智能泊車引導系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張璇 王哲 張思生 潘李凡 周強 曾虹

摘 要：隨著居民生活水平的提高，私家車的數(shù)量劇增，停車難的問題日益突出。針對當前停車難的問題，設計了一種基于無線傳感網(wǎng)絡的智能泊車引導系統(tǒng)。本項目采用無線射頻信號，實時檢測各停車場車位的使用情況，基于競爭調(diào)度的方式實現(xiàn)車輛有序泊車?；诙鄠鞲衅鲄f(xié)同作用的數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)通過Zigbee傳輸協(xié)議傳送到服務器端，服務器將數(shù)據(jù)傳送到客戶端。競爭機制采用預約、沖突檢測的方式；系統(tǒng)由傳感器檢測模塊、協(xié)調(diào)器、中央服務器以及智能設備終端構(gòu)成。系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控，智能調(diào)度的泊車引導。該文著重討論該方案的實現(xiàn)原理、關(guān)鍵技術(shù)等問題。

關(guān)鍵詞：多傳感器協(xié)同；Zigbee傳輸協(xié)議；智能調(diào)度；實時監(jiān)控

0 引言

隨著居民生活水平的提高，小轎車走進了千家萬戶。私家車數(shù)量的劇增帶來了巨大的交通壓力，尤其是在大城市，停車問題更為突出。城市停車問題關(guān)乎居民的切身利益，經(jīng)常無目的地到處亂轉(zhuǎn)尋找停車位無疑會增加交通壓力、降低人們的生活品質(zhì)。智能泊車引導系統(tǒng)的關(guān)鍵在于高精度、高穩(wěn)定度、低復雜性的車位信息檢測。很多學者對該問題進行了研究，并提出了一些解決的方案。其中，基于視頻技術(shù)的車位信息檢測裝置[1-2]能提供十分全面的信息，所以其應用范圍比較廣泛，但在物體遮擋的情況下會失效；基于GPRS的車位信息檢測[3-4]適用于無線控制，但其成本較高，不適宜大范圍使用；而由李毅[5]提出的基于紅外傳感模塊的車位信息檢測，具備較好的檢測效果，但紅外模塊卻易受環(huán)境的影響。

對此，本系統(tǒng)的智能泊車系統(tǒng)，采用多傳感器協(xié)同工作，其中包括紅外傳感器、超聲波傳感器。多傳感器的協(xié)同，既提高了檢測的精度，又減輕了其受環(huán)境影響的程度。在數(shù)據(jù)傳輸方面采用無線Zigbee傳輸協(xié)議，實現(xiàn)低功耗、短距離無線傳輸。通過基于預約、搶占、沖突檢測、輪詢的競爭調(diào)度機制，實現(xiàn)快速、高效、有序泊車，智能調(diào)度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)分為三部分，分別為停車位數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與控制以及數(shù)據(jù)可視化。停車場內(nèi)節(jié)點采集到的車位信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過一跳或多跳傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，通過GSM/GPRS接口以無線的方式接入Internet網(wǎng)絡，通過服務器端進行分析，最終將停車場車位的使用情況以人性化的形式展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

其中，在數(shù)據(jù)采集方面，主要包括停車位監(jiān)測節(jié)點設計以及停車位數(shù)據(jù)校正。在停車位節(jié)點上，采用紅外線測距傳感器模塊與超聲波傳感器測距模塊對數(shù)據(jù)進行初步的采集，MSP430微控制器模塊進行數(shù)據(jù)分析，在多傳感器協(xié)調(diào)作用下，得到一個較為精確的數(shù)據(jù)，通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

在數(shù)據(jù)傳輸上，采用Zigbee協(xié)議實現(xiàn)停車場內(nèi)數(shù)據(jù)無線傳輸后，協(xié)調(diào)器通過GSN/GPRS將數(shù)據(jù)傳輸至遠端服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲，數(shù)據(jù)的管理以及數(shù)據(jù)的訪問等功能。數(shù)據(jù)可視化為提供良好的用戶體驗，為其提供最近停車場空閑泊位信息，幫助用戶更快、更方便找到停車泊位。

