基于嵌入式與云平臺(tái)的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)

長(zhǎng)沙學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系 肖 揚(yáng) 高 洋 陳東民 鄧啟江

針對(duì)當(dāng)前社會(huì)人們尋找車位難、車位利用率低、返回取車難等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)基于嵌入式單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)的智能泊車管理系統(tǒng)，系統(tǒng)由上位手機(jī)APP信息處理和多個(gè)下位智能車位地鎖兩大部分構(gòu)成。多個(gè)智能地鎖通過(guò)模式-視圖-控制器三層處理架構(gòu)協(xié)議和云平臺(tái)與上位的APP信息交互，通過(guò)APP實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)車位信息的查詢、預(yù)約、導(dǎo)航，前端地鎖硬件的信息采集控制等功能。該系統(tǒng)具備成本低、效率高、具有良好的發(fā)展前景、方便使用等優(yōu)點(diǎn)，是解決停車難問(wèn)題的良方。

隨著社會(huì)全民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量日益提高，擁有私家車的家庭越來(lái)越多，與此同時(shí)，在城市道路上的機(jī)動(dòng)車數(shù)量也急速增長(zhǎng)，由此帶來(lái)的令社會(huì)困擾的停車難問(wèn)題也日益突出。停車難問(wèn)題不僅影響著市民出行的心情更影響著城市容貌，甚至?xí)蛘也坏杰囄槐黄冗`規(guī)停車而帶來(lái)生命財(cái)產(chǎn)安全損害。本項(xiàng)產(chǎn)品根據(jù)市場(chǎng)需求以及現(xiàn)代化發(fā)達(dá)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了基于安卓平臺(tái)的APP，搭建了以嵌入式單片機(jī)STM32F103C8T6為核心處理器，多款低功耗高性能的應(yīng)用模塊為輔的智能地鎖硬件裝置，兩者以經(jīng)典的MVC三層處理為架構(gòu)，Spring Boot+Mybatis+Netty三個(gè)Java框架構(gòu)成的云平臺(tái)與WiFi連接，成為一個(gè)完整的泊車系統(tǒng)。使用戶能實(shí)時(shí)在線查看停車場(chǎng)中的空閑車位并提前預(yù)約、導(dǎo)航至車位，操作簡(jiǎn)單快捷，有效的提高了車位利用率，緩解停車難問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)方案

基于嵌入式與云平臺(tái)的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)由多個(gè)智能停車地鎖、安卓APP、云平臺(tái)構(gòu)成，其組成如圖1所示。

圖1 基于嵌入式與云平臺(tái)的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)圖

（1）智能停車地鎖的組成包括直流電機(jī)、鋰蓄電池、繼電器模塊、激光測(cè)距傳感器、紅外對(duì)管傳感器、Zigbee模塊、GPS模塊、WiFi模塊等低功耗模塊；

（2）安卓APP為Java框架構(gòu)建的用戶手機(jī)APP。

基于嵌入式與云平臺(tái)的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

基于如上設(shè)計(jì)方案，基于嵌入式與云平臺(tái)的智能物聯(lián)泊車管理系統(tǒng)預(yù)期達(dá)成的目標(biāo)為：

（1）實(shí)時(shí)預(yù)覽車位停泊情況：通過(guò)手機(jī)APP，用戶可以在家中或途中便能看到停車場(chǎng)中每個(gè)車位的停泊狀態(tài)，分為空閑、已預(yù)約和已占用三種狀態(tài)，及時(shí)了解停車場(chǎng)中剩余車位數(shù)目；

（2）在線預(yù)約車位：當(dāng)用戶有急事需辦，時(shí)間緊張的時(shí)候可通過(guò)手機(jī)APP，點(diǎn)擊空閑的車位、點(diǎn)擊預(yù)約便能提前在線預(yù)約空閑車位，車位上的智能停車地鎖跟隨預(yù)約上鎖。僅在預(yù)約用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后才能掃碼解鎖，使用車位。避免因?qū)ふ臆囄焕速M(fèi)時(shí)間、注冊(cè)身份信息等繁瑣操作，方便用戶出行；

（3）定位導(dǎo)航至車位：通過(guò)點(diǎn)擊手機(jī)APP上車位并選擇位置功能按鍵，便能啟動(dòng)內(nèi)置高德的API接口以及SDK實(shí)現(xiàn)高德地圖定位和導(dǎo)航功能。通過(guò)手機(jī)APP，用戶可以GPS導(dǎo)航到達(dá)停車位。

