基于UWB的分布式室內停車動態監測系統設計

潘敬宇，龔元明

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引 言

解決城市“停車難”的問題主要通過兩個途徑，其一是大量增加停車場的數量，其二是引入一套智能停車場管理系統，提高傳統停車場車位的利用率［1］。由于短期內在城市里大量增加停車場不太現實，所以如何提升停車管理水平成為解決城市“停車難”問題的關鍵［2］。李魯昭研究了UWB定位技術的具體實現方案，通過仿真比較和系統測試證明了UWB方案的有效性和可行性［3］。然而UWB定位的發射功率低，所以定位距離不能太遠，一般是小于100 m。對于機場、火車站等大型室內停車場而言，單個UWB定位系統很難完成如此大面積的覆蓋。而且當距離過大、障礙物過多，UWB信號衰減會導致定位精度下降［4］。另外，多基站和多標簽定位系統的中心節點工作站計算量大，難以適應大型室內停車場高峰時段的實時定位要求。本文采用分布式定位計算方案，實現多基站多標簽定位系統的在線協同，拓展UWB定位系統的適用場地條件和范圍。當室內停車場大規模引入智能停車管理系統時，覆蓋不全面、定位精度不高、運算緩慢的問題逐漸凸顯。因此，本文引入分布式計算的UWB定位技術，對目標停車場進行分區，設計了一種分布定位、集中處理的室內停車動態監測系統。

1 總體設計方案

1.1 系統組成

系統現場硬件設備包括UWB定位模塊、樹莓派、交換機、上位機等，監測系統包括上位機監測界面、SQL數據庫。UWB定位模塊根據功能可分為3種：定位基站、定位標簽和中繼基站。本設計選用的UWB定位模塊的測距范圍可達300 m，定位精度小于10 cm。但考慮到室內停車場場地條件復雜、障礙物多，故按照100 m的間隔對車庫進行劃分，在每個分區布置定位模塊和子網絡節點。系統組成架構如圖1所示。

圖1 系統組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of system composition

在室內停車場A區布置有中繼基站A0、定位基站A1和A2，以及A區內停放車輛上的定位標簽Tx，共同組成A區車庫定位系統。基站A0、A1、A2分別發送脈沖信號，標簽Tx接收到后返回，基站A0、A1、A2將兩次脈沖信號的時間差轉換成距離，然后基站A1、A2將距離數據轉發至基站A0匯總，由基站A0通過USB串口與樹莓派連接。同理，其它分區同樣需要布置中繼基站和定位基站，由各個分區的樹莓派組成分布式計算網絡，在同一個局域網下，位于監控室的上位機可以動態監測整個室內停車場的車輛信息。

1.2 系統工作原理

如圖2所示，監測系統的運行包括測距信息采集、數據上傳解析、監測界面顯示和云端同步。其中，測距信息采集由UWB定位模塊完成，數據的解析與上傳由樹莓派負責，樹莓派上運行有Linux系統Raspbian版本，內置Python編程環境，可基于三邊定位法和改進的卡爾曼濾波法，對各個基站測距的數據流進行解析計算［5-7］，得到A區車庫內各個車輛靜態定位和平順之后的車輛動態行駛軌跡。當室內停車場規模較大、停放車輛數量較多時，分布在個各個定位分區的樹莓派，通過工業以太網將計算得到的定位數據和動態軌跡匯總至上位機監測界面，將本地車庫內的車輛實時定位信息存儲在本地數據庫內，同時將車輛停放信息上傳至遠程服務器。

圖2 系統運行示意圖Fig.2 Schematic diagram of system operation

2 UWB定位方案設計

定位系統基于TOF（Time-of-Flight，時間飛行原理），每個定位分區布置3個定位基站和若干個標簽。其中一個定位基站與樹莓派相連，利用樹莓派的運算資源對測距數據先進行解析和優化，再通過局域網絡將各定位分區的車輛定位信息上傳至監控室進行統一監測。UWB模塊硬件連接如圖3所示。

