一種基于Wi-Fi的智能泊車及找回系統(tǒng)的研究與實現

云南大學附屬中學高二（5班）劉星宇

輔導老師：張長勝

該項目榮獲第32屆云南省青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎

相信很多開車的人都有這樣的苦惱，每次到一個新的大型商業(yè)區(qū)地下停車場時，總面臨找車位→找樓層→找回愛車→找出口……不停繞圈、出錯，浪費時間和精力，繞半天好不容易停好車了，可怎么去到要去的A、B、C、D或者E座呢？又得轉，又得問人！那么，我們是否可以基于互聯網+在社會經濟活動中的運用，從降低建設成本、實現多方面的功能、提供用戶舒適體驗著手，解決地下停車場停車麻煩的實際問題呢？

如今，智能手機幾乎已成了每個人的隨身物品，APP應用也無處不在。但我不僅在網上沒有發(fā)現，就連詢問了國內多處停車場管理人員乃至經常出國的親朋，也沒有發(fā)現能完整有效解決停車難的方案。

雖然檢索到了許多種解決實例或思路，但要么只解決了一個或兩個環(huán)節(jié)，要么使用不方便，有實用性的也是造價高昂。知識、生活經驗和對信息技術的愛好，使我感到只要解決了關鍵的移動定位問題，前述的問題都可以迎刃而解。在指導老師的支持下，我開始了研究之旅。

本項目也設想了未來的一些擴展運用。比如把整個城市定義為一個大型停車場，為人們外出辦事尋找最方便的停車位；將來自動駕駛技術成熟后，可以為車輛指引停車位，從而解決車找空位、空位等車的兩難問題，一定程度上也能緩解停車難的現象。

啟發(fā)

1.顧客的需要：解決顧客停車、找車、找出口的麻煩，就是商場獲取顧客芳心的鑰匙！

2.商場招攬客戶的本能：大型商場為什么花那么大的代價來指引停車，但卻沒有有效地解決找停車位的問題呢？

3.冰火兩重天：通過對許多大型商業(yè)區(qū)的實地調研，發(fā)現典型的案例就是景洪的大潤發(fā)和一街對面的沃爾瑪。大潤發(fā)的停車場就像一個“非”字，易進出；而沃爾瑪的地下停車場就像迷宮一樣，親朋反映進去后要出來非得出一身大汗！結果就是，大潤發(fā)生意興隆，沃爾瑪超市半死不活！

調查

我在“泊車及找回”這個關鍵字下，為了盡可能全面地了解已有的方法及解決方案，擴展運用了這些搜索關鍵字：泊車找回、找回泊車、定位、Wi-Fi定位、泊車、停車、導航、找車位、泊車導航、泊車指引、停車指引。

用一些搜索引擎搜索后，我向老師、親朋請教咨詢，在實際已經有的停車場運用模式、理論上的系統(tǒng)解決方案或局部解決實踐及研究等可能相似的方面作了大量查詢，并且經過專利代理公司在中國專利網作了專業(yè)檢索，結果大致有以下五類：

1.車位探測指引模式（偏于泊車）。這是當前以昆明王府井、萬達廣場等為代表的運用最廣泛的解決方案，它通過在出入口自動識別車牌照計時收費，在停車場架設空車及停車探測指示系統(tǒng)指引停車，特點有以下4點：

（1）在整個停車場敷設吊頂橋架布置電源線、信號線，關鍵技核心術是在每個車位的正上方安裝距離探測器（用超聲波或紅外線），車位前方廊道上空設置紅綠燈（空閑時為綠燈）。如果有車輛停入，則探測到距離小于預設值并觸發(fā)信號輸出，該信號通過信號線傳送變綠燈為紅燈，表示該處無車位。

（2）效果很有限，只減少了司機眼前十幾米或幾十米的查找動作。

（3）可能只解決了司機全環(huán)節(jié)需求的約10%的問題。

（4）工程及設備投資巨大，管理維護困難（高架作業(yè)）。

2.顯示器指引模式（偏于找回）。在停車場墻上安裝若干個顯示器（帶讀卡器），車輛入場后領取一張IC卡，停好車后就近找個顯示器刷卡以記錄大概停車位置；返回時則可以在任一屏幕處刷卡以顯示車輛位置導航圖。

