基于蓝牙识别的反向寻车系统

彭金栓，舒麟棹，刘 银，孙鹏程，朱浩铭，刘 珂

(重庆交通大学，交通运输学院，重庆 400074)

0 引 言

在大型地下停车场中，车主们时常会忘记自己爱车的停放位置，耗费半个小时甚至更多时间也未找到车辆的报道屡见不鲜，停车难、找车难日益成为制约我国大中城市经济发展的瓶颈[1-2]。单调的停车场环境、场内微弱的网络信号都是车主难以顺利找回爱车的阻碍[3]。樊勇等[4]开发了采用指纹识别技术的寻车系统，客户在整个停车及寻车的过程中只通过指纹进行定位或验证，摆脱其他辅助定位物品如停车卡、条码等的限制；刘译泽等[5]则提出了智能车库的理念，利用停车库内指示灯对进库车辆引导至停车位，确定车辆停车位置，寻车时再依靠寻车查询屏(器)帮助车主寻车；郭芝源等[6]利用二维码技术设计了停车场的反向寻车系统，通过3G/WiFi网络上传、下载停车位信息，完成反向寻车的引导；国外对于反向寻车技术方面的研究比较少，侧重于研究泊车时的微观巧为，其中最早的是W. YOUNG等[7]设计的PARKSM系统，最大的特点是能够借助手段模拟停车场内车辆寻找停车位的过程；而P. V. WAERDEN等[8]通过对爱因霍芬市相关停车场内驾驶员停车行为的统计研究，得出驾驶员停车位选择与停车位本身特点之间的联系。

以上研究成果主要存在两方面的缺陷：一是对硬件设备要求较高(如寻车查询屏)，停车场管理方所需安装成本较高；二是寻车系统需依赖于网络信号，不利于地下停车库等信号不稳定处使用。通过蓝牙设备将停车场进行区域划分，利用手机对停车场定位信号的识别能力(即蓝牙信号ID的识别)对停车场区域进行定位，并结合停车场地图完成寻车路径的规划，降低了停车场购买设备的成本，对车主的寻车体验也有了很大的提升。

1 反向寻车系统

反向寻车系统的设计主要由定位系统、路径规划两部分组成。在停车场内，通过对定位信号的合理布置，使每一个信号控制、管理一个特定区域，构成完整的定位系统，并以此为依据输出停车场区域分布图作为路径规划中的地图。系统识别的定位信号确认用户或停车位置，根据区域图及用户、车的相对位置，规划出一条有效的最短寻车路径。系统的运行流程图如图1。

图1 系统运行结构Fig. 1 Diagram of system operation structure

2 定位系统

本系统要求信号节点能长时间、持续正常工作，避免管理方频繁的维护；其次，本系统中的信号节点能被手机蓝牙检测到即可，无需承担其他复杂的工作。因此，可选择具有BLE技术的iBeacon设备作为系统中的信号节点。

2.1 定位原理

在停车场内安置的iBeacon设备，利用其BLE技术向周边发送自己特有的ID，手机扫描定位信号并加以识别，以确认车与人的位置。通过对设备的合理布置，完成区域的有效划分，保证停车场内所有停车位均被信号覆盖，且尽可能降低相邻信号间的干扰，确保系统正常运转。

2.2 区域划分方法

经过调研发现，大部分停车场布置型式均如图4，行车道两侧均布置有停车位，且车头朝向行车道：

图2 停车场部分示意Fig. 2 Diagram of partial park

基于停车位布置格局，对区域划分原则如下：

1)区域内的停车位均被至少一个、至多两个信号覆盖；

2)任一停车位能且仅能在一个区域内；

3)一个区域仅包含紧邻行车道两侧的停车位；

4)区域的形状呈矩形；

5)特殊位置如停车场角落、拐角处等，一个区域内的停车位可少于(不可多于)既定数量。

2.3 停车场划分模型

2.3.1 条件假设

1)iBeacon广播半径可根据需求进行调控；

2)用户具有基本的判断能力；

3)停车场布置大部分区域如说明文档中图2，即垂直式停车位，且行车道两侧各一排。

4)广播信号的传播范围呈圆形扩散，而区域的形状呈矩形，如图3：

图3 停车位区域Fig. 3 Area map of parking space

图4 iBeacon信号覆盖Fig. 4 iBeacon signal coverage

本系统中，要求每一个区域中所有的停车位都必须被该区域对应的定位信号所覆盖。其中，信号覆盖的认定条件为：停车位(包括上下列距各一半)投影在行车道边线上的线段(如图4中1号停车位虚线对应线段)完全被蓝牙信号覆盖。如图4中1号车位即被视为不在该图所示蓝牙信号覆盖范围内。

2.3.2 模型的建立

本系统涉及的相关参数定义如表1。

表1 参数定义Table 1 Definition of the parameters

1)iBeacon广播半径

本系统要求用户需在行车道上使用系统，即在行车道任何位置均能检测到至少一个信号。另外，相邻行车道信号间的影响较大，因此需避免其干扰，则对于iBeacon广播半径r的约束条件为

(1)

2)区域参数

由“信号覆盖条件”与“区域划分原则”可得出在给定iBeacon广播半径时，区域宽度a与r的关系：

(2)

其中，一个区域内的停车位个数为k=2(i+1)。

3)iBeacon位置

由于要求停车位范围内的行车道处处能被至少一个信号覆盖，因此，iBeacon设备的放置应保证相邻两信号的交点不能在行车道以内，则相邻两iBeacon设备的距离h为

(3)

