智能停车系统的设计及实现研究

摘要：为进一步解决“停车难”的现实问题，围绕一种实用智能停车管理系统的主要功能及系统构架，结合智能停车的实际过程，从全局考虑把智能停车场停车诱导系统、车位预定、不规范停车监测等系统综合起来，实现以最佳方式共同开发一个比较完善的体系，以期为智能停车系统的实际应用提供必要的理论指导。

关键词：智能停车系统；系统设计；系统监测

中图分类号：U462 收稿日期：2023-05-18

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.023

1 系统整体架构设计

近年来，随着各地机动车保有量的进一步提升，“停车难”的问题也愈发凸显。本文通过对相关停车场管理方和部分机动车驾驶人的调研，确定智能停车系统的工作重点需解决以下几方面的问题：a.该系统应当与地图导航和实时交通路况等应用程序相关联，扩大信息覆盖范围；b.应当实现车位预订功能，从数据库中找到此车位的最短路径以及相关交叉口的指示信息，引导驾驶员到达该目标车位，此时释放车位锁，避免出现以往的车位占用等问题；c.系统应当能够对停车不规范问题进行有效监控识别和提示，以解决停车不规范带来的交通拥堵问题[1-2]。

基于以上需求，确定本次智能停车系统的整体架构如图1所示。该系统采用四层架构设计，自上而下分别为用户应用层、云端服务器层、通信层和智能监测终端层。其中，用户应用层主要通过移动终端显示车位信息数据，并向用户提供停车业务办理。云端服务器层主要用于接收和存储车位信息数据，并与用户应用层进行数据对接。通信层采用NB-IoT通信模块，通过物联网技术建立服务器和移动终端之间的连接，实现数据信息的传输。终端层则负责数据收集，通过STM32芯片、GPS模块和图像识别等，进行数据的检测与反馈。

2 停车诱导系统功能模块设计

为提升停车诱导系统的覆盖范围，使之与地图导航、实时交通等应用程序相关联，本次以“车路协同”的理念入手，对停车诱导系统的信息架构进行设计，参考已有研究资料，本次设计工作中，确定在该信息架构下，停车场实体拥有ID、经度、纬度、类型、总车位数、收费和所属聚类等属性，以用于计算停车场的初始服务能力与空间关系。此外，停车场实体还拥有包括可用车位数、采集时间属性的采集数据实体，以用于对缺失的停车场可用车位数据进行修复与各停车场实时服务能力的量化。同时，道路实体则包括地图网站上的坐标信息、道路类型、几何形状等属性。基于这些内容，本次应用PostgreSQL数据库，分别设计停车场静态信息表、停车场动态信息表与道路信息表，将其与服务器相对接，以实现停车诱导系统的拓展。该功能模块的结构如图2所示。

为进一步提升停车诱导系统的决策能力，本次研究将停车系统及其相关路网作为一个整体进行分析，因其涉及多个关系复杂的物理实体，故采用基于复杂网络的系统拓扑结构进行建模，并使用吸引力模型对拓扑结构中各个节点之间的连接权重进行评估，该连接权重值决定行驶路线，即行驶路线始终按照连接权重值最高的路径进行，以确保到达停车位的路径始终为最短。

参考上述内容，该拓扑结构采用有向加权网络模型进行设计，并应用Infomap社区发现算法对系统中的节点进行聚类。在聚类过程中，首先采集一段车辆在路网上的随机行进轨迹，假设车辆从节点j出发，则根据其转移概率选择下一节点i，重复此方式选择下一节点即可得到一段随机游走轨迹。其次，在得到随机游走轨迹后，按照随机游走轨迹中各节点被访问的频数为顺序，依次尝试将每个节点赋给相邻节点所在的子网络，如果对应的平均每步编码长度均没有下降，则该节点所属的子网络不变，否则将该节点赋给平均每步编码长度下降最大的子网络。重复该步骤直到平均每步编码长度无法继续优化为止，此时即可将驾驶人的规划行进路径压缩至最低水平[3]。

3 车位预订功能模块的设计

为解决停车位被随意占据的情况，本次设计基于“车位预订”的理念，对停车场预订导引功能进行设计。

a.设计智能车位导引的硬件部分，在硬件部分设计中，其整体思路如下：在停车场内部铺设若干个车位信息集线器，以及每个车位铺设磁阻传感器，同时停车场过道每隔６～８ m铺设一块磁阻传感器。每个车位信息集线器控制14个车位处和过道处磁阻传感器进行磁通量数据的采集。车位信息集线器连接485数传电台。在停车场主控室内放置一块车位信息集总器，车位信息集总器一端连接485数传电台，接收集线器传输的数据，另一端通过RS232串口与停车场服务器通信[4]。

b.对智能车位导引的软件部分进行设计。结合实际需要，智能车位导引的软件部分主要分为两部分，分别为应用在单片机和ARM芯片中的嵌入式软件和使用C#语言在Visual Studio 2019平台下编写停车场服务器中的云端数据提交软件。嵌入式软件主要是以C语言为开发环境，在keil μVision4平台下编写。运行于车位信息集线器和车位信息集总器中，主要负责数据采集、处理以及通信。基于此，一方面，设计人员通过keil μVision4软件并使用C语言编写嵌入式程序，程序内容则包括单片机传感器采集函数、单片机采集数据处理函数、串口初始化函数、串口发送程序等部分。另一方面，设计人员应用C#语言对数据提交环节进行设计，包括应用MSComm通信控件编写串口通信程序等内容，实现数据提交的需要[5]。