3.PARKING+系統(tǒng)。這個系統(tǒng)國外用得比較多，它的定位技術基于GPS，用途限于找回車輛，特點主要有以下3點：

（1）要求車輛必須有GPS定位系統(tǒng)并開啟。

（2）適用于露天停車場，室內或地下停車場不行。

（3）誤差很大（10米以上）。

4.無線通訊技術（Zigbee）手持顯示器定位模式（偏于泊車）。需要在停車場內安裝許多的信號發(fā)射源并建立車位數據庫系統(tǒng)，車輛入場后管理員要給每車發(fā)一臺信號機用閃爍亮點顯示車頭與空車位兩者間距離遠近關系，出場時要把信號機交回去，它的主要特點如下：

（1）定位極精確，可以達到厘米級別。

（2）局部方便停車指引，但沒有其他功能。

（3）功能擴展性差，未見實際商業(yè)運用。

（4）使用、管理不便，系統(tǒng)造價昂貴。

5.其他基于WiFi、GPS、藍牙的文獻基本均只限于定位精度的理論探討。

思路

我們經常用到的導航，無處不在的路由器，還有涉及我們生活中方方面面的手機APP，都啟發(fā)了我的研究思路。高德導航的基本原理告訴我們，只要能確定我和“它”的準確位置，就能給你提供導航路徑指引。而車位是固定的，所以，只要能確定車的位置，上面的一系列指引（導航）難題不就都可以解決了嗎？！

目前我們手機上的定位功能可以運用的就是GPS、藍牙、Wi-Fi。經過多方比較各信號系統(tǒng)的定位精度、目的功能要求、系統(tǒng)配套組成設備，在權衡兼顧APP開發(fā)運用的廣泛性、硬件系統(tǒng)及建設成本、軟件編寫難度等關鍵方面后，認為基于Wi-Fi方向的解決思路最具可行性。

而Wi-Fi的固有弱點是信號傳播距離短，一般也就幾十米；且運用Wi-Fi信號定位的精度一般也就在3～4米。有專家質疑并很專業(yè)地指出其致命問題：

第一、Wi-Fi傳播距離短。GPS為什么能定位？為什么要幾十顆衛(wèi)星？反過來看，一顆衛(wèi)星再怎么也沒法準確定位。所以，我用多個路由器組成陣列。

第二、干擾大。這也是困擾了我很久的、最頭痛的問題，并且早就深有體會：家里6M的寬帶用Wi-Fi玩游戲時常卡得我很憤怒，但用網線接路由器時就非常快！在查找問題原因的過程中，Wi-Fi分析儀，讓我大吃一驚，幾乎所有信道都密密麻麻有網絡！從而得知這是同頻干擾的結果。但是，我細細查看Wi-Fi分析儀的服務集標識（SSID）接入點列表后發(fā)現，雖然信道圖被占滿了，可SSID的值依然能顯示出來。而我設想的熱點（無線訪問接入點俗稱熱點）陣列本來就只是用來作定位的（只是為了節(jié)省成本而兼顧通訊）。打個形象的比方，就像一個大房間里很多人同時講話，雖沒法聽清內容，但聲音大小是感覺得出來的。聲音大小與接收信號強度（RSSI）不就是同樣的道理嗎！

經過向專家求教，我從理論上弄清楚了手機用的是1700Mhz至2500Mhz高頻波段，用調頻方式傳輸數據，發(fā)生干擾時數據會被破壞，但載波的振幅（信號強度）基本沒什么影響。再進一步設想，我只要把空車位坐標及導航路徑在車輛進入之前就發(fā)到手機上，后面的干擾對我的RSSI掃描計算就無法生產影響。初步調查了一些商場后，證實停車場入口處SSID基本都很弱或沒有。也就是說，安裝在這里的用于通訊的路由器基本不受干擾的影響。