其中，l为车道宽度，x为停车位与车道之距，y为同行相邻两停车位之距同，z为列相邻两停车位之距，m、n分别为停车位长度与宽度，单位均为cm。具体数据见表1。

4)模型求解

将表2中停车场内数据代入各约束中可得：

表2 参数取值Table 2 Value table of parameters

通过对停车场实地调查，我们随机选择50位车主作为调查对象。通过对车主讲解反向寻车原理，询问车主当变量k取多少时，车主最容易找到自己的车辆。其中38位车主选择了当i=4，即k=10，rmin=1 121，h=2 160时；8位车主选择了k=12，4位车主选择了k=8；此外，我们还咨询了相关专家，他们从经济成本和系统的最优化方面认为当k=10是比较合理的。为保证信号的检测效果，信号半径应略大于rmin，信号间距略小于h，因此，笔者对停车场的划分标准进行最终的确定：

i=4，k=10，r=1 200，h=2 100

2.3.3 停车位位置的确定

用户找到停车位并将车辆停止后，打开系统，选择“记住停车位”，用户根据停车场内区域指示牌在界面中选择区域名。当用户进行寻车时，系统根据对应地图对用户停车时选择的信号进行处理，将该信号代表的停车场区域以蓝色三角形展示在地图之中，如图5。

图5 停车位置示意Fig. 5 Sketch map of parking position

2.3.4 用户位置的确定

当用户处在单信号范围时，系统直接判断出用户所在区域即为该信号对应区域；当用户处在两区域交界处，系统检测到两个信号，如“2-6”、“2-7”。此时，系统自动将用户判定为处在区域号较大的位置，即“2-7”；当用户位置确定后，系统在地图中以蓝色矩形对该位置进行展示,如图6(a)；当系统判断出用户所在位置与停车位置处于相同区域时，系统在地图中以蓝色圆形覆盖原矩形,如图6(b)。

图6 用户位置示意Fig. 6 Sketch map of user location

3 线路规划

3.1 线路规划

停车场地图中，规定每列中两停车位之间的距离为a，每列行车道之间的距离为b。系统获取到停车位位置(x1,y1,z1)与用户位置(x2,y2,z2)后(x为所在楼层，y为所在列，z为所在行)。根据改进后的Dijkstra算法，只计算确定起点到确定终点的最短路径，即以用户位置为起点、停车位置为终点，规划出最短有效路径[9]，如图7。其中，路径仅由两两垂直或平行的线段组成。

图7 线路规划示意Fig. 7 Sketch map of path planning

由于各停车场内实际环境的限制，为保证系统规划路线的通达性，将默认停车位间不可穿过，即区域间不可横向穿越，车主只可沿行车道方向行走。系统在此基础上为车主提供最短寻车路线，保证车主依据该路线能以足够短的时间找到爱车，称该路线为“最短有效路线”。路径通过绘制有色线段在地图中显示，用户界面如图8。

图8 路线规划界面Fig. 8 Path planning interface

3.2 寻车导航

在用户寻找车辆的途中，系统将反复检测用户位置并进行记录、路线的绘制(以不同颜色绘制以区别于规划路径)如图9中矩形、图10中白色线段所示，以便于用户参考两条路线进行实际最佳路线的判断。参照规划路径与实际路线相互关系，以及对停车场内标识牌的利用，可实现无网络状态下的导航功能。

图9 寻车示意图Fig. 9 Sketch map of car searching

此外，用户根据自行行走路径寻车失败后，系统可重新规划新路径，并将原路线信息清除。

3.3 软件设计

利用MATLAB进行了系统运行模拟，以下为用户与所寻车辆位于停车场同一楼层时，系统规划寻车路径对应的部分代码。

if z1==z2 %(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)分别为用户、车辆坐标;

subplot(1,n3,z1)

if x1==x2

plot(x1,min(y1,y2):max(y1,y2),'k:o')

hold on

elseif x1～=x2

if y1+y2>2×n2+2

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plot(x2,y2:2×n2+3,'k:o')

hold on

plot(min(x1,x2):max(x1,x2),2×n2+3,'k:o')

hold on

plot(x1,y1:2×n2+3,'k:o')

hold on

else

plot(x2,1:y2,'k:o')

hold on

plot(min(x1,x2):max(x1,x2),1,'k:o')

hold on

plot(x1,1:y1,'k:o')

hold on

end

end

end

4 结 语

本系统将iBeacon信号范围与停车位区域相联系，通过对信号半径的设置避免了多信号的干扰，利用iBeacon广播ID的特点，对人、车所在位置进行区域定位。同时，系统作用于手机，用户能随时在手机上查看位置信息与规划路线，摆脱了“找车机”终端的束缚；随时随地的路线规划，也为用户提供了便利，符合时代发展潮流[10-11]。而利用iBeacon的BLE技术以及蓝牙的传输功能，在没有网络信号的停车场内，系统也能为用户提供便捷的服务，增强了本产品的实际运用价值与应用前景。

本设计在未来还可在以下几个方面进行发展：将定位信号的覆盖范围扩大至停车场所有区域，取消用户使用条件的限制；将定位信号与地图信号融为一体，使停车场的布置简单化；停车位置的确定从客户确定向系统自动判定发展，让用户只有在需要使用该系统寻车时才需打开软件，减少用户的操作步骤；增加停车时寻找空闲车位功能。