淺析Mesh網(wǎng)絡在城市智慧停車中的應用

劉文

（南京智騁致想電子科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

目前的停車服務主要涉及三方：車主、停車場以及城市管理部門。車主作為消費的一方，關注點是停放車輛的安全、便捷地停車取車以及合理的停車費用。停車場方面則希望通過降低停車場的建設費用和管理成本，來降低停車費以吸引消費者。并通過高效及智能化的管理來方便車主，如實時查看車輛狀況、查找停車位置等，以提升服務質(zhì)量。對于城市管理部門而言，車輛進出無人工干預的操作方式可以縮短車輛在停車場進出口的滯留時間，從而緩解城市道路的交通壓力。同時通過掌握各停車場具體的車輛進出信息，可以完善城市車輛綜合管理的大數(shù)據(jù)，與智能交通系統(tǒng)、智慧城市等應用和服務深度融合，提升城市公共資源運用的效率，優(yōu)化基礎設施的管理和服務，改善市民的生活質(zhì)量[1-2]。

1 系統(tǒng)設計思路

1.1 系統(tǒng)組成

與以往的設計方式不同在于本文系統(tǒng)的核心是利用Mesh網(wǎng)絡來連接不同的終端監(jiān)測點。

Mesh網(wǎng)絡是無線網(wǎng)絡的一種，通過眾多的節(jié)點相互連接到彼此。在同一個網(wǎng)絡中相鄰近的節(jié)點可以相互轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳遞到另一個節(jié)點，直到抵達目標節(jié)點或網(wǎng)絡中的網(wǎng)關，最終通過網(wǎng)關傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡，如圖1所示。有別于WiFi或4/5G無線網(wǎng)絡，Mesh網(wǎng)絡無中心化的設計使其具有較強的健壯性，網(wǎng)絡拓撲結構可靠且易于擴展[3-4]。

終端監(jiān)測點主要由網(wǎng)絡節(jié)點、攝像頭模塊、控制模塊和供電部分組成。其中網(wǎng)絡節(jié)點需滿足Mesh網(wǎng)絡組網(wǎng)，并帶有相應的協(xié)議。目前市面上有多種基于不同頻段的成熟解決方案，如ZigBee、LoRa等。攝像頭模塊需滿足拍攝高低不同分辨率的照片。每一片區(qū)域內(nèi)都有多個終端監(jiān)測點和一個網(wǎng)關，網(wǎng)關通過光纖網(wǎng)絡或4/5G網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡相連，將數(shù)據(jù)傳遞到后臺服務器。

圖1 Mesh網(wǎng)絡連接

后臺服務器在圖片識別過程中引入深度學習算法，可以進一步提高圖像識別的準確率，并提高工作效率。有別于傳統(tǒng)處理方法，深度學習是目前最先進的機器學習方法，其效率和精度已遠遠超過一般識別算法[5-6]。傳統(tǒng)機器學習的方法依賴人工進行特征設計和特征提取。這樣由人工操作的方法在任務簡單時會非常有效，但是當任務復雜時會大大增加人工工作量。相較而言，深度學習避免了復雜的特征提取工作，能根據(jù)樣本自我學習，從而減少了人為設計特征和特征提取的工作量，具體對比如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在系統(tǒng)工作時，終端設備會按一定的時間間隔抓拍照片并上傳后臺。如果照片太大的話可能會造成網(wǎng)絡的阻塞，影響傳輸效率。為了不占用過多的無線網(wǎng)絡資源，攝像頭模塊抓拍的照片是低分辨率照片，規(guī)格為640×480像素（30萬像素），30～40 KB。后臺通過這些照片判斷停車位上是否有車，當判斷到停車位上有車輛停放時，現(xiàn)場設備抓拍高分辨的照片，再提取出車牌部分的截圖向后臺上傳。一般車牌部分的截圖約為10 KB，不會超出無線網(wǎng)絡的負荷。在識別出對應車輛的車牌號后，對該車輛停車時間開始計時。當后臺系統(tǒng)監(jiān)測到此位置車輛有所變動時（與上一張該位置照片做靜態(tài)對比，判斷所停車輛是否離開），結束之前的計時，統(tǒng)計停車總時長，作為停車的收費依據(jù)。

圖2 傳統(tǒng)方法與深度學習對比

在本文所述系統(tǒng)中，網(wǎng)絡功能架構由4層設計組成，自下而上分別為設備感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、分析處理層、服務應用層，如圖3所示。

圖3 總體功能架構圖

設備感知層：利用智能終端上的攝像頭模塊進行區(qū)域內(nèi)抓拍和照片的特征提取，獲取具有更高可用性的數(shù)據(jù)[7]。通過增加不同的傳感器，可以在不同的場景下采集和監(jiān)測微環(huán)境數(shù)據(jù)，如增加煙霧報警器，可針對電動車易自燃等隱患進行防范。