第三、精度差。3～4米的定位精度，確實很可能把左手邊的空車位誤指到右手邊。但是這對要找空車位的司機來說不是個大問題。況且，還可以想辦法修正誤差再提高精度。有的文獻介紹就用指數模型把精度誤差調到了2米以下。

本項目的核心是“指引”，換句話說是指示“方向”，精度相對而言變成了次要問題。出于定位技術而又不拘泥于定位，或許就是許多設計者的思維盲區(qū)。

第四、如何指引司機。我在搜索查詢過程中了解到，很多系統(tǒng)研究或設計者共有的一個思路就是要發(fā)一張磁卡、IC卡或者某種手持設備給車輛。這當然也很合理，否則，缺乏一個紐帶，停車場方沒法與駕車司機發(fā)生關系。

在我前期構想如何解決的過程中，同樣也曾經陷在如何構建那個“紐帶”的漩渦里很久。但就像凱庫勒發(fā)現苯環(huán)那樣突然靈光一閃，司機的智能手機不就是那個紐帶——既能定位又能指引的設備嗎！？

圖1

圖2

理論模型

1.移動中的車輛（手機）定位方法的簡要說明

（1）RSSI（Received Signal Strength Indication），即接收的信號強度指示，表示手機掃描到的路由器（AP）Wi-Fi信號強度，它與手機和路由器之間的距離L存在數學關系。

（2）根據手機檢測到的固定Wi-Fi信號源的RSSI值，代入相應公式得到終端與信號源之間的距離，得出該終端在此時刻的位置。經實際測量，在空曠場地環(huán)境下，單一信號源時測距精度在RSSI不小于-75DB距離內誤差不大于4米，即表示實際距離處于圖1所示的圓環(huán)內。

（3）測出與三個固定信號源的距離后，實際位置必然就處于三個圓環(huán)相交的區(qū)域內，見圖2。該區(qū)域的最大值可近似為邊長為4米的正方形。根據同向誤差原則，待測位置應該位于正方形中心。用這個三角定位方法校正后位置理論精度誤差約2米。

（4）本定位方法運用于停車場泊車導航時，關鍵的作用在于指示車輛選擇方向，2米的精度已足夠標示車輛前進方向的路徑及目的停車位。

2.系統(tǒng)工作條件

（1）固 定Wi-Fi路由器信號源陣列中兩兩AP之間距離小于40米，目的是為保證待測點信號強度。

（2）每相鄰三個路由器空間位置垂直投影為等邊三角形。

（3）根 據RSSI計算距離。

3.誤差處理

（1）單位時間采樣周期RSSI誤差校正。由于某一空間點測得的每秒RSSI值存在波動，因此，要進行多次采樣后求取平均值。每次時間周期開始，掃描Wi-Fi信號源，從得到的列表（按強度降序排列）中取前4個信號源的RSSI值分別記錄，重復操作直到本次周期結束。去掉波動幅度最大、最小的數據后取算術平均值，根據這個值來計算距離。

（2）二次三角定位及交叉同向誤差校正。上述4個信號源每3個一組組合，用三角測距定位法得出中心位置坐標，共得到4個點坐標；以該4個點中最大距離的兩點為直徑畫圓，圓心坐標就是定位值。將得到的值連續(xù)記錄成為車輛（智能手機）的運動軌跡。

4.復雜電磁環(huán)境下的RSSI指紋庫參照車輛軌跡修正

在系統(tǒng)建立時，預先準確測量自停車場入口起，車輛行進軌跡的每一點（以米為單位）相關AP信號源的RSSI值作為指紋庫。APP運行時載入該指紋庫，智能手機（車輛）移動時用測得的RSSI值的對照指紋庫修正自己的定位數據及運動軌跡數據。修正程序還可以具有一定的智能算法，如推測、估計、倒回。

5.電子地圖

通過錄音建立語音提示文件，只需要三句話：請直走、請左轉、請右轉；發(fā)生異常時用一句話：請重新導航。加入電子地圖這個要素，更多的是為了顯得生動、形象。

6.AP陣列

AP陣列設計同樣根據GPS衛(wèi)星在地球上空的分布規(guī)律，所不同的是我把運動者和靜止者的角色倒了過來：在某個定位的瞬間，可以想象為衛(wèi)星是不動的，那衛(wèi)星就有個空間坐標（經緯度）。同樣的，路由器也需要坐標，可以用來定位移動中的車輛（智能手機）。