2 硬件模塊、傳感器工作原理

2.1 智能停車地鎖

智能停車地鎖由可升降地鎖桿與直流電機(jī)、繼電器、可充電鋰電池、STM32F103C8T6嵌入式最小系統(tǒng)板、紅外對(duì)管限位開關(guān)模塊、激光測(cè)距傳感器、Zigbee模塊、ESP8266模塊、GPS定位模塊等機(jī)械構(gòu)建與高性能低功耗模塊構(gòu)成。通過(guò)Zigbee模塊使多個(gè)智能停車地鎖之間能實(shí)現(xiàn)相互通信，每8個(gè)Zigbee終端選擇其中一個(gè)Zigbee模塊作為通信協(xié)調(diào)器將各個(gè)車位的狀態(tài)通過(guò)ESP8266 WiFi模塊傳輸給云平臺(tái)。最終在根據(jù)傳輸?shù)闹悄芡＼嚨劓i的狀態(tài)在手機(jī)APP上顯示各個(gè)車位的狀態(tài)。

2.1.1 紅外對(duì)管限位開關(guān)傳感器

通過(guò)兩對(duì)紅外對(duì)管是否被升降桿遮擋的4種電信號(hào)狀態(tài)，判斷可升降地鎖桿轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)的位置。確保升降桿的轉(zhuǎn)動(dòng)升起到豎直位置時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)下降到水平位置時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并在其它因素推動(dòng)升降桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能自鎖，防止他人惡意推倒智能停車地鎖搶用車位。限位開關(guān)工作流程如圖2所示。

圖2 限位開關(guān)工作流程圖

2.1.2 激光測(cè)距傳感器

通過(guò)帶有溫度補(bǔ)償?shù)募す鉁y(cè)距傳感器，其主要功能為距離測(cè)量。在無(wú)極端惡劣環(huán)境條件下對(duì)激光測(cè)距信號(hào)輸出端信號(hào)的采集，當(dāng)有車輛駛?cè)胝趽跫す鉁y(cè)距模塊時(shí)測(cè)到距離較小，則判斷有車輛駛?cè)?；?dāng)測(cè)得距離數(shù)據(jù)較大時(shí)，則判斷無(wú)車輛停入。激光測(cè)距框架如圖3所示。

圖3 激光測(cè)距框架圖

2.1.3 Zigbee短距離通信模塊

通過(guò)短距離通信模塊Zigbee主要用于實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)中各個(gè)車位之間互相通信。Zigbee是介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案。將每8個(gè)停車位智能地鎖的Zigbee終端數(shù)據(jù)匯總到1個(gè)Zigbee協(xié)調(diào)器并通過(guò)WiFi傳輸至云平臺(tái)并在APP上顯示，創(chuàng)建了停車場(chǎng)智能停車地鎖樹型數(shù)據(jù)圖，將所有車位狀況數(shù)據(jù)的匯總、上傳。如圖4所示。

圖4 Zigbee樹狀信息傳輸圖

2.1.4 GPS模塊

通過(guò)GPS模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)停車場(chǎng)位置的定位，由此通過(guò)APP設(shè)計(jì)的申請(qǐng)高德地圖APP的API接口以及SDK實(shí)現(xiàn)高德地圖的定位和導(dǎo)航功能，讓用戶能一鍵定位、導(dǎo)航，優(yōu)化了操作更方便使用。

2.1.5 ESP8266模塊

在WiFi模塊上選擇了ESP8266模塊，其體積小、功耗低、支持透?jìng)?、丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重，本項(xiàng)目中將芯片設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ?，將Zigbee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)安全傳輸給云平臺(tái)進(jìn)行信息交互，使車位信息與用戶指令及時(shí)得到響應(yīng)。

2.2 安卓APP

安卓是一種基于Linux內(nèi)核的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要使用于移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)和平板電腦。本作品中運(yùn)用到了Android的系統(tǒng)構(gòu)架和操作系統(tǒng)，聯(lián)系程序?qū)?、?yīng)用程序框架層對(duì)API反饋的重要窗口、新的API和行為變更的查看并向云平臺(tái)實(shí)時(shí)報(bào)告信息。

本系統(tǒng)的用戶APP名稱為“優(yōu)享停車”，具有尋找停車場(chǎng)，在線預(yù)約停車位和空閑停車位查詢等三大主要功能。

（1）尋找停車場(chǎng)導(dǎo)航功能

主要調(diào)用高德地圖實(shí)現(xiàn)此功能，具體流程如下：

①安卓手機(jī)下載高德地圖用戶API開發(fā)包并安裝；②申請(qǐng)高德地圖API Key，獲取定位與導(dǎo)航信息包；③創(chuàng)建一個(gè)Android工程；④在布局文件中添加地圖應(yīng)用層程序。

