基于智能传感器的共享车位系统

王 新，徐 源

(长沙理工大学 计算机与通信工程学院，长沙 410114)

城市化的进程导致私家车辆数量近几年来在各个地区快速增长.根据权威机构发布的统计数据，在我国一线城市中，汽车与停车位的数量比例为1.25，在二、三线城市该比例高达2.00，且根据相关机构估算，截至2020 年，我国停车位需求已达8 000 万个，缺口巨大，车位资源严重不足[1].实际上，车辆是一种使用频率极高的交通工具，其硬性停车需求无法回避，然而停车位的修建速度远赶不上私家车辆数量的增长速度.伴随着私家车辆数量的不断增加，出现了如停车难、交通堵塞和尾气排放过量等一系列的问题.

与发达国家相比，我国城市化进度较为滞后，停车困难的情况近些年才出现，对智能泊车系统的需求及其相关研究也相对迟缓[2].但伴随着我国共享经济的发展和人们消费观念的转变，共享观念[3]已深深扎根在人们的日常生活中，共享停车软件也层出不穷.随着物联网技术的快速发展和传感器设备智能化程度的进一步提高，作为嵌入式设备的核心器件，智能控制器的渗透率进一步提升，已从简单的家电、电动工具等应用向智慧硬件、汽车电子、智慧家居、智慧城市等一系列新兴领域扩展[5].

本文针对城市停车难的问题，以某私人小区为主要研究对象，设计并实现了一个基于智能传感器网络的共享停车系统.

1 整体设计方案

该共享车位系统以FPGA 控制器为核心，分为软件和硬件2 个部分.其中，硬件部分包括道闸控制模块、地锁控制模块、地磁检测模块、报警模块等，主要负责道闸、地锁和车位的管理；软件部分包括系统管理软件和客户端APP 软件，主要负责位置导航和附近的车位搜索.软、硬件通过移动网络进行信息的交互：急需停车的用户利用手机APP 导航至空闲停车位附近，其泊车需求信息经路由器传至设备端，通过FPGA 主控模块控制相关功能模块运作，直至完成车辆入库和出库等操作.系统总体设计框架如图1 所示.

图1 系统总体设计方案

2 系统主要功能模块

2.1 主控模块

本设计选取STORM IV_E6 FPGA 开发板作为主控模块.该模块主要包括FPGA 控制器、发光二极管、温度传感器、复位按键、蜂鸣器、UART串口、串行FLASH、VGA 接口、1602 和12864液晶接口、MAX485 接口、电机驱动接口等.

2.2 道闸控制模块

道闸也被称为挡车器，是停车场重要的组成部件，被广泛应用于公路收费站、停车场等地以管理车辆的进出[6].电动道闸既能利用无线遥控来操纵闸杆的升降，也能通过停车场管理系统实现自动控制.本设计利用无线通信模块发送控制信号至停车场的道闸控制器以控制其运作.在FPGA 核心开发板上，LED1 灯的亮和灭分别表示道闸的开启和关闭.

2.3 地锁控制模块

地锁是一种避免其他人占用自己停车位的机械设备.智能地锁作为一款可以被电脑、手机等远程控制的设备，解决了旧版地锁无法实现实时车位共享的弊端[7].本设计选用了具有无线通信功能的智能地锁，并将其固定在共享车位上.当地锁控制器接收到无线通信模块发出的入库指令后，便会响应并控制地锁降下，且延时10 s；若地锁控制器收到出库信号且地磁检测模块未检测到该车位被占，便会控制地锁升起.在模拟测试中，利用LED2 灯的亮和灭分别表示地锁的降下和升起.为了便于实验观察，地锁的升、降延时暂设为10 s，但在实际场景中，则可根据车库大小等设定合适的延时时长.

2.4 地磁检测模块

地磁传感器是一种基于电磁感应原理的微电子机械技术的新式传感器，其优点是体积小、重量轻、能耗低、测量精确度高等，且极易与计算机相连[8].利用地磁传感器检测停车位状态，不仅对路面破坏较小，也不易受环境因素的影响[9]，相较于其他检测方式更为精准.

本设计选用HMC1023 三轴地磁传感器.当地磁检测模块接收到车辆出库信息后，会即时检测当前车位上是否有非法占位的车辆，以避免地锁升起时对其造成损坏.在测试中，利用开发板上的KEY1 键来表示地磁传感器检测结果：当该按键被按下时，输出低电平，代表地磁检测模块检测到当前车位上有占位车辆.

2.5 车位报警模块

当用户进行出库扫码时，无线通信模块发出车辆出库信号，此时车位地锁即将升起，但为了避免因当前车位被非法占据而导致地锁升起时对车辆造成损坏，需要通过地磁检测模块及时检测当前车位状态并报警[10].本设计利用FPGA 开发板上的蜂鸣器来模拟报警功能.

