智慧校園停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對校園內(nèi)停車?yán)щy、車輛亂停等問題，本文提出了一種智慧校園停車系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要利用智慧地鎖、NBIoT、地磁感應(yīng)、攝像頭違停檢測、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，實(shí)時(shí)更新車位狀態(tài)并提供車位導(dǎo)航與反向?qū)ぼ嚨裙δ堋４送猓槍π履茉闯潆娭到y(tǒng)采用智能地鎖并通過小程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁的使用情況。本項(xiàng)目不僅改造了普通地鎖及地磁，并嵌入物聯(lián)網(wǎng)NBIoT模組，將單個(gè)車位的硬件設(shè)備直接連接基站并對接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，利用云端服務(wù)器進(jìn)行身份信息統(tǒng)一管理，保障用戶隱私安全。該系統(tǒng)將構(gòu)建一個(gè)智能、高效、綠色的校園交通生態(tài)圈，為校園停車問題提供了一種新的解決方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；地磁感應(yīng)；NBIoT；YOLOv5；2.4G微波；M5311模塊

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1研究背景

隨著汽車保有量的增加，校園停車問題變得尤為突出。傳統(tǒng)的停車管理方式效率低、成本高，難以滿足需求；新能源車充電需求和多校區(qū)管控也增加了管理的復(fù)雜性。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，智慧校園停車系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，運(yùn)用智慧地鎖、NBIoT、云平臺(tái)、地磁、攝像頭車位導(dǎo)航等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車位監(jiān)測、車輛識(shí)別、導(dǎo)航及違停處理等功能，極大地提升了管理效率和便捷性。通過智能化手段，可以有效解決校園停車難問題，為師生提供更便利、安全的出行環(huán)境。

2系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

智慧校園停車系統(tǒng)是由基于NBIoT遠(yuǎn)程遙控式升降地鎖、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、停車位服務(wù)器和個(gè)人終端組成，旨在提高用戶在停車過程中的便捷性和體驗(yàn)感受。系統(tǒng)中的小程序采用的是WXML開發(fā)框架進(jìn)行開發(fā)，提供了多項(xiàng)功能如查看空閑車位信息、身份綁定、反向?qū)ぼ嚒㈩A(yù)約充電樁等。智慧校園停車系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，包括數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)、違停車輛識(shí)別系統(tǒng)和車位引導(dǎo)系統(tǒng)等。

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、用戶層組成：

（1）感知層以基于NBIoT的停車節(jié)點(diǎn)作為核心單元。充分發(fā)揮了停車業(yè)務(wù)的小帶寬特點(diǎn)，以及NBIoT覆蓋增強(qiáng)的優(yōu)勢；基于NBIoT可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測三軸磁感地磁進(jìn)行車位感應(yīng)，以及攝像頭進(jìn)行識(shí)別車