直角坐標系對位置的定義及計算在編程時會有很大的簡化作用，因此，我設計了整個停車場位于直角坐標系的方法，這樣AP的坐標對定位計算就簡單多了。

因為路由器SSID可以允許24個字符的長度，為了將來在互聯網上的擴展運用不產生沖突，就需要制定SSID取名規(guī)則。初步設計前8位用來定義商場名字，9、10位表示停車場樓層，接下來的4位用來表示橫坐標，再后4位表示縱坐標。其余6位備用。

7.手機與后臺數據交換

手機通過商場停車場Wi-Fi接入網絡。AP陣列的作用就像GPS衛(wèi)星的作用，只要能收到AP的Wi-Fi信號用來定位就行。當然，下一步它們也可以用“信號中繼”的方法構成一個網絡以充分利用。畢竟，商場里很多地方都能連上Wi-Fi，交換數據應該不成問題。

驗證測試

根據我所學到的知識，手機接收到的路由器的信號強度與它們之間的距離成反比。為了驗證RSSI與距離的數學（線性）關系，設計了這個測試方案。

現在的智能手機基本上只有安卓和蘋果兩大系統(tǒng)，對應的軟件操作系統(tǒng)分別是Android和iOS。因為它們用Wi-Fi通訊的原理是一樣的，開發(fā)環(huán)境平臺也大致通用，所以只用安卓系統(tǒng)的手機來做試驗。

為避免意外的干擾、反射信號、擾動造成過多的偶然誤差，測試場地應盡可能空曠、低洼。

1.實驗設備

（1）路由器（AP）：騰達N300，天線為全向天線。

（2）手機Wi-Fi分析儀：華為榮耀。

（3）手機視頻記錄儀：魅族5。

（4）12V移動電源：自制。

（5）手機支架：改裝并聯。

（6）50m標尺：自制。

2.實驗場地：云南大學東一院運動場。

圖3

3.實驗方法：

（1）坐標系設置。以運動場中心為坐標系原點，按射線布設50米刻度標尺。（見圖4）

圖4

（2）用自制Wi-Fi分析及錄像設備同步實時測量RSSI值及距離的變化。（見圖5）

（3）制作該工具設備用途：能連續(xù)、直觀、數字化地記錄RSSI與距離的實時同步變化量。

（4）設備使用方法：位于下面的手機運行Wi-Fi分析儀，上面的手機則同時視頻記錄移動時標尺刻度位置變化和Wi-Fi分析儀顯示的RSSI同步變化值。

圖5

4.實驗步驟：

（1）持Wi-Fi分析儀、視頻記錄儀勻速從原點沿標尺方向走遠、返回，重復三次。

（2）更換其他型號路由器重復操作。

（3）數據整理：查看視頻記錄儀視頻，記錄移動到每個刻度時的RSSI值。

（4）根據視頻結果填RSSI與距離對照表。

5.數據記錄：

（1）原始視頻記錄：距離（標尺）與RSSI對照曲線、視頻文件。

（2）填制RSSI與距離對照表（見表1）

表1 RSSI與距離對照表 路由器（AP）型號：TENDAN300

6.實驗結論：

（1）在沒有對數據進行任何處理的情況下，前后每米相鄰距離點波動值與兩組算數平均值的差小于5db，圖6描繪了RSSI與距離的變化關系，所有數據在一個通道里波動。

圖6

（2）兩組連續(xù)離開的值一致性較好；返回值則平均差較大，但偏差方向一致。

（3）用統(tǒng)計學的均方差方法對數據處理后，距離/RSSI數據曲線處于一個寬度折合約3.4米的通道內，見圖6中波動線之間的區(qū)域。

（4）與眾多參考文獻指出的約3米的誤差范圍基本吻合。

（5）引入波動取舍、誤差修正方法后，誤差范圍可以進一步減小。

（6）總體結論：

此方案基本可以實現自動指引車輛到達空車位的功能。我認為3～4米的誤差基本不影響對車輛前進方向的指引。因為行車的特定方向性，只有在兩個環(huán)節(jié)會產生實質性影響：

