基于智能傳感器的共享車位系統

王 新，徐 源

(長沙理工大學 計算機與通信工程學院，長沙 410114)

城市化的進程導致私家車輛數量近幾年來在各個地區快速增長.根據權威機構發布的統計數據，在我國一線城市中，汽車與停車位的數量比例為1.25，在二、三線城市該比例高達2.00，且根據相關機構估算，截至2020 年，我國停車位需求已達8 000 萬個，缺口巨大，車位資源嚴重不足[1].實際上，車輛是一種使用頻率極高的交通工具，其硬性停車需求無法回避，然而停車位的修建速度遠趕不上私家車輛數量的增長速度.伴隨著私家車輛數量的不斷增加，出現了如停車難、交通堵塞和尾氣排放過量等一系列的問題.

與發達國家相比，我國城市化進度較為滯后，停車困難的情況近些年才出現，對智能泊車系統的需求及其相關研究也相對遲緩[2].但伴隨著我國共享經濟的發展和人們消費觀念的轉變，共享觀念[3]已深深扎根在人們的日常生活中，共享停車軟件也層出不窮.隨著物聯網技術的快速發展和傳感器設備智能化程度的進一步提高，作為嵌入式設備的核心器件，智能控制器的滲透率進一步提升，已從簡單的家電、電動工具等應用向智慧硬件、汽車電子、智慧家居、智慧城市等一系列新興領域擴展[5].

本文針對城市停車難的問題，以某私人小區為主要研究對象，設計并實現了一個基于智能傳感器網絡的共享停車系統.

1 整體設計方案

該共享車位系統以FPGA 控制器為核心，分為軟件和硬件2 個部分.其中，硬件部分包括道閘控制模塊、地鎖控制模塊、地磁檢測模塊、報警模塊等，主要負責道閘、地鎖和車位的管理；軟件部分包括系統管理軟件和客戶端APP 軟件，主要負責位置導航和附近的車位搜索.軟、硬件通過移動網絡進行信息的交互：急需停車的用戶利用手機APP 導航至空閑停車位附近，其泊車需求信息經路由器傳至設備端，通過FPGA 主控模塊控制相關功能模塊運作，直至完成車輛入庫和出庫等操作.系統總體設計框架如圖1 所示.

圖1 系統總體設計方案

2 系統主要功能模塊

2.1 主控模塊

本設計選取STORM IV_E6 FPGA 開發板作為主控模塊.該模塊主要包括FPGA 控制器、發光二極管、溫度傳感器、復位按鍵、蜂鳴器、UART串口、串行FLASH、VGA 接口、1602 和12864液晶接口、MAX485 接口、電機驅動接口等.

2.2 道閘控制模塊

道閘也被稱為擋車器，是停車場重要的組成部件，被廣泛應用于公路收費站、停車場等地以管理車輛的進出[6].電動道閘既能利用無線遙控來操縱閘桿的升降，也能通過停車場管理系統實現自動控制.本設計利用無線通信模塊發送控制信號至停車場的道閘控制器以控制其運作.在FPGA 核心開發板上，LED1 燈的亮和滅分別表示道閘的開啟和關閉.

2.3 地鎖控制模塊

地鎖是一種避免其他人占用自己停車位的機械設備.智能地鎖作為一款可以被電腦、手機等遠程控制的設備，解決了舊版地鎖無法實現實時車位共享的弊端[7].本設計選用了具有無線通信功能的智能地鎖，并將其固定在共享車位上.當地鎖控制器接收到無線通信模塊發出的入庫指令后，便會響應并控制地鎖降下，且延時10 s；若地鎖控制器收到出庫信號且地磁檢測模塊未檢測到該車位被占，便會控制地鎖升起.在模擬測試中，利用LED2 燈的亮和滅分別表示地鎖的降下和升起.為了便于實驗觀察，地鎖的升、降延時暫設為10 s，但在實際場景中，則可根據車庫大小等設定合適的延時時長.

2.4 地磁檢測模塊

地磁傳感器是一種基于電磁感應原理的微電子機械技術的新式傳感器，其優點是體積小、重量輕、能耗低、測量精確度高等，且極易與計算機相連[8].利用地磁傳感器檢測停車位狀態，不僅對路面破壞較小，也不易受環境因素的影響[9]，相較于其他檢測方式更為精準.

本設計選用HMC1023 三軸地磁傳感器.當地磁檢測模塊接收到車輛出庫信息后，會即時檢測當前車位上是否有非法占位的車輛，以避免地鎖升起時對其造成損壞.在測試中，利用開發板上的KEY1 鍵來表示地磁傳感器檢測結果：當該按鍵被按下時，輸出低電平，代表地磁檢測模塊檢測到當前車位上有占位車輛.

2.5 車位報警模塊

當用戶進行出庫掃碼時，無線通信模塊發出車輛出庫信號，此時車位地鎖即將升起，但為了避免因當前車位被非法占據而導致地鎖升起時對車輛造成損壞，需要通過地磁檢測模塊及時檢測當前車位狀態并報警[10].本設計利用FPGA 開發板上的蜂鳴器來模擬報警功能.