數(shù)據(jù)傳輸層：各終端設備通過Mesh網(wǎng)絡節(jié)點連接起來，再通過網(wǎng)關連接到外網(wǎng)（通過光纖網(wǎng)絡或4/5G網(wǎng)絡），將采集到的數(shù)據(jù)傳給下一層處理。

分析處理層：這一層具有圖像處理和綜合平臺管理功能。各個不同區(qū)域內(nèi)基于統(tǒng)一接口和傳輸協(xié)議的終端數(shù)據(jù)，輸入并存儲在這一層的服務器中，集中進行統(tǒng)一化管理和處理。車輛檢測和車牌識別都在這一層完成，并記錄數(shù)據(jù)。

服務應用層：這一層會對上一層搜集和處理過的數(shù)據(jù)，進一步深挖數(shù)據(jù)應用，配合相應的手機APP和客戶端軟件將最直觀的結果呈現(xiàn)到用戶手里。在這一層通過各種不同的應用和設置，向不同角色的用戶提供差異化的功能和使用權限。管理員可在PC終端、手機APP等通過身份驗證后進行遠程現(xiàn)場查看和控制[8-9]。普通用戶也可以在手機端完成車輛實時圖片查看和歷史照片回看、手機端自動扣費、輔助找車等功能。

本文系統(tǒng)可以做到停車場無人值守。之前每片停車區(qū)域都需要1～2名工作人員管理。而通過智能停車監(jiān)測系統(tǒng)，只需2名工作人員，就可以同時覆蓋多個不相連接的停車區(qū)域。一人在屏幕前觀測監(jiān)視器上的現(xiàn)場圖片，另一人在外巡視作為輔助以及處理突發(fā)事件。對于區(qū)域內(nèi)垃圾亂放和違法占用消防應急車道等突發(fā)狀況，巡視人員也可以做出及時響應。系統(tǒng)在提高效率的同時也大大降低了停車場的運營成本。

1.3 工作流程

設備上電后，先進入自檢流程，若自檢通過，則進入下一步流程。終端設備先抓拍低分辨率的照片并上傳后臺。當判斷無車輛停放后，后臺不下發(fā)任何指令，等待下一個周期的照片上傳。如后臺服務器判斷有車輛停放，則會通過網(wǎng)關向?qū)慕K端設備發(fā)送命令請求。終端設備臨時抓拍高分辨率的照片并提取出車牌部分的截圖向后臺上傳。通過后臺進行車牌的精確識別并開始收費計時。如果在車位識別時，發(fā)現(xiàn)該位置無車輛停放或車牌已變動（對比前一個拍照周期的照片），則自動結束該位置車輛的收費計時，如有新停車輛則開始新的收費計時[10]。以上就是一個完整的系統(tǒng)工作流程，如圖4所示。當出現(xiàn)車輛停放不規(guī)則或是車牌有遮擋而無法識別時，后臺系統(tǒng)向監(jiān)控人員發(fā)出提醒，再通知現(xiàn)場巡視人員進行號碼人工錄入。

圖4 工作流程

1.4 系統(tǒng)優(yōu)勢

本文系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

（1）通過無線網(wǎng)絡來節(jié)約停車場地的建設成本；

（2）提高停車場的管理效率，并降低停車場的運營成本；

（3）用戶可以實現(xiàn)手機端車輛圖片實時查看、停車手機端自動扣費、輔助找車等功能；

（4）系統(tǒng)智能化程度高，便于園區(qū)或小區(qū)的綜合化管理和監(jiān)控；

（5）無人工干預、開放式的停車管理。

1.5 未來展望

本文系統(tǒng)圍繞Mesh網(wǎng)絡搭建，可以衍生出低功耗方案和密集監(jiān)控方案兩種不同的發(fā)展方向，以滿足不同的項目和需求。在人流相對稀少的區(qū)域，低功耗方案通過增加設備抓拍照片的間隔時間和降低照片上傳頻率，來減小設備能耗，使得設備靠太陽能電池即可工作。密集監(jiān)控方案則應用在車輛流動頻繁的區(qū)域，如商場地下停車場等。這些地方對監(jiān)控要求高，信息查看頻繁。通過設備內(nèi)增加存儲卡，并縮短設備抓拍照片的間隔時間，來滿足實時的圖片查看需求。同時還可以采用雙網(wǎng)關和雙頻率來實現(xiàn)網(wǎng)絡的擴容，并提高整體網(wǎng)絡穩(wěn)定性。

2 結 語

本文系統(tǒng)的智慧停車應用融合當下熱點技術，集高效監(jiān)控、低成本運營、動態(tài)分析和精細化管理于一體，是一種智能化的停車解決方案。本方案改變了現(xiàn)有的停車管理技術和管理理念，與未來智慧型城市的發(fā)展方向一致，使用戶、停車場管理方、城市相關管理部門均能從中獲益。