①導航期間的轉彎方向指引偏差。這可以通過自動或提示手動重新導航來解決。

②到達空車位前后左右的偏差。這時的偏差就是向前或向后一個車身長度、向左或向右一個車身寬度，這完全可以憑駕駛員的眼睛來完成修正。

系統(tǒng)設計

在互聯網+大背景下，基于Wi-Fi的網絡運用肯定具有必然的優(yōu)勢，以及廣泛的配套設備的支撐。在Wi-Fi定位、導航需求、網絡通信、數據處理、APP運用界面等環(huán)節(jié)經各位老師指導設計如下。

1.總體系統(tǒng)構成

（1）硬件部分：Wi-Fi信號源AP基準點陣列、后臺管理網絡計算機、車牌識別收費系統(tǒng)（可選購）。

（2）軟件部分：智能手機APP、電子地圖數據庫、車位數據庫、RSSI及對應位置指紋數據庫。

2.各部分設計功能詳細說明

（1）硬件部分的Wi-Fi信號源基準點AP陣列。

①場內固定設置若干按特定規(guī)則命名的AP信號源，數量要確保智能手機在停車場內任何地方都能夠檢測到3個以上的信號源。

②AP間相互物理位置呈（水平面投影的）等邊三角形關系，全體AP構成網狀結構。

③相鄰兩個AP之間距離不大于L，該距離與路由器型號（發(fā)射功率）正相關。根據實驗數據初步確定L值為40米。

（2）硬件部分：用于后臺數據存儲及業(yè)務管理的計算機。

（3）軟件及數據庫。

①APP程序。在總體功能設計、算法和程序框圖確定后，將組織編寫代碼。

②停車場的泊車導航電子地圖。根據商場對停車場車位、行車道的規(guī)劃，確定AP陣列位置后制作圖形、語音導航電子文件。

③空停車位信息數據。根據車位規(guī)劃圖，按規(guī)定格式制作車位數據庫。

④RSSI與位置指紋數據庫。AP陣列安裝完成后，按車輛行車軌跡測試每米處關聯AP信號點的RSSI值，反復平衡后建成指紋庫。

⑤其他服務指引。根據商場地下停車場要求完成。

設備組成

1.路由器：路由器按特定位置安裝在停車場天花板上，并按特定規(guī)則命名。

2.智能手機：既是一臺，也是無數臺。從系統(tǒng)建設者的角度看是“一臺”，但通過“借用”任何客戶的手機，在功能鏈上就把系統(tǒng)搞活了。

3.計算機：初期單獨工作時布置在停車場。將來在互聯網、云計算需求下可以不需要。

APP開發(fā)

1.適用智能手機操作系統(tǒng)：ios、Android。

2.APP開發(fā)語言JavaSE。

3.用強制認證門戶技術，連接Wi-Fi后實現自動跳轉到指定用戶界面。我們在機場或地鐵上就有這樣的運用體驗。主流的實現方法有兩種：域名系統(tǒng)（DNS）攔截和超媒傳輸協議（HTTP）重定向。無論采用哪種技術，用戶只要進入時在手機上點一下Wi-Fi名就可以自動進入地下停車場APP導航系統(tǒng)。

4.本項目先期決定在安卓平臺用JavaSE編寫程序。

智能手機通過Wi-Fi網絡下載數據（泊車導航電子地圖、空位信息、以及其他指引）。

5.智能手機APP運用程序主要功能描述。

界面（UI）主菜單按鈕：泊車（導航）、OK（到位）、重找車位、回找車輛、出口選擇、其他輔助功能。

各模塊功能具體說明如下。

①車輛（智能手機）在停車場入口進入指定開放Wi-Fi網絡后，通過強制認證門戶技術自動進入APP系統(tǒng)，同時調入地圖數據庫、空車位數據庫、指紋庫。屏幕默認顯示泊車導航圖。然后調用定位子程序和車輛狀態(tài)檢測子程序，以獲得車輛位置及狀態(tài)信息。