c.为确保车位的高效率利用，在已有的设计基础上进一步增设基于共享理念的车位预订控制策略。该功能以随机动态规划模型为基础加以进行，并采用PRBD-D模型进行设计，该模型的算法步骤如下：①对参数进行初始化处理，包括预定周期、服务周期、预订到达率、临时需求到达率、临时供给到达率和合同供给；②放松整数约束条件，对PRBD-D模型进行求解，得到初始的最优解，并对其进行取整数操作；③当预定周期t所对应的预定状态为X时，参考已设置的参数的边界条件，进行迭代计算，实现对初始最优解的更新，直至满足实际需要为止。

d.为避免其他车辆对预定车位的占用，针对智能地锁进行设计。参考已有研究文献，智能地锁硬件设计方面主要包括5个部分，分别为MCU模块、NB模块、蓝牙模块、外部传感器模块和电机驱动模块。

基于该模块的连接架构在运行过程中，当停车场管理系统接收到驾驶人APP端传输的信息后，将信息传输至NB模块当中，再由NB模块通过IoT通信模式将信息传输至MCU。MCU接收到指令后，向电机驱动模块发出指令，实现电机驱动模块的正转或反转，以实现地锁的开关[6]。

4 不规范停车识别功能设计

a.车牌识别模组的设计。硬件部分采用OV7670摄像头模块，对车辆的车牌信息进行拍摄和信息上传，软件部分则采用边缘检测算法，应用摄像头获取的信息进行识别。在这一过程中，为兼顾地下停车场光线不足，根据顶帽变换和底帽变换公式来增强图片的对比度，获得对比度增强后的图像enhanced（g），公式如下：

在此基础上，进一步采用Sobel算子，面向对比度增强后的图像进行水平差分处理，加上高斯平滑和二值化操作，以提高图像的识别精度。

b.对车辆是否准确入位进行检测，采用Retinanet作为基础算法，并应用其中的backbone和anchor两类函数对检测数据进行优化，同时应用CIoU作为损失函数，由此得到该算法的公式如下：

式中，IoU表示交并比，指产生的候选框与原标记框的交叠率（亦可称之为二者的交集与并集的比值）；RCIoU表示CIoU损失函数的惩罚项；fCIoU表示CIoU损失函数的损失值；α表示正向的权衡参数；ρ2为欧式距离；v为测量横纵比的一致性；c为车辆检测框的对角线长度；B为检测的目标边界框尺寸；wide和h分别表示目标边界框架的宽度和高度；上标gt则表示真实标注的目标边界框。

根据该算法流程，使用C语言编写检测算法并存入系统服务器中完成该功能模块的设计。

5 用户端应用程序设计

在本次系统设计工作中，用户端应用程序主要分为三个模块，分别为车辆位置信息与采集到的停车场信息上传、停车场信息服务以及停车引导服务。其中信息上传模块位于应用后台，驾驶人可通过用户端应用程序界面发出相应指令，进行功能模块的选取。具体设计则分为以下三个部分：

a.车辆位置信息与采集到的停车场信息上传部分的设计。在该部分的设计工作中，其主要通过XML文档形式对相关信息进行上传。

b.停车场信息服务部分，该部分主要通过调用地图类软件的数据接口加以实现。

c.停车引导服务部分，其主要通过地图数据的要素服务与网络分析服务加以实现，并通过超链接的方式，将相关信息共享到用户端应用程序。

基于以上几个部分，采用基于Android平台开发APP，并编写相应代码实现用户信息注册、车牌绑定、目的地车位信息查询、导航、移动支付等功能。其中，导航功能引用了某地图APP的API函数，移动支付功能引用了当前常用支付软件的支付接口API函数，以实现应用环节的快捷化与智能化。

6 模拟应用测试

在本次智能停车系统应用完成后，为初步测试其应用效果，对其主要功能指标进行测试，并引入传统模式下的智能停车系统进行对比，主要测试指标及结果如表1所示。

根据表1中的数据对比结果可知，本次设计的智能停车系统在各项主要测试指标方面均具备优势，表明该系统的设计工作取得初步成功。

7 结语

整体来看，在本次研究工作中，从全局考虑把智能停车场停车诱导系统、车位预定、不规范停车监测等系统综合起来，实现以最佳方式共同开发一个比较完善的体系，以此实现智能停车系统的设计与实现。从初步测试分析可知，由于各个系统功能模块的优势得到了充分整合，因此其在解决停车问题方面也将发挥出更高优势，其具体应用效果则需要在后续的工作中逐步予以验证。

参考文献：

[1]李济平.基于区块链的智能停车系统设计与开发[D].南京：南京邮电大学，2022.

[2]孔德财，崔杰，汤怡，等.智能停车系统研究综述[J].物流工程与管理，2022，44（09）：109-111+108.

[3]王良彬，丘昌鑫，李佳.智能停车系统的设计与实现[J].科技创新与应用，2022，12（23）：44-48.

[4]张海龙.基于RFID技术的城市联网智能停车系统设计和实现[J].信息记录材料，2022，23（6）：240-242.

[5]胡宝玲，甄力，孙伟.智慧城市背景下基于动态资源分配的智能停车系统研究[J].信息与电脑（理论版），2022，34（4）：4-6.

[6]翟维，肖军，郭远超，等.基于RFID和WSN的新型物联网智能停车系统[J].微型电脑应用，2022，38（1）：27-29.

作者简介：

孙伟，女，1978年生，讲师，研究方向为电子、智能产品及自动控制。