圖3 UWB模塊硬件連接圖Fig.3 UWB module hardware connection diagram

2.1 定位原理

系統上位機軟件的功能包括對測距信息的定位算法解析、數據存儲及上傳、監測界面顯示。

UWB定位通常采用三邊測量法，其原理如圖4所示。以三個節點A、B、C為圓心作圓，坐標分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），這3個圓相交于點D。交點D即為移動節點，A、B、C即為參考節點，A、B、C與交點D的距離分別為da、db、d c。如圖4所示。

圖4 三邊定位法原理圖Fig.4 Principle diagram of trilateral positioning method

由圖4中三個圓交于一點的幾何關系可以得到式（1）：

采用最小二乘法對式（1）求解，可得D點坐標公式（2）：

式（2）是對單個定位分區的定位坐標計算［8］，對于大型室內停車場來說，不同分區的定位坐標還需進行坐標變換才能上傳。以A區為例，具體方法如下：

（1）建立室內停車場平面直角坐標系，標定地圖位置的坐標；

（2）選擇A區坐標參考點OA，并確定該點在室內停車場的絕對坐標（xA，yA）；

（3）根據現場實況，對分區坐標進行平移變換或旋轉變換。

2.2 子網絡設計

在工控領域，主要有工業以太網技術和工業現場總線技術二類。其中，工業以太網在技術上與商業以太網兼容，均使用TCP／IP協議和RJ45硬件網絡接口，且以太網的速率要比傳統現場總線快很多，完全可以滿足工業控制網絡不斷增長的帶寬要求，故本設計采用工業以太網技術，來實現分布式定位計算的傳輸。子網絡系統結構如圖5所示。

圖5 子網絡系統圖Fig.5 Sub-network system diagram

停車場各個分區的中繼基站，可通過樹莓派接入室內停車動態監測網絡中。由于這里采用工業以太網，故選擇KUNBUS公司的Revpi Conenct。其硬件基于樹莓派，內部集成支持24小時緩存的實時時鐘（RTC），以確保RevPi Connect即使在斷電的情況下仍然保存運行時間點；軟件采用Linux開源架構，預裝Raspbian操作系統版本，可以運行Python或C語言編寫的腳本文件。

同一室內停車場的各定位分區都要布置無線或有線網口，確保分布式定位計算的樹莓派都處于同一網絡中，同時為便于管理局域網內各節點的路由連接，各分區樹莓派應具有固定靜態IP地址。對樹莓派的訪問和維護可通過SSH（Secure Shell，安全外殼協議）遠程登錄進行，端口號：22，默認用戶名和密碼為pi＠raspberry。

2.3 動態全局地圖

為實現室內停車場的路徑規劃及導航功能，監測系統需動態監測停放車輛行駛軌跡。車輛進入停車場后，定位標簽與車牌綁定，將每個車輛的動態位置與靜態地圖結合，形成動態全局地圖。

監測系統會輪詢每個在線標簽的位置坐標，如圖6所示。記錄車輛X從進入到離開停車場期間的實時位置，將所有車輛的位置更新匯總，即可實現動態全局地圖。當兩輛以上的汽車同時駛入或駛出停車場道路時，系統將行駛的車輛視為可移動障礙物，適時調整室內導航，避免路面擁堵甚至碰撞［9］。通過路徑規劃的優化，盡可能提升停車場的利用率和運行流暢程度。

圖6 車輛X的動態地圖更新流程圖Fig.6 Flow chart of dynamic map update for vehicle X

3 數據交互與通信

由于室內停車場所處位置GPS信號條件差且較為空曠，故需在停車場全范圍內覆蓋蜂窩網絡信號。隨著第五代移動通信技術的迅速發展，高速率、低延遲、多連接的優勢讓5G成為智能駕駛領域的首選通信方式。