②定位子程序連續(xù)循環(huán)掃描周邊Wi-Fi信號源，根據信號強度按策略算法選取前4個信號源基點復合計算得到準確位置坐標，生成連續(xù)的車輛軌跡數據（含錯誤判斷修正）；同時也傳送到車位數據庫；判斷軌跡將到路口時，調用語音數據模塊，提示直行或轉彎；狀態(tài)檢測子程序根據智能手機的加速度傳感器振動（車輛震動與人步行輸出電壓信號頻率及振幅大不相同）和話筒（拾音器）檢測到的停車關門聲對比判斷車輛處于行駛狀態(tài)還是停車狀態(tài)并重新賦值狀態(tài)變量；當用戶點擊“OK”后，終止循環(huán)返回主程序；或當車輛軌跡已進入車位、狀態(tài)為“靜止”時，等待15秒后若用戶仍未點擊“OK”，把車輛軌跡隊列的終值對應車位視為進入的車位，然后終止循環(huán)返回主程序。

③主程序顯示指引用戶其他需求，經點擊進入相應子程序：若用戶點擊“重找車位”，則以當前坐標重置初始位置參數調用上述②項；若用戶點擊“找回”，則根據當前位置更換顯示回程導航電子地圖。

④若用戶點擊“出口選擇”，則顯示各出口與周邊街道交通允許示意圖，用戶點擊具體出口后調用顯示從當前位置到選定出口的導航路徑。

⑤檢測不到指定Wi-Fi網絡信號后結束，退出APP運用程序，或用戶終止程序。

本項目建設及使用方法

1.系統(tǒng)運作思路。考慮到將來多個停車場的兼容性及擴展性，由獨立的公司進行后臺數據管理。APP陣列由停車場投資管理。

2.客戶應用流程。在停車場外部提示司機用手機接入停車場Wi-Fi，然后系統(tǒng)下載數據庫到手機，完成各種導航等服務功能。若用戶沒有在停車場入口選擇Wi-Fi呢？可以在后面不斷提醒，到網絡連通時就行了。

可以外購嵌入車牌識別收費系統(tǒng)、消費免單抵扣、消費服務鏈接以融入商業(yè)體系。將來在互聯網+運用環(huán)境下可以把整個城市作為一個廣義的大停車場。

3.現場建設方法（以某停車場為例說明）

圖7

圖8

（1）把停車場置入坐標系全景示意圖（見圖7）。

（2）停車場疊加AP陣列示意圖（見圖8）。

（3）停車場車輛通道及方向指引示意圖（見圖9）。

圖9

創(chuàng)新點

1.系統(tǒng)整合的解決方法。把我們現在司空見慣的智能手機、路由器、網絡完整的結合在一起，解決了停車場幾乎所有環(huán)節(jié)的需求。顯著區(qū)別于其他方案只解決一個或兩個環(huán)節(jié)的“單點”模式。

2.在硬件系統(tǒng)的構成環(huán)節(jié)上創(chuàng)造性的借用了一個不存在的、虛擬的設備作紐帶，在停車場管理方與車輛之間架通了橋梁。這是思維模式上的重要創(chuàng)意。

3.把整個停車場放進直角坐標系的方法。通過這個方法，建立了簡明的位置定義、計算標準，避免了引入過多的描述、表示方法、計算方法，在定位、計算編程時可以減少很多數據格式的轉換工作。

4.AP陣列的菱形網狀布局方法。這個方法確定了一個統(tǒng)一的標準，解決了不同停車場尺寸數據不一樣時可能導致的編程困難。

相比于目前所見的各種解決方案，本項目是成本最低、功能最全的系統(tǒng)解決方案，相信商場會很樂意采購。我們今后在大型商場的地下停車場停車、找車、找出口將不再有煩惱，一點就搞定！下一步通過互聯網把城市連成廣義停車場后，出門辦事也不用像無頭蒼蠅似的到處亂找停車位，效率多高！