智慧校园停车系统设计与实现

摘要：针对校园内停车困难、车辆乱停等问题，本文提出了一种智慧校园停车系统。该系统主要利用智慧地锁、NBIoT、地磁感应、摄像头违停检测、数据可视化等技术，实时更新车位状态并提供车位导航与反向寻车等功能。此外，针对新能源充电柱，系统采用智能地锁并通过小程序实现远程控制，实时监控充电桩的使用情况。本项目不仅改造了普通地锁及地磁，并嵌入物联网NBIoT模组，将单个车位的硬件设备直接连接基站并对接物联网云平台，利用云端服务器进行身份信息统一管理，保障用户隐私安全。该系统将构建一个智能、高效、绿色的校园交通生态圈，为校园停车问题提供了一种新的解决方案。

关键词：物联网；地磁感应；NBIoT；YOLOv5；2.4G微波；M5311模块

文献标识码：A

1研究背景

随着汽车保有量的增加，校园停车问题变得尤为突出。传统的停车管理方式效率低、成本高，难以满足需求；新能源车充电需求和多校区管控也增加了管理的复杂性。为了应对这些挑战，智慧校园停车系统应运而生，运用智慧地锁、NBIoT、云平台、地磁、摄像头车位导航等技术，实现车位监测、车辆识别、导航及违停处理等功能，极大地提升了管理效率和便捷性。通过智能化手段，可以有效解决校园停车难问题，为师生提供更便利、安全的出行环境。

2系统架构及关键技术

2.1系统架构

智慧校园停车系统是由基于NBIoT远程遥控式升降地锁、物联网云平台、停车位服务器和个人终端组成，旨在提高用户在停车过程中的便捷性和体验感受。系统中的小程序采用的是WXML开发框架进行开发，提供了多项功能如查看空闲车位信息、身份绑定、反向寻车、预约充电桩等。智慧校园停车系统由多个子系统组成，包括数据可视化系统、违停车辆识别系统和车位引导系统等。

如图1所示，整个系统由感知层、网络层、应用层、用户层组成：

（1）感知层以基于NBIoT的停车节点作为核心单元。充分发挥了停车业务的小带宽特点，以及NBIoT覆盖增强的优势；基于NBIoT可远程实时监测三轴磁感地磁进行车位感应，以及摄像头进行识别车辆、车牌信息。

（2）网络层主要以运营商NBIoT网络作为传输通道，发挥NBIoT低速率、低功耗和覆盖增强的技术优势。

（3）应用层主要利用服务器的易管理性、可扩展性、可用性，对NBIoT停车节点的信息进行整合与设备管理。用户通过微信小程序向智慧校园停车系统提出服务申请，服务平台将控制指令发送至云端，云端通过NBIOT网络将指令发送给M5311模块控制锁臂升降地锁，为用户保留充电柱车位；还可通过微信小程序进行车位诱导，以及反向寻车等功能的使用。

（4）用户层主要基于微信小程序搭建用户应用软件，实现用户空闲停车位的查询、导航以及充电柱预约，反向寻车等操作，以及数据可视化大屏供物业进行停车数据查看与管理。

2.2关键技术

2.2.1地磁感应技术

基于NBIoT可远程实时监测三轴磁感地磁，能够实现对车位的实时检测。该技术采用NBIoT无线通信技术进行传输，具有功耗低和信号稳定的优点。

如图2所示，地磁外壳包括圆形凹槽底座07、圆形凹槽盖板、设备插槽盒08、盖板橡胶圈及固定螺丝，设备插槽盒08设于圆形凹槽底座07内，圆形凹槽盖板设于圆形凹槽底座07上，盖板橡胶圈设于圆形凹槽盖板内，固定螺丝设于圆形凹槽盖板07上。

地磁传感模块10包括磁场感应芯片、信号处理单元、信号传输单元，磁场感应芯片的输出端连接信号处理单元的输入端，信号处理单元的输出端连接信号传输单元的输入端，信号传输单元的输出端连接逻辑处理模块11。地磁传感模块10将信号传输给逻辑处理模块11进行处理，以保证将地磁场的信息转化为有用的数据和结果，为设备的精准定位提供了保障。

逻辑处理模块11包括数据处理芯片、数据传输单元、设备蜂鸣器13及供电电源09，地磁传感模块10的输出端连接数据处理芯片的输入端，数据处理芯片的输出端连接数据传输单元的输入端，数据传输单元的输出端连接NBloT通信模块12，数据处理芯片的输出端连接设备蜂鸣器13的输入端，供电电源09分别连接数据处理芯片、设备蜂鸣器13以及NBloT通信模块12。内外胆结构易于安装维护，供电电源09可更换，设备蜂鸣器13响起则表示设备启动成功，逻辑处理模块11将地磁传感模块10的数据进行数模转换。将数据对比后，磁场无偏移则表示无车，通过NBloT通信模块12将数据传输到云服务器处理后，通过HTTP协议将信号发送给客户端，以此进行反向诱导寻车。

2.2.2违停检测技术

基于YOLOv5算法实现的车辆违停检测技术，旨在解决监控视频场景下的车辆停留违规行为检测问题。通过集成卷积核运算以及非极大值抑制算法等技术进行算法优化，采用轻量级模型或模型压缩技术，采用更优化的IOULoss作为损失函数，提高了系统的检测能力和准确性。系统选择DS2CD1021FDIW1型号的摄像头和DS4000HC型号的视频采集压缩卡，配备高分辨率图像传感器和先进的图像处理技术，提供清晰、细节丰富的视频图像，并通过网络连接实现远程访问和监控，为用户提供便捷的远程监控功能。

