IPv6让停车定位更精准

文/夏思彬 邹骞 孔皓 林绍福

系统设计背景

随着社会与经济的发展，教师群体的私家车拥有量迅速增长，同时高校与社会的交往也日益密切，吸引了大量的社会车辆进入校园。北京工业大学由于市属高校的性质，学校三分之二的学生都是北京本地学生，大多数学生都有自己的车辆，并且学生家长也会时常到学校看望学生，从而造成校园内部静态车辆众多，而校园停车设施规划滞后，停车泊位紧缺，缺乏规范管理，车辆随意停放，造成了校园交通问题。高校作为区域停车场的一个集合，在停车方面存在与公用停车场有着很多共同的特性，一般都是上班时间学校车辆较多，下班后车辆较少，停车高峰期与教学时间存在交叉，给校园交通的处理带来较大压力。校园停车场景如图1所示。

通过目前的现状可以分析出，校园内停车问题主要分为三部分：其一，缺乏整体规划，如有些停车场规划时没有从整体进行考虑，且缺乏配套的管理措施，在停车资源不足的情况下，这部分停车场的使用率较低；其二，违规停车现象严重，车辆没有按照规定停放，存在1辆车占用多个泊位现象，浪费停车资源；其三，缺乏规范与智能化管理，学校内停车场是免费开放的，缺少专人管理，停车秩序混乱，校外的车辆也很容易进出，造成校内停车位不足。

近年来，在各停车场内，RTLS(Real Time Locating Systems)技术也得到了广泛的应用，以解决停车场的车辆管控问题。RTLS是一种特殊的局部定位系统，通过若干个的信号接入点对区域内待识别标签进行数据交换并计算出标签位置。RTLS实时定位技术是指在一个指定的空间内，通过采集目标物体的相关信息，按照约定的协议与后台或服务器进行信息交换或通信，并采用AOA(Angle-of-

Arrival)、TOA(Time-of-Arrival)等测距算法实现对目标物体的智能化识别、定位、跟踪和管理的一种无线实时定位技术。目前，RTLS主要应用于物流服务、仓储服务和其他服务，如仓库、厂房、港口、学校和医疗场所。UWB技术是一个介于雷达和通信之间的应用，能够精确地理定位。例如，使用UWB技术的能够提供三维地理定位信息的设备。

UWB技术是一种使用1GHz以上带宽且无需载波的先进无线通信技术。每个标签以UWB脉冲重复发送数据帧，标签发送的UWB脉冲串被接收器接收，每个接收器利用高感度的短脉冲侦测器测量每个标签的数据帧到达接收器天线的时间，HUB处理单元利用参考标签发送过来的校准数据，确定标签到达不同接收器之间的时间差，并利用三角定位技术及优化算法来计算标签位置。UWB定位系统由定位应用软件、基站和标签三部分组成，能够实现高精度的定位，且定位稳定性好。系统可通过直观图形界面实现标签可视化管理及实时的位置跟踪，定位应用软件主要是根据定位基站获取到的数据，计算出标签的位置，提供系统使用。如图2所示。

图 1 校园停车场景

本文提出的系统在停车定位方面主要依赖于UWB 6.4G技术。当有标签的车辆进入停车位时，定位设备会根据车辆停放位置产生完整数据，方便车辆定位管理。当没有标签的车辆进入车位时，定位设备中的雷达会判断车辆停放的车位产生不完整数据，这时需要依托车牌识别技术完善车辆信息，补充完整收费数据。利用UWB和车牌识别两种新技术，将使得系统的定位更加精准、收费管理更加方便。系统网络通信是基于IPv6网络技术，以缓解校园内IPv4地址不足的问题，而且系统采取校园无线Wi-Fi进行数据传输，能够与当前校园网络良好融合，无需重新组网就能投入使用。

需求分析

校园停车场与社会停车场的用户受众面不用，一般的停车场主要是面向社会用户提供停车、车位租赁、快速收费等服务，向社会推广停车场。而校园的停车区域及管理主要服务对象是学校教师和外访参会人员。

