基于嵌入式與云平臺的智能物聯泊車管理系統

長沙學院電氣工程及其自動化系 肖 揚 高 洋 陳東民 鄧啟江

針對當前社會人們尋找車位難、車位利用率低、返回取車難等問題，設計了一項基于嵌入式單片機與物聯網云平臺技術的智能泊車管理系統，系統由上位手機APP信息處理和多個下位智能車位地鎖兩大部分構成。多個智能地鎖通過模式-視圖-控制器三層處理架構協議和云平臺與上位的APP信息交互，通過APP實現停車場車位信息的查詢、預約、導航，前端地鎖硬件的信息采集控制等功能。該系統具備成本低、效率高、具有良好的發展前景、方便使用等優點，是解決停車難問題的良方。

隨著社會全民經濟的快速發展，人們的生活質量日益提高，擁有私家車的家庭越來越多，與此同時，在城市道路上的機動車數量也急速增長，由此帶來的令社會困擾的停車難問題也日益突出。停車難問題不僅影響著市民出行的心情更影響著城市容貌，甚至會因找不到車位被迫違規停車而帶來生命財產安全損害。本項產品根據市場需求以及現代化發達的物聯網技術，開發了基于安卓平臺的APP，搭建了以嵌入式單片機STM32F103C8T6為核心處理器，多款低功耗高性能的應用模塊為輔的智能地鎖硬件裝置，兩者以經典的MVC三層處理為架構，Spring Boot+Mybatis+Netty三個Java框架構成的云平臺與WiFi連接，成為一個完整的泊車系統。使用戶能實時在線查看停車場中的空閑車位并提前預約、導航至車位，操作簡單快捷，有效的提高了車位利用率，緩解停車難問題。

1 設計方案

基于嵌入式與云平臺的智能物聯泊車管理系統由多個智能停車地鎖、安卓APP、云平臺構成，其組成如圖1所示。

圖1 基于嵌入式與云平臺的智能物聯泊車管理系統的總體框架設計圖

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

（2）安卓APP為Java框架構建的用戶手機APP。

基于嵌入式與云平臺的智能物聯泊車管理系統的總體框架設計圖如圖1所示。

基于如上設計方案，基于嵌入式與云平臺的智能物聯泊車管理系統預期達成的目標為：

（1）實時預覽車位停泊情況：通過手機APP，用戶可以在家中或途中便能看到停車場中每個車位的停泊狀態，分為空閑、已預約和已占用三種狀態，及時了解停車場中剩余車位數目；

（2）在線預約車位：當用戶有急事需辦，時間緊張的時候可通過手機APP，點擊空閑的車位、點擊預約便能提前在線預約空閑車位，車位上的智能停車地鎖跟隨預約上鎖。僅在預約用戶到達現場后才能掃碼解鎖，使用車位。避免因尋找車位浪費時間、注冊身份信息等繁瑣操作，方便用戶出行；

（3）定位導航至車位：通過點擊手機APP上車位并選擇位置功能按鍵，便能啟動內置高德的API接口以及SDK實現高德地圖定位和導航功能。通過手機APP，用戶可以GPS導航到達停車位。

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、繼電器、可充電鋰電池、STM32F103C8T6嵌入式最小系統板、紅外對管限位開關模塊、激光測距傳感器、Zigbee模塊、ESP8266模塊、GPS定位模塊等機械構建與高性能低功耗模塊構成。通過Zigbee模塊使多個智能停車地鎖之間能實現相互通信，每8個Zigbee終端選擇其中一個Zigbee模塊作為通信協調器將各個車位的狀態通過ESP8266 WiFi模塊傳輸給云平臺。最終在根據傳輸的智能停車地鎖的狀態在手機APP上顯示各個車位的狀態。

2.1.1 紅外對管限位開關傳感器

通過兩對紅外對管是否被升降桿遮擋的4種電信號狀態，判斷可升降地鎖桿轉動到達的位置。確保升降桿的轉動升起到豎直位置時停止轉動，轉動下降到水平位置時停止轉動，并在其它因素推動升降桿轉動時能自鎖，防止他人惡意推倒智能停車地鎖搶用車位。限位開關工作流程如圖2所示。

圖2 限位開關工作流程圖

2.1.2 激光測距傳感器

通過帶有溫度補償的激光測距傳感器，其主要功能為距離測量。在無極端惡劣環境條件下對激光測距信號輸出端信號的采集，當有車輛駛入遮擋激光測距模塊時測到距離較小，則判斷有車輛駛入；當測得距離數據較大時，則判斷無車輛停入。激光測距框架如圖3所示。

