为热力学温度。对于一定气体，r，R及M为定值。

根据公式（1）知超声波在理想介质中的传播速度与热度存在一种线比性，可将公式（1）转化为：

即在温度r为273.16K、在标准大气压下，其温度变化在-40℃～+50℃之间的范围，空气中声速的实验理论值为：

C0=（331.45±0.05）m/s

在空气中，超声波从探头传出，在介质中传播遇到物体被反射，传到探头上。超声波在传播过程中会有较大的干扰和衰减。

在聲波传播途中，声波信号强度因干扰而有所减弱。在相同介质中，超声波的传向与振向是垂直的，是简谐纵波的一部分。超声波振动方向在理想化的介质中位移式为：S（t）=A（x）cos（wt+kx）=A0（x）=e-axcos（wt+kx）（3）

式中，A（x）为振幅；A0为振动初始条件决定的常数；w为角频率；t为时间；x为传播距离，2π/γ为波数，γ为波长，α为声波衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为：

α=Aef2（4）

公式（4）中，Ae为介质当中的常数，f为方向振频。

在空气里，Ae=2×10-13S2/cm，当振动的声波频率f=40kHz，代入公式（4）可得α=3.2×10-4cm-1，即1/α=31.2cm。由公式（4）知音波在介质中振频越高，损耗越大。双频连续纵波相位如图3所示。超声波因频率高相对于频率低的超声波而言，高频与低频相比更有助于测距，如图4所示。超声波检测车位时，利用渡越时间法，此采用频率为40kHz的超声波，且波长超过8.5mm。但在通常情况下一般选用30-100kHz的超声波来测距。

2.1.2 超声波探测车位原理

芯片单机片带动计时器计时，超声波再介质中传播碰壁后会被电路转换成电压信号，接收信号后芯片立即停止。声波在空气中传速是C=340m/s，利用计时器计时便可得到两点的距离（L），即：L=（C*t）/2（5）

式中：C为超声波在空气中的传播速度；t为超声波在空气中传播的时间。

超声波工作时，通过被测物体的反射、回波接收后的时间差不同来测量距离，其基本原理如图4所示。

超声波传感器换双向可逆，在上文中已经介绍过。超声换能器利用定时器计时，得到起始与终止时的时间便可得到相应的距离硬件如图5所示。

利用超声波测距装置，发送超声波。当停车位上无车时，超声波发射头与地面间的长度为L0定值；当车位上有车驶入时，超声波探头与障碍物的长度变为L1，对测量的L设定一定范围的阈值，当超声波测的距离明显缩短了汽车的高度ΔL这个数值，便可知道停车位是否有车。

在我国，交通管理部门把汽车分为大型汽车和小型汽车，本次研究设计的停车场主要是供小型汽车使用，小型汽车的车型代号为C1。统一国家标准，设计的最大总质量M？燮4500kg。长≤6.0m， 宽≤2.0m， 高≤2.5m。它们高度比无车时测得距离要小得多，所以，根据小型汽车的高度尺寸设计要求，在这里我们设定的阈值满足公式（6），期中L0为预设距离定值，L为测得瞬时距离值。

则记为有车状态，如图6所示。

硬件方面采用ATMEGA16芯片单片机控制超声波，其特点是运算速度快、功耗低、成本低等特点。实际采集的数据图表如图7所示，采用5V直流电压检测距离，功耗小。

考虑到单一利用超声波传感器探测有无车辆准确性不够高，比如人停留在车位上，也满足（6）公式，则必然会出现误判现象。因此用压力传感器作为辅助探测，人的重量比小型汽车的重量小，利用压力传感器就排除了人停留在车位上的误判现象，提高了探测车位的准确性。

2.2 压力传感器检测系统

当压力敏感元件受到压力作用后产生反向或正向应变，表面电阻随之而产生变化。两输出端的共模电压随着电阻值变化。一般情况下这种对应关系有近似线性的关系。要测到压力值，就要先得到压力变化和输出电压的数据。

式中：Uo为输出电压，Ui为输入电压。

当R1=R2=R3=R4，为全等阻值电路，即各电阻应变片灵敏系数K相同，式（8）可简化为：

式（10）为电路转换原理的一般形式。ΔU为输出电压。作为全等臂电路，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，式（10）变为ΔU=UK。

压力传感器对压力的感知性能，可将压力转换为模拟的电压输出量，但是值得注意的是此输出信号不能直接由单片机处理。需要经A/D转换为信号，单机片实际压力值是通过信号来的。（图8）

