智能停车系统的设计与实现

王良彬，丘昌鑫，李 佳

（广州新华学院FabLab创新中心，广东 东莞 523133）

随着科技的飞速发展和交通工具的普及，汽车作为人类社会中最主要的交通工具之一，起着重大作用。汽车数量的增长，使城市停车资源日益紧缺，机动车保有量与停车位供应量越发突出，停车难、乱停车、“一位难求”一直未得到有效解决。因此，停车难是急需解决的问题。据调查，在城市地区，30%的交通拥堵是由于司机为了找到一个停车位而造成的。在我国大城市停车位比例为1∶0.8,中小城市为1∶0.5，加上某些不文明停放现象，所以停车位供需缺口大、停车位空置率高问题并存。

传统无线智能停车管理系统，是在车位上安装监测器，采用两跳技术将车辆占用信息上报给运营商无线网络（车辆检测器通过ZigBee等短距传播技术将信息上报给汇聚网关，汇聚网关再通过2G/3G网络上报），然后通过停车管理平台进行智能管理。这种系统的缺点是无线通信采用非授权频段，私建无线局域网，存在信号干扰问题。汇聚网关覆盖范围有限，通常一个汇聚网关只能管理10～15个车位，需要大量架设网关，效率低下，设备成本及部署成本较高。

本文设计了一种基于NB-IoT（窄带物联网）[1]的智能停车系统，采用NB-IoT技术的车辆检测器直接将信息上报给运营商无线网络，具有覆盖广、连接多、成本低、功耗少和网络安全性高等特点，且不再需要汇聚网关。结合GPS进行车位的定位和智能车牌识别，再通过移动端进行车位信息展示和业务办理，形成高效智能停车系统。

1 智能停车系统总体设计

1.1 系统介绍

本文设计的智能停车系统由硬件和移动端组成，其中硬件以STM32L476超低功耗芯片作为系统的控制器，BC95-TE-B（NB-IoT）模块为车位锁的通信节点，将车位信息发送给NB-IoT基站，GPS模块进行精准定位车位位置和图像识别模块进行车牌的识别。系统运行流程如图1所示，NB-IoT模块将车位信息采集并实时地传送给后台云服务器，并在移动端中显示。用户通过移动端可以进行车位信息的查看和预约，并上传自己的车牌号码。系统将车智能导航到指定的车位，车到达车位后，通过图像识别模块进行车牌的识别，进行开锁并进行自动计费。

图1 系统运行流程

1.2 系统架构设计

本系统分为4层，自上而下分别由用户应用层、云端服务器层、NB-IoT通信层和智能监测终端层组成[2]，系统总体架构如图2所示。

图2 系统总体架构

用户应用层提供车位信息数据的显示、用户业务的办理以及车位的引导功能。云端服务器层分别为应用服务器和数据库服务器，数据库服务器接收自NBIoT通信发射站发送的车位信息数据并存储，通过应用服务器与应用进行数据连接。NB-IoT通信层为NBIoT通信基站，通过窄宽带通信技术连接服务器和监测终端，进行数据实时传输。智能监测终端层负责数据的收集，由STM32L476芯片、NB-IoT模块、GPS模块和图像识别模块进行数据检测和反馈。

2 硬件设计

2.1 STM32L476处理器

本系统采用STM32L476超低功耗芯片作为系统的控制器。STM32L476系列是基于高性能ARM Cortex-M4 32位RISC内核的超低功耗微控制器（MCU），具有高达80 MHz工作频率，还嵌入了高速存储器（闪存高达1 MB，SRAM高达128 KB），灵活的外接存储器控制器（FSMC）[3]，SPI闪存接口和各种增强的I/O，方便接入其他模块和使用。本系统使用时间比较长久，需要很低的功耗，为了满足系统低功耗[4-5]，同时对实时性要求很高（快速唤醒）的环境下，采用stop2模式，该模式下SRAM中的数据不会丢失，同时LSE，LSI时钟不会关闭，支持多种的唤醒方式（RTC唤醒，LPTIM唤醒和LPUART唤醒）。

2.2 NB-IoT通信模块

NB-IoT通信模块采用BC95-B5芯片进行通信，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接[6]，也被叫作低功耗广域网（LPWA）。NB-IoT支持待机时间长、功耗低、同时还能提供非常全面的蜂窝数据连接覆盖，一个扇区能够支持10万个连接，且支持低延时敏感度、超低的设备成本和低设备功耗[7]。BC95-B5使用电信运营商，使用CoAP协议[8]并通过电信IoT平台对接的方式接入，再通过HTTPS协议到达服务器端。使用AT+NBAND?指令查询当前模块的频段，本次测试使用电信模块，因此NBAND设置为5。使用AT+NCONFIG?将AUTOCONNECT和R_0354_0338_SCRAMBLING设置为TRUE开启自动注网模式和查看扰码功能是不是和基站对应上。该模块唤醒NB-IoT通信模块并收发数据部分控制代码如下：

voidInit_Key_GPIO（void）

{

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_AHBPeriphClockCmd（RCC_AHBPeriph_GPIOA|RCC_AHBPeriph_GPIOC，ENABLE）;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=KEY2_PIN|KE Y3_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Spe ed_2MHz;