2.6 无线传输模块

常用的无线收发芯片主要包括nRF 系列和CC2420.其中，nRF24L01 利用串口收发，能量消耗相对较低，且其信息传输速率较高，可达1 Mb/s[11].由于其数据传输只占据少部分通信信道，数据发生冲突的几率及通信功耗较低，且其外围电路所需的元器件较少，便于达到节点微型，所以本设计选用nRF24L01 无线传输模块.

3 硬件仿真结果分析

为保证系统可靠性，利用ModelSim 软件对道闸、地锁和报警模块进行了硬件时序仿真.其中输入信号rst_n 为复位信号；rece_init_done 为接收模块初始化成功信号；rece_data_done 为数据接收完成信号；rece_cmd_data_i 为所接收的数据内容；key_dc_i 为接收端按键KEY1，用来模拟道闸处的地磁检测结果(当有车辆出库时，按下该键，输出低电平，表示地磁检测发现当前车位上有车占位)；输出信号led1 为道闸模块状态；led2为地锁模块状态；beep_o 为报警器状态；rece_rdy_led 为接收模块初始化成功信号.

当车辆入库时，无线接收模块检测到车辆入库信号，即rece_cmd_data_i 值为000000001，道闸开启，led1 为高电平；当车辆离开道闸后，key_dc_i 由高电平变为低电平，道闸关闭，led1 变为低电平；当无线模块收到入库信号后会延时10 s，地锁自动降下，led2 变为高电平，如图2 所示.当车辆出库时，无线接收模块检测到车辆出库信号，即rece_cmd_data_i 值为00000010，若此时key_dc_i 为高电平(即当前车位上无车占位)，则地锁升起，led2 变为低电平，如图3 所示.

图2 车辆入库时序仿真

图3 车辆出库时序仿真

当车辆出库时，若key_dc_i 为低电平(即当前车位上有车非法占位)，则beep_o 由低电平变为高电平，报警器响起，如图4 所示.

图4 报警模块时序仿真

4 系统客户端APP 设计

客户端APP 使用HBuilderX 工具并采用uniapp 框架开发[12]，可以实现用户注册与登录、车位查询和导航等功能.该APP 通过获取在微信云服务器内所储存的空闲车位的位置信息，调用地图定位接口getInstance 对用户进行定位，并利用腾讯地图提供的URI API 唤醒地图小程序，实现用户定位、车位查询、导航等功能.其与云服务器的数据交互过程如图5 所示.

图5 APP 数据交互流程

5 系统测试与分析

在系统设计完成后，模拟实际应用场景，分别对其设备端和客户端进行了功能测试.

5.1 设备端测试

当系统正常运行时，要求道闸和地锁能及时响应中控设备指令并反馈自身状态；地磁检测模块能实时检测车位状态，并通过nRF24L01 无线传输模块与中控设备进行通信；各功能模块能稳定、协同工作，实现系统主要功能.

5.1.1 车辆入库

按下发送端开发板KEY1 键，模拟车辆入库，此时LED1 亮起，道闸开启，如图6 所示.按下接收端开发板KEY1 键，模拟车辆离开，道闸关闭，LED1 熄灭；延时10 s 后，LED2 亮起，地锁自动降下，车辆入库测试成功，如图7 所示.

图6 车辆入库道闸开启

图7 车辆入库道闸关闭

5.1.2 车辆出库

按下发送端开发板KEY2 键，模拟车辆出库，若地磁检测模块未检测到车辆(未按下接收端开发板KEY1 键)，则地锁升起，LED2 熄灭，如图8 所示.此时，若地磁检测模块检测到有车辆非法占位(按下接收端开发板KEY1 键)，则蜂鸣器报警；车辆出库完成，地锁降下，如图9 所示.

图8 车辆出库地锁升起

图9 车辆出库地锁降下

5.2 客户端测试

用户利用手机客户端APP 软件，能够完成注册、登录等常用功能，如图10(a)所示；在查询空闲车位时，与云服务器进行数据交互，及时发现附近车位并显示，如图10(b)所示；利用地图组件的定位功能锁定车位位置并导航，如图10(c)所示；到达停车位置后与云服务器进行通信，向无线通信模块发送相关信息，系统设备开始工作.

图10 客户端APP 测试界面

在网络畅通的情况下，对客户端进行了完整的功能测试，其用户注册、登录、车位查询、导航等功能均已成功实现，达到了预期目标.

6 结语

本研究针对实际案例，借助智能传感器和无线通信技术，给出了以FPGA 为控制核心的共享车位系统的解决方案.该系统采用无线数据传输手段，实现了主控单元对各主要功能模块的控制和多设备操作.基于HBuilderX 工具和uni-app框架开发的客户端软件，可以提供用户注册、登录、车位查询、导航等功能.硬件时序仿真和模拟场景测试结果表明，该系统能够稳定运行.