3.1 數據庫設計

為實現數據的高效管理和云端存儲，監測系統需要建立SQL數據庫，用于存儲車位狀態、定位標簽對應停放車輛、車輛定位及其軌跡、停放時長等數據。基于SQL語句，操作者可根據具體的使用情況實現多表之間及跨數據庫的查詢，除了增改和查詢本地車位，還可登錄遠程服務器進行云端共享，供城市范圍內其它停車場查詢搜索。

客戶端／服務器結構（Client／Server，C／S結構）和網頁／服務器結構（Browser／Server，B／S結構）作為主流結構，通常用于網絡數據庫系統平臺開發結構。C／S結構具有合理劃分應用邏輯，充分發揮客戶機和服務器的性能的特點。同時可以在客戶端和服務器端分別執行應用程序，且開發和布置難度低于B／S結構［10］，故本設計中的數據庫采用基于C／S模式的體系結構編寫。

3.2 室內車路協同

V2X表示Vehicle to X，即車輛同其它事物之間的相互通信。X代表了所有的交通參與單元，即車輛（Vehicle）、交通基礎設施（Infrastructure）、行人（Pedestrian）、云端（Cloud）等。V2X技術為協同式自動駕駛提供可靠的信息交互平臺，使智能車輛獲取更全面的實時交通信息，可廣泛應用于信號燈狀態感知、彎道車速預測、遠程交通信息獲取等［11］。V2X與攝像頭或者雷達不同，是一種精確感知手段，依靠802.11p或者5G通信，可以在大范圍內（室內300 m，室外1 000 m）準確感知周圍車輛的態勢。包括其位置、車速、轉向燈狀態等，解決單車智能形成的信息孤島問題。

一方面，5G基站的布置需實現整個室內停車場的通信范圍全覆蓋；另一方面，劃分為多個定位分區的UWB定位系統通過樹莓派完成分布計算、集中上傳云端的任務。如此，車輛通過5G信號即可接收來自云端的路徑規劃及室內導航、對車輛的動態監測，為車輛在停車場內路面行駛提供實時反饋和針對性建議。

4 系統功能設計

4.1 入庫登記

如圖7所示，監測系統正常工作時，上位機界面記錄有各個定位分區的車位內是否有車輛停放，為進入該室內停車場的車輛提供參考。在入庫登記時，車輛將激活UWB定位標簽，監控室為車輛提供可停放車位信息［12］，數據庫內增加車輛牌照索引。通過綁定標簽ID即可回傳車輛實時定位坐標及位置，切換室內導航。

圖7 入庫登記示意圖Fig.7 Schematic diagram of warehousing registration

4.2 室內導航

如圖8所示，系統根據車輛當前位置和目的車位，結合道路及其路面通過車輛狀況，提供路徑規劃和導航，盡可能避免道路擁堵和盲目尋找車位，有效提升室內停車的效率及利用率。

圖8 室內導航路線圖Fig.8 Indoor navigation route map

4.3 出庫更新

如圖9所示，停放車輛出庫也需要室內導航。從離開車位開始，該車位即被釋放。出庫后，UWB定位標簽休眠或由停車場回收，標簽ID與車輛牌照的綁定也隨之失效，室外導航開啟。

圖9 出庫更新示意圖Fig.9 Schematic diagram of outbound update

4.4 跨車庫調度

城市范圍內，各個停車場的空閑車位分布不均也是造成“停車難”的因素之一。因此，為解決這一難題可將各個停車場的空閑車位信息上傳至遠程服務器，實現區域內車位信息共享。車輛在到達目的地之前即可獲取周邊停車場車位信息，搜索選擇最佳停車位置。

5 結束語

本文設計了一種基于UWB的室內停車動態監測系統，提出在大型室內停車場分區布置定位基站，通過樹莓派建立分布式計算網絡，實時采集停放車輛的動態定位信息，可實現空閑車位查詢、室內停車導航、停放時長記錄、行車軌跡監測，甚至在城市范圍內實現跨區域車位信息共享和停車調度，推動智慧城市交通的發展與應用。