GPIO_Init（KEY2_3_PORT，&GPIO_InitStructure）;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=KEY1_PIN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_2MHz;

GPIO_Init（KEY1_PORT，&GPIO_InitStructure）;

}

2.3 定位模块

定位模块采用Air530定位模块[5，9-10]，Air530模块是一款高性能、高集成度的多模卫星定位导航模块。体积小、功耗低，可用于车载导航、智能穿戴和无人机等GNSS定位的应用中。模块支持GPS/Beidou/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。采用了射频基带一体化设计，集成了DC/DC、LDO、LNA、射频前端、基带处理、32位RISC CPU、RAM、FLASH存储、RTC和电源管理等功能。采用NMEA0183数字协议[11]，提供超高的性能，即使在弱信号的地方，也能快速、准确定位。Air530管脚图如图3所示，RXD串口和TXD串口分别连接STM32L476的PA2和PA3串口进行数据的输入和输出GPS NMEA格式定位数据。

图3 Air530管脚图

2.4 车牌识别模组

车牌识别模组[12]采用OV7670摄像头模块和边缘检测算法[13]进行车牌的识别。当车抵达指定的车位时，OV7670摄像头模组启动进行车牌的拍照，并上传。后台应用进行对照片车牌的定位，字符分割和字符识别等关键技术，识别出的车牌和上传车牌进行对比，判断是否开锁。车牌识别流程如图4所示，根据顶帽变换和底帽变换公式（1）方法来增强图片对比度。

图4 车牌识别流程

式中：enhanced（g）表示对比度增强后的图像；g表示源图像；Tophat（g）表示对g的顶帽变换；Bothat（g）表示对g的底帽变换。

进一步采用Sobel算子对图像作水平差分，以求取垂直边缘，加上了高斯平滑和二值化操作。对图像识别精度大大提高。边缘检测部分代码如下。

I1=rgb2gray（I）;

I2=edge（I1，'sobel'，0.15，'both'）;

se=[1;1;1];

I3=imerode（I2，se）;

se=strel（'rectangle'，[25，25]）;

I4=imclose（I3，se）;

I5=bwareaopen（I4，2000）;

[y，x，z]=size（I5）;

myI=double（I5）;

tic

Blue_y=zeros（y，1）;

for i=1：y

for j=1：x

if（myI（i，j，1）==1）

Blue_y（i，1）=Blue_y（i，1）+1

end end end

3 软件设计与实现

软件设计功能如图5所示，软件设计包括Web服务器和微信小程序2部分。Web服务器是针对管理员而开发的，方便管理者查看停车信息和小程序用户反馈的信息。管理者通过平台可以修改机器的使用时间，查看设备的情况并进行维修，使智能停车系统更加简便和友好。

图5 软件设计功能

移动客户端采用微信小程序来开发[14]，因为微信已经成为人们每日必会打开的APP，用户量巨大，且小程序开发成本低，开发周期短，有效节约开发时间、人力成本和功能成本等，非常适合本系统软件的开发。用户可以通过小程序注册登录，登录页面可进行停车车辆信息的查看，车位停放地点，自己车位约定的信息以及停车费结算。进入查找停车位界面，用户输入停车地点，系统查询是否有车位，显示车位的信息，点击车位进行预约，输入车牌号码进行预约。用户可点击车位导航页面进行导航到预约的车位。注册登录页面和预约页面如图6所示。

图6 小程序注册登录及预约页面

4 实验结果分析

智能停车系统最终能够实现硬件监测系统获取车位的定位、状态和时间信息，提交给数据库。小程序可以显示车位的信息和进行业务的办理，进行导航到指定的车位，监测硬件进行车牌识别，进行车位的解锁并计算时间。小程序可结算停车费。智能停车系统最终通过小程序实现智能停车，提高停车的效率。

在车牌识别测试中，提供车辆车牌照片进行识别，识别原车牌照片如图7（a）所示，识别结果如图7（b）所示。通过测试，识别的不同车牌识别测试数据见表1。

表1 不同车牌识别测试

图7 原车牌照片及识别结果图

5 结论

本文设计并利用STM32L476超低功耗芯片、NBIoT模块、Air530定位模块、车牌识别模组和小程序实现了智能停车系统。可通过小程序对车位信息和定位进行查看，选中车位输入车牌号进行预约，规划路线导航至车位进行识别开锁。通过小程序查看停车时间和费用并支付，实现找车位、精准导航和支付一体化。本系统的设计，使车主快速找到停车位，降低寻找车位的时间，减少城市道路拥堵，提高城市空车位的利用率。