在车辆的特征提取时，输入的图像会经过YOLO的CNN网络进行特征提取和分类，并产生候选框，用于目标检测。在这个过程中，CNN网络的主要流程如下：

（1）将输入图像处理成固定大小。首先，输入图像会经过归一化、尺寸调整等预处理操作，使得每张输入图像的大小都固定为相同的尺寸，方便算法处理。

（2）特征提取。接下来，CNN网络会对经过预处理的图像进行多层卷积操作，提取图像的特征。CNN网络提取的特征包括颜色、形状、纹理等多种信息。

（3）候选框产生。CNN网络处理过程中，会同时产生若干个候选框，每个候选框会包含一个概率值，表示该候选框内存在目标的概率大小。

（4）非极大值抑制。为了避免多个候选框同时预测同一个目标，需要使用非极大值抑制（NMS）进行优化筛选。具体来说，对于候选框中预测概率值较小或有较大重叠度的候选框，会进行去重操作，只保留其中一个。

（5）目标分类与定位。最后，经过NMS筛选之后的候选框会分别进行目标分类和定位。目标分类根据候选框中的特征判断其所属的类别，而目标定位则用于确定目标位置及其大小等信息。

在使用YOLO网络进行车辆违停检测时，IOU（IntersectionoverUnion）值通常被用于判断检测框和违停区域之间的位置关系。

首先，计算检测框和违停区域之间的交集（Intersection）的面积。其次，计算检测框和违停区域之间的并集（Union）的面积。再次，将两个步骤得到的结果代入IOU计算公式，即IOU=Intersection/Union，计算检测框和违停区域之间的IOU值。最后，将计算得到的IOU值与预设的阈值进行比较，如果IOU值大于或等于阈值，则认为检测框和违停区域存在一定的重叠部分，即违停区域被检测框所覆盖，则判断检测框内的车辆违停。如图3所示。

3系统功能及应用管理

3.1小程序应用

此小程序基于微信平台上的一种轻量级应用，它不需要下载和安装即可使用，用户可以直接在微信中搜索、打开和使用。这是让校园停车位资源得到有效运用，为校内停车用户搭建一个信息平台，解决停车难以及新能源车充电等问题而设计的一款软件。

3.2车位查看

通过NBIoT物联网络与地磁检测器相连接，实现对停车信息的传输。用户进入停车场前可以通过微信小程序浏览和查找校园内可用的停车位信息，以便选择空闲停车位进行泊车。

3.3车位诱导

用户在微信小程序中选择车位后，系统可以根据用户当前位置和停车场内车位信息，提供最优的停车路线和车位导航，帮助用户快速找到空余的车位。

3.4车辆入位

在停车位下方布置NBIoT通信技术的地磁车辆检测器，用来检测车位是否有车辆停入。如检测器上方有车辆占用，则通过NBIoT通信技术进行传输反馈至小程序页面中，显示本车位已占。

3.5预约充电桩

将新能源充电桩与智慧地锁进行一比一绑定，当拥有新能源车的用户在微信小程序上预约充电，系统会及时将预约信息反馈给用户，地锁上升，为其保留相应的充电桩资源。

3.6用户信息

提供绑定用户的个人信息功能，包括车牌录入、人脸录入及个人信息修改等功能，数据存储采用MySQL。为保障用户数据的安全性，对于关键数据如用户密码等，系统采用加密算法进行加密。此外，系统还设置了严格的访问控制机制，确保只有合法的用户或系统才能访问数据。在数据存储与访问控制等方面采取了一系列措施，保障了用户数据的安全可靠。

结语

智慧校园停车系统致力于解决广大教职工校园停车不便、新能源车充电桩不足、校园物业管理难的问题，以缓解交通问题作为开发思路，不断追求更便捷的用户体验。我们结合当今的领先技术，以用户停车体验为首要原则，设计并研发了一套智慧校园停车系统，针对数量极其庞大的校内有车一族，推出微信小程序，实现高效停车、预约充电等贴合用户需求，同时，为物业提供车辆违停系统，更好地提高优质的停车服务和智慧校园管理服务。智慧校园停车系统的推出为智能交通领域的发展带来了新的思路和方向，为广大用户畅享更加便捷、高效的停车服务开创了新时代。

参考文献：

［1］董玉荣，聂云峰.基于NBIoT的智慧停车系统研究与设计［J］.南昌航空大学学报（自然科学版），2017，31（3）：9599.

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［3］宋向前，吕卅，赵蓉.基于NBIoT和地磁传感器的车位检测模块设计［J］.中外企业家，2019（8）：133.

［4］王子，董辰煜，刘鹭，等.基于物联网的校园智能停车系统设计与实现［J］.中国新技术新产品，2021（4）：2527.

［5］张烁，黄钰泯，都秉甲.一种基于NBIoT的共享停车技术［J］.科技创新与应用，2020（23）：160161.

［6］杨思怡，付相祥，吴晓华，等.基于物联网NBIoT共享停车系统架构设计［J］.移动信息，2021（9）：179181.

基金项目：校级创客项目互享停—智慧校园停车系统

作者简介：李臻炀（2005—），男，汉族，广东揭阳人，本科在读，主要研究方向为云计算技术应用；杨思怡（2003—），女，汉族，广东深圳人，本科在读，主要研究方向为通信网络应用；缪华健（2003—），男，汉族，广东深圳人，本科在读，主要研究方向为软件工程。