根据国家标准，小汽车设计的最大总质量小于等于4500kg。这里我们设置阈值为1000kg，完全排除了有人存在导致的误判的现象。

压力传感器会检测到设置的重量阈值，超过这个阈值，则会判为有车，否则为无车状态。（图9和表1）

2.3 红外光电传感器计数系统

2.3.1 红外光电传感器原理

红外传感器有对发射、接受器，适用于一切光线，如果发出一定强度的红外线，碰壁障碍物后反射接受，电压比较器（LM393）处理，再传给低电平信号传给单片机，利用电位器测距，效率距离是2-30cm，工作电压为3.3-5V。利用传感器改善距离的不足。（图10-11）

2.3.2 红外光电传感器计数原理

当想要停车的车辆经过红外传感器时，发出的红外光线被遮挡，红外接收感应到障碍物信号，一起传出的不同电平变化信号传给CPU处理，后CPU发出所需要的命令，这样便可实现对停车位上计数统计的功能。当数值达到预定值时，红灯信号显亮告知停车位已满。（图12、13）

2.4 无线通信模块

2.4.1 上位机和下位机通信模块

车位收集是超声波传感器探测的，输出的是距离，需要A/D转换模块成数字信息。

上位机采集数据：可由下位机利用通信口与上位机通信后得到。上位机分析结束以后，对比原先设定好的距离值，如果近似等于設定值，就会显示空车位。（图14）

2.4.2 用于ZigBee无线技术的在线显示

ZigBee主要作用是把超声波测距模块采集到的停车位信息传送给云端数据库，利用物联网技术来实时显示。其电路图如图15所示。它主要有以下特点：

①低功耗。在非工作的待机状态下，2节1.5V的直流电池提供任何一个节点运行两年多，这是ZigBee的优势。

②成本低。全功能与子功能所需代码分别为32k和4k，让通信控制器降低了难度，而且ZIGBEE可免专利费。

③延迟时间短。Zigbee的响应速度较快，从睡眠状态过度到工作状态只需要15秒，节点链接过程也只需要半分钟，可以节约能源，防止能源的过度消耗。

④安全性较高。ZigBee里存在着三级安全模式，接入了控制清单，采用了高级加密标准（ASE-128）的对称式密码，做到数据本质安全化目的。（表2、图15和图16）

3 停车场终端的操作系统

使用超声波探测器和压力传感器对车的状态进行检测，当车进入探测范围时，传感器会感应到其变化，通过ZigBee无线传输，将感应到的信号传输到控制器通过显示屏显示出来。之后经Internet组件将信息传到云端数据库，用户打开GPS联网，可在手机客户端上实时观看到停车位的状态，如图17所示。

新用户需要注册，在GPS打开的条件下完成登录，如图18所示，可以搜索附近停车场的空车位情况。

用户只需要用简单的一个软件，就能看清停车场的停车情况，如图19所示，大大节省了时间。同时，也能增加停车位的利用率，使停车更节省时间，便捷人们的生活。

4 总结

本设计的车位在线检测与显示方案是在于物联网的基础之上。运用超声波传感器测距原理及压力传感器采集有无停车位的信息，再通过ZigBee的无线传输技术传输到数据库以便实现停车场的智能动态显示。以达到为车主减少寻求车位的时间，间接地减少了燃油的消耗，节约资源；提高车位的利用率。使得管理停车场更加合理有效化，减轻了人力物力。但本系统在数据传输方面，并未研究断网和网络信号不稳定问题，在以后开发过程中会将对此情况进行研究，完善系统的通信模块。

参考文献：

[1]曲大义，陈秀锋，魏金丽.智能交通技术及其应用[M].机械工业出版社，2011（10）：1-4.

[2]李卫红.居民区内实施智能停车信息系统的可行性[J].中小企业管理与科技，2015，26.

[3]鄂旭，王志良.物联网关键技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2013，8.

[4]周洪，张红梅，郭爱学，等.智能小区管理与控制系统[M].北京：中国电力出版社，2006，15.

[5]王权平，王莉.Zig Bee技术简析[J].通讯世界，2003，4（101）：41-43.

[6]高庆敏，常振江.基于Zigbee技术的小区停车场管理系统设计[J].华北水利水电学院学报，2009，30（2）：75-76.

[7]杨劲松，王敏，黄心汉.超声波可变阈值测距装置[J].电子技术应用，1998（07）：7-9.