（2）在線預(yù)約停車位功能

用戶想要預(yù)約目的地的停車位節(jié)省時(shí)間時(shí)，可提前通過(guò)“優(yōu)享停車”APP，線上預(yù)約車位功能按鈕，一鍵預(yù)約車位，云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸使車位遠(yuǎn)程上鎖，僅當(dāng)預(yù)約用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后才能掃碼解鎖、使用車位。

2.3 云平臺(tái)

停車位狀態(tài)更變的數(shù)據(jù)流動(dòng)：

Netty網(wǎng)絡(luò)通信框架接收到智能停車位用TCP協(xié)議傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，將停車位發(fā)送過(guò)來(lái)的一些相應(yīng)數(shù)據(jù)通過(guò)Spring Boot框架的業(yè)務(wù)層進(jìn)行邏輯處理再講數(shù)據(jù)傳遞到MyBatis Boot框架的表現(xiàn)層，MyBatis將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，Spring Boot框架的表現(xiàn)層則將數(shù)據(jù)封裝為json格式，最終發(fā)送給手機(jī)APP“優(yōu)享停車”，使用戶能夠看到停車場(chǎng)每個(gè)車位的使用狀態(tài)。

手機(jī)APP發(fā)送請(qǐng)求的數(shù)據(jù)流動(dòng)：

手機(jī)端發(fā)送停車請(qǐng)求，Spring Boot框架的表現(xiàn)層將手機(jī)APP端發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)封裝為一個(gè)對(duì)象，將這個(gè)對(duì)象傳入給Spring Boot框架的業(yè)務(wù)層，Spring Boot框架的業(yè)務(wù)層將對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，再轉(zhuǎn)發(fā)給MyBatis和Netty，MyBatis將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，Netty通過(guò)TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給停車位設(shè)備。使得用戶能通過(guò)手機(jī)APP在線遠(yuǎn)程預(yù)約車位，手機(jī)端更新車位狀態(tài)為“已預(yù)約”，并使預(yù)約車位上鎖防止他人占用。

圖5 車位信息采集軟件流程圖

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括三部分：車位狀態(tài)采集傳輸層軟件設(shè)計(jì)，車位狀態(tài)信息查詢、導(dǎo)航及掃碼解鎖功能和車位預(yù)約信息傳輸、遠(yuǎn)程上鎖功能。

基于“一體化監(jiān)管”和“突出事中監(jiān)控”的基本認(rèn)識(shí)，為切實(shí)有效落實(shí) 《意見(jiàn)》精神，浙江專員辦黨組研究提出，專員辦應(yīng)從拓展監(jiān)管內(nèi)容、健全監(jiān)管鏈條和改進(jìn)工作方式“三個(gè)維度”不斷強(qiáng)化事中績(jī)效運(yùn)行跟蹤監(jiān)控。

車位狀態(tài)采集傳輸層軟件設(shè)計(jì)：

本項(xiàng)目中ZigBee樹型網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸功能的開發(fā)由信泰微電子的2.4G zigbee無(wú)線串口收發(fā)模塊CC2530數(shù)據(jù)透?jìng)鲝V播模式TTL，信息傳輸數(shù)據(jù)硬件與計(jì)算機(jī)通過(guò)串口連接的ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。為了確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本項(xiàng)目將對(duì)傳感器電平狀態(tài)多次采集，以確保信息的準(zhǔn)確性，確認(rèn)車位是否已被占用。軟件檢測(cè)流程如圖5所示。

APP將具有定位導(dǎo)航，預(yù)約，掃碼解鎖，與云數(shù)據(jù)對(duì)接等功能。解決停車難中外出停車問(wèn)題，能夠讓人們提前預(yù)約空閑車位，以及查看到車位狀態(tài)，避免到達(dá)目的地沒(méi)有停車位的情況。采用rxjava+retrofit模塊實(shí)現(xiàn)高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，申請(qǐng)高德的API接口以及SDK實(shí)現(xiàn)高德地圖定位和導(dǎo)航功能，通過(guò)設(shè)備識(shí)別碼來(lái)定位唯一用戶，而不用注冊(cè)身份信息等繁瑣操作，通過(guò)二維碼掃描解鎖車位，安全方便快捷。

結(jié)語(yǔ)：為了解決現(xiàn)今停車難、尋找車位難、取車難、車位利用率低的問(wèn)題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能停車系統(tǒng)，該系統(tǒng)巧妙結(jié)合多種傳感器，通過(guò)多款Zigbee、WiFi模塊、云平臺(tái)等信息傳遞層實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)車位狀況與車主用戶數(shù)據(jù)交互。有效的提高了車位利用率，節(jié)省時(shí)間提高車主的工作效率，幫助車主省時(shí)省事，一鍵預(yù)約車位，尋找車位，是一項(xiàng)新型的智能化作品，提升了城市生活的智能度。