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計上主要包括硬件和軟件兩大部分。硬件部分主要指停車位監(jiān)測節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點，軟件上主要實現(xiàn)最短路徑查找空閑停車泊位算法。

2.1 節(jié)點及網(wǎng)關(guān)設計

其中，在監(jiān)測節(jié)點設計方面，主要包括Zigbee無線節(jié)點模塊、紅外傳感器模塊、串口通信電路模塊組成。節(jié)點采用測量精度高，抗干擾性強，低功耗的紅外線傳感器。

在外形設計上，考慮到路邊停車位邊上均有略高于停車位的人行通道，此外再借鑒咪表的外形設計，本系統(tǒng)采用柱形防水材料，易布置，易維護。針對節(jié)點的能量消耗問題，模塊加入了低功耗監(jiān)聽管理，讓節(jié)點定時處于休眠狀態(tài)，降低了停車位監(jiān)測節(jié)點的功耗，延長工作周期。

除了設立終端節(jié)點外，還需設有網(wǎng)關(guān)節(jié)點，即協(xié)調(diào)器，該協(xié)調(diào)器負責收取一個大范圍區(qū)域內(nèi)的所有停車位節(jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器主要完成數(shù)據(jù)匯聚轉(zhuǎn)發(fā)?？紤]到GPRS網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、快速連接、永遠在線、按流量計費（在不發(fā)送字節(jié)時不收費）等特點，本系統(tǒng)選擇GPRS作為協(xié)調(diào)器和服務器的無線數(shù)據(jù)傳輸。

匯聚網(wǎng)關(guān)設計的關(guān)鍵問題是處理速度，嵌入式處理器采用了高性能的S3C6410芯片，主頻800MHz，內(nèi)存達到256MB，采用容量大小為256MB的FLASH，提高系統(tǒng)的處理速度和增大存儲節(jié)點的信息量。嵌入式外圍設備主要采用了以太網(wǎng)卡，WIFI模塊等，提供有線和無線的通信方式。外接Zigbee無線節(jié)點連接在網(wǎng)關(guān)I/O系統(tǒng)的USB接口上，其功能是作為所管轄區(qū)域內(nèi)所有無線停車位監(jiān)測節(jié)點的根節(jié)點，接收感知層發(fā)送的數(shù)據(jù)。

2.2 空閑泊位最短路徑查找算法

系統(tǒng)根據(jù)用戶當前位置，為其推薦最近最短空閑停車泊位，借助Dijkstra最短路徑算法為其進行路徑規(guī)劃，把公路地圖模型化為一個圖：結(jié)點表示路口，邊表示連接兩個路口的公路，邊的權(quán)值表示公路的長度。系統(tǒng)算法設計的目標是從起點出發(fā)找一條到達目標停車場的最短路徑。所以， 需要先對地圖上的用戶當前的位置、目標停車場和路徑進行處理，抽離出其所對應的有向加權(quán)圖G=（V，E）。在其上定義的加權(quán)函數(shù)w=E→R為從邊到實型權(quán)值的映射。路徑p=（v0，v1，···，vk）的權(quán)是指其組成邊的所有權(quán)值之和：

w（p）=w（vi-1，vi） （1）

定義u到v間最短路徑的權(quán)為：

δ（ν，v）=minw（p）：u→v 如果存在由u到v的通路

∞ 如果不存在 （2）

從結(jié)點u到結(jié)點v的最短路徑定義為權(quán)w（p）=δ（ν，v）的任何路徑。

3 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)采用多傳感器協(xié)同工作，其中包括紅外傳感器、超聲波傳感器。多傳感器的協(xié)同，既提高了檢測的精度，又減輕了其受環(huán)境影響的程度。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖中：包含相對排布的紅外傳感器和超聲波傳感器。還有負責控制桿升降所使用的舵機。圖3展示了最短路徑查找空閑停車泊位的路徑推薦結(jié)果。

圖2 單個車位硬件布置圖