图 2 设备标签基站示意

北京工业大学现有的停车系统是基于车牌识别的匝道车辆管理系统，该停车管理系统就目前智慧校园发展进程来看，还存在很大的局限性。主要表现在：不能实时管理校园停车场及查看整体规划情况，不能实时监测校园停车定位情况，尚未实现手机自动扣费、停车导航、反向寻车等智能化停车方式。经过多次深入调研，分析出以下主要问题：1.缺乏整体规划；2.停车区域缺少透明化；3.缺乏规范管理；4.停车数据管理难度较大。

本系统是在当前智慧校园应用与智能停车应用的背景下开发设计的。主要对传统校园停车功能进行智能化改造，实现停车场实时监控与管理、停车数据库统计。本系统的用户角色设定主要是针对学校后勤部门的管理者。对于学校来讲，管理者希望将停车场、停车位对象实例化，当学校有重要活动时，能够实时开放或者关闭停车区域，并及时通知到需要停车的用户。其次，学校目前的停车系统在数据统计方面存在很大的局限性，常常需要手动统计。另外，校外人员到校参会时需要打印纸质车证，在后续业务处理上很不便捷。因此，本系统特别针对管理者的用户需求，将停车场可视化，主要实现管理者对停车场进行相关设置和统计数据等主要功能。

图 3 系统架构

为了使系统更加便捷地服务到所有用户，也为了校园业务流程的整体完备性。本系统也针对UWB设备用户的需求进行详细分析，主要分为三类需求：一是停车位导航；由于停车区域未能实现公开给用户，用户并不能在停车前发现合适的停车位，于是就不能确定良好的、精确的导航路线；二是反向寻车；反向诱导系统也算是所有停车用户的特定需求，当用户在不熟悉的区域停车时，找到自己的车辆也是很麻烦的事情，需要反向导航来找到自己的车辆；三是收费自动化；不管是对于设备用户还是管理者，校园的停车位不完全是免费的，也存在收费缴费的问题，随着移动支付的快速推广，微信或支付宝支付费用已经成为我们的一种生活习惯，也方便管理者在各方面的管理。本系统的第三类用户是校园保卫处的收费管理者，一是收费自动化，最大限度减少现金管理问题；二是查看停车场实时的停放状况（停车区域可视化），避免车辆乱放乱停，并可及时处理违规现象，达到实时监控、监管停车场的效果。

图 4 功能设计示意

设计与实现

系统架构设计

本系统主要由三部分组成，客户端、服务器端与硬件设备，通信为设备与服务器进行通讯，服务器端提供Web Service接口，设备按接口提供车位和车辆的实时信息，通信方式支持IPv4；服务器端与客户端以IPv6的方式进行数据通信；设备产生车辆位置数据，服务器端存储数据，并提供给客户端，客户端对数据进行界面显示与用户交互，如图3所示。硬件设备为UWB，包括天线和标签；客户端为安卓手机客户端。

系统功能设计

基于UWB的停车定位管理系统主要包括以下几个功能：

1.个人信息管理：凭手机号快速注册及登录，用于识别用户类型和对应的权限，登录成功后，不同用户享受其对应的功能。用户可进行设置或修改头像、更改昵称等基本功能，也可在该模块添加自己的车辆信息和设备信息，实现用户与设备之间的绑定，并可以查看历史停车纪录，教师用户需要管理人员进行身份验证。