圖3 激光測距框架圖

2.1.3 Zigbee短距離通信模塊

通過短距離通信模塊Zigbee主要用于實現停車場中各個車位之間互相通信。Zigbee是介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案。將每8個停車位智能地鎖的Zigbee終端數據匯總到1個Zigbee協調器并通過WiFi傳輸至云平臺并在APP上顯示，創建了停車場智能停車地鎖樹型數據圖，將所有車位狀況數據的匯總、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GPS模塊實現對停車場位置的定位，由此通過APP設計的申請高德地圖APP的API接口以及SDK實現高德地圖的定位和導航功能，讓用戶能一鍵定位、導航，優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、支持透傳、丟包現象不嚴重，本項目中將芯片設置為透傳模式，將Zigbee協調器的數據安全傳輸給云平臺進行信息交互，使車位信息與用戶指令及時得到響應。

2.2 安卓APP

安卓是一種基于Linux內核的自由及開放源代碼的操作系統，主要使用于移動設備如手機和平板電腦。本作品中運用到了Android的系統構架和操作系統，聯系程序層、應用程序框架層對API反饋的重要窗口、新的API和行為變更的查看并向云平臺實時報告信息。

本系統的用戶APP名稱為“優享停車”，具有尋找停車場，在線預約停車位和空閑停車位查詢等三大主要功能。

（1）尋找停車場導航功能

主要調用高德地圖實現此功能，具體流程如下：

①安卓手機下載高德地圖用戶API開發包并安裝；②申請高德地圖API Key，獲取定位與導航信息包；③創建一個Android工程；④在布局文件中添加地圖應用層程序。

（2）在線預約停車位功能

用戶想要預約目的地的停車位節省時間時，可提前通過“優享停車”APP，線上預約車位功能按鈕，一鍵預約車位，云平臺數據傳輸使車位遠程上鎖，僅當預約用戶到達現場后才能掃碼解鎖、使用車位。

2.3 云平臺

停車位狀態更變的數據流動：

Netty網絡通信框架接收到智能停車位用TCP協議傳輸過來的數據，將停車位發送過來的一些相應數據通過Spring Boot框架的業務層進行邏輯處理再講數據傳遞到MyBatis Boot框架的表現層，MyBatis將數據存儲到MySQL數據庫中，Spring Boot框架的表現層則將數據封裝為json格式，最終發送給手機APP“優享停車”，使用戶能夠看到停車場每個車位的使用狀態。

手機APP發送請求的數據流動：

手機端發送停車請求，Spring Boot框架的表現層將手機APP端發送的請求數據封裝為一個對象，將這個對象傳入給Spring Boot框架的業務層，Spring Boot框架的業務層將對象數據進行邏輯處理，再轉發給MyBatis和Netty，MyBatis將數據存儲到MySQL數據庫中，Netty通過TCP協議將數據發送給停車位設備。使得用戶能通過手機APP在線遠程預約車位，手機端更新車位狀態為“已預約”，并使預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 軟件模塊設計

系統軟件設計包括三部分：車位狀態采集傳輸層軟件設計，車位狀態信息查詢、導航及掃碼解鎖功能和車位預約信息傳輸、遠程上鎖功能。

基于“一體化監管”和“突出事中監控”的基本認識，為切實有效落實 《意見》精神，浙江專員辦黨組研究提出，專員辦應從拓展監管內容、健全監管鏈條和改進工作方式“三個維度”不斷強化事中績效運行跟蹤監控。

車位狀態采集傳輸層軟件設計：

本項目中ZigBee樹型網絡的創建和傳感器數據采集傳輸功能的開發由信泰微電子的2.4G zigbee無線串口收發模塊CC2530數據透傳廣播模式TTL，信息傳輸數據硬件與計算機通過串口連接的ZigBee協調器創建無線傳感網絡。為了確保采集數據的準確性，本項目將對傳感器電平狀態多次采集，以確保信息的準確性，確認車位是否已被占用。軟件檢測流程如圖5所示。

APP將具有定位導航，預約，掃碼解鎖，與云數據對接等功能。解決停車難中外出停車問題，能夠讓人們提前預約空閑車位，以及查看到車位狀態，避免到達目的地沒有停車位的情況。采用rxjava+retrofit模塊實現高并發網絡請求，申請高德的API接口以及SDK實現高德地圖定位和導航功能，通過設備識別碼來定位唯一用戶，而不用注冊身份信息等繁瑣操作，通過二維碼掃描解鎖車位，安全方便快捷。

結語：為了解決現今停車難、尋找車位難、取車難、車位利用率低的問題，本文提出了一種基于物聯網的智能停車系統，該系統巧妙結合多種傳感器，通過多款Zigbee、WiFi模塊、云平臺等信息傳遞層實現停車場車位狀況與車主用戶數據交互。有效的提高了車位利用率，節省時間提高車主的工作效率，幫助車主省時省事，一鍵預約車位，尋找車位，是一項新型的智能化作品，提升了城市生活的智能度。