2.6 無線傳輸模塊

常用的無線收發芯片主要包括nRF 系列和CC2420.其中，nRF24L01 利用串口收發，能量消耗相對較低，且其信息傳輸速率較高，可達1 Mb/s[11].由于其數據傳輸只占據少部分通信信道，數據發生沖突的幾率及通信功耗較低，且其外圍電路所需的元器件較少，便于達到節點微型，所以本設計選用nRF24L01 無線傳輸模塊.

3 硬件仿真結果分析

為保證系統可靠性，利用ModelSim 軟件對道閘、地鎖和報警模塊進行了硬件時序仿真.其中輸入信號rst_n 為復位信號；rece_init_done 為接收模塊初始化成功信號；rece_data_done 為數據接收完成信號；rece_cmd_data_i 為所接收的數據內容；key_dc_i 為接收端按鍵KEY1，用來模擬道閘處的地磁檢測結果(當有車輛出庫時，按下該鍵，輸出低電平，表示地磁檢測發現當前車位上有車占位)；輸出信號led1 為道閘模塊狀態；led2為地鎖模塊狀態；beep_o 為報警器狀態；rece_rdy_led 為接收模塊初始化成功信號.

當車輛入庫時，無線接收模塊檢測到車輛入庫信號，即rece_cmd_data_i 值為000000001，道閘開啟，led1 為高電平；當車輛離開道閘后，key_dc_i 由高電平變為低電平，道閘關閉，led1 變為低電平；當無線模塊收到入庫信號后會延時10 s，地鎖自動降下，led2 變為高電平，如圖2 所示.當車輛出庫時，無線接收模塊檢測到車輛出庫信號，即rece_cmd_data_i 值為00000010，若此時key_dc_i 為高電平(即當前車位上無車占位)，則地鎖升起，led2 變為低電平，如圖3 所示.

圖2 車輛入庫時序仿真

圖3 車輛出庫時序仿真

當車輛出庫時，若key_dc_i 為低電平(即當前車位上有車非法占位)，則beep_o 由低電平變為高電平，報警器響起，如圖4 所示.

圖4 報警模塊時序仿真

4 系統客戶端APP 設計

客戶端APP 使用HBuilderX 工具并采用uniapp 框架開發[12]，可以實現用戶注冊與登錄、車位查詢和導航等功能.該APP 通過獲取在微信云服務器內所儲存的空閑車位的位置信息，調用地圖定位接口getInstance 對用戶進行定位，并利用騰訊地圖提供的URI API 喚醒地圖小程序，實現用戶定位、車位查詢、導航等功能.其與云服務器的數據交互過程如圖5 所示.

圖5 APP 數據交互流程

5 系統測試與分析

在系統設計完成后，模擬實際應用場景，分別對其設備端和客戶端進行了功能測試.

5.1 設備端測試

當系統正常運行時，要求道閘和地鎖能及時響應中控設備指令并反饋自身狀態；地磁檢測模塊能實時檢測車位狀態，并通過nRF24L01 無線傳輸模塊與中控設備進行通信；各功能模塊能穩定、協同工作，實現系統主要功能.

5.1.1 車輛入庫

按下發送端開發板KEY1 鍵，模擬車輛入庫，此時LED1 亮起，道閘開啟，如圖6 所示.按下接收端開發板KEY1 鍵，模擬車輛離開，道閘關閉，LED1 熄滅；延時10 s 后，LED2 亮起，地鎖自動降下，車輛入庫測試成功，如圖7 所示.

圖6 車輛入庫道閘開啟

圖7 車輛入庫道閘關閉

5.1.2 車輛出庫

按下發送端開發板KEY2 鍵，模擬車輛出庫，若地磁檢測模塊未檢測到車輛(未按下接收端開發板KEY1 鍵)，則地鎖升起，LED2 熄滅，如圖8 所示.此時，若地磁檢測模塊檢測到有車輛非法占位(按下接收端開發板KEY1 鍵)，則蜂鳴器報警；車輛出庫完成，地鎖降下，如圖9 所示.

圖8 車輛出庫地鎖升起

圖9 車輛出庫地鎖降下

5.2 客戶端測試

用戶利用手機客戶端APP 軟件，能夠完成注冊、登錄等常用功能，如圖10(a)所示；在查詢空閑車位時，與云服務器進行數據交互，及時發現附近車位并顯示，如圖10(b)所示；利用地圖組件的定位功能鎖定車位位置并導航，如圖10(c)所示；到達停車位置后與云服務器進行通信，向無線通信模塊發送相關信息，系統設備開始工作.

圖10 客戶端APP 測試界面

在網絡暢通的情況下，對客戶端進行了完整的功能測試，其用戶注冊、登錄、車位查詢、導航等功能均已成功實現，達到了預期目標.

6 結語

本研究針對實際案例，借助智能傳感器和無線通信技術，給出了以FPGA 為控制核心的共享車位系統的解決方案.該系統采用無線數據傳輸手段，實現了主控單元對各主要功能模塊的控制和多設備操作.基于HBuilderX 工具和uni-app框架開發的客戶端軟件，可以提供用戶注冊、登錄、車位查詢、導航等功能.硬件時序仿真和模擬場景測試結果表明，該系統能夠穩定運行.