2.地图功能：该模块向所有用户开放，用户进入本系统可直接查看校园以及停车场地图，但只有拥有权限的用户才能查看具体停车情况。

3.车位导航：用户登录成功后，在地图上找到适合自己的停车位，可进行在线导航，方便用户到达准确停车位。

4.反向寻车：用户通过反向寻车功能可迅速找到自己的车辆，方便停车用户快速准确地找到原停车位置，大大节省了取车时间。

5.自动收费：本系统提供多种自助缴费方式，包括支付宝、微信、网银等。

6.数据统计：通过整合后台数据，可进行数据统计和数据分析，方便管理人员针对停车场当前情况提出意见和决策。

7.停车场设置：管理者可根据监测停车场实时情况对停车场进行相关设置，也能够实时开放或者关闭停车区域，并及时通知到需要停车的用户。

可以将功能主要根据三类用户分为：管理收费模块、设备用户模块和高级管理模块等三部分，停车定位系统功能详细模块如图4所示。

业务流程设计

对于车主用户，车辆需要进入校园时，通过车牌识别记录该车辆生成停车订单。车辆进入校园后，系统向用户手机推送附近停车场的信息（系统推送停车场的信息，不具体推荐停放车位，这样保证用户能有车位进行停车），停车场根据与用户距离的远近进行排序供用户选择进行导航路线规划（若该车辆没有绑定定位标签，系统在该推送后3分钟向手机推送提醒用户分享车辆停放位置的信息）。当用户将车辆停放在基站覆盖范围后，基站系统自动判断停放车位并上传数据，实现车位的自动占用和释放。车辆停放完成后，用户可以在手机上查看车辆停放的位置和订单详细信息，离开时，可使用反向寻车快速找到车辆，离开停车位后，基站系统自动将车位释放，用户可导航至校门收费处，通过车牌识别的手段，结束车辆订单完成缴费等操作。业务流程如图5所示。

图 5 业务流程设计示意

对于一般管理者，主要是在校门处管理车辆进出和校园内巡逻的管理人员，当车辆进出校门时，是通过车辆识别的手段实现车辆信息的记录，当管理人员在校园内发现违规停车时，可通过终端使用车牌识别快速找到车辆的停车记录，进行违规信息登记，并可以选择是否发送短信给用户（如不发短信，手机也会推送信息提醒用户）。而高级管理者则负责外访参会人员信息的录入、停车场信息管理和数据查看统计等。

在整个设计与实现中，UWB主要作为基站覆盖范围内的定位实现，车牌识别是车辆进出控制的手段，存在违规停放车辆时，也适用车牌识别的方式识别车牌号进行记录，两者相互补充。对于车位中无标签车辆或自行车乱停放的情况时，该方案的技术目前实现不了自动判别，在标签管理方案完善的情况下，实现校园内车辆全部携带标签是非常重要的。对于无标签车辆或自行车占用车位的情况，系统中提供了车位信息举报的功能，当用户发现本空闲却被占用的车位时，可举报给一般管理者，由校园巡逻人员进行管控，对于自行车占用车位的情况，则由巡逻人员及时清理，尽量避免此类情况发生。

区域地图模块设计

图 6 实际停车区域、信息采集系统和终端界面示意

通过对学校停车区域规划和分类，根据车位集中情况，共划分为24个小停车区域，共计933个车位，加上暂未纳入系统的217个地下车库车位，学校为教师及其他人员规划共计1150个车位。实际停车区域、信息采集系统和终端界面示意如图6所示。

标签发放与管理

UWB定位标签在使用时需要贴放于车辆前窗（同ETC一致），无论是教师用户还是外访参会人员，在使用标签时，标签必须与车辆一一对应。参会人员进出校门时系统会提醒管理者进行标签的发放与回收，而固定用户则不用考虑标签的回收。

在方案实施应用中，需要学校配合（项目建设运维的合作公司配合）对进入校园的车辆进行标签发放管理。由于工作时间内学校停放的车辆主要是教师用户和少量来访预约参会人员，这部分车辆和用户都基本上是固定和可控的，教师用户的车辆等信息在学校都有统一备案，学校与合作公司配合向该部分用户发放标签；对于来访预约参会人员进入学校，可要求需要提前登记，在进入学校时也可发放临时标签。对于标签发放与管理，能够保证在校车辆基本携带标签，对于管理者更在乎关注的是对固定用户和工作时间内对校园车辆的高效管理。

停车定位系统以智能化设备和完善的管理软件来简化人的劳动，具有操作简单、使用方便、功能先进等特点。用户可以在最短的时间进入或离开停车场，尽量减少人工的参与，从而提高停车场的管理水平，取得更高的经济效益和良好的社会效益。此外，还能提高管理的有效性、安全性、可靠性和停车场运行自动化程度，实现更快捷、移动化的车辆停车管理方式。本文在分析校园实际需求的基础上，为管理者设计开发了停车定位管理系统，对校园内部的停车区域进行了可视化实时动态显示。本文设计的系统是RTLS定位系统在校园中的应用，也是对UWB定位技术一种崭新的尝试，在未来，UWB定位技术将会广泛的应用在停车领域，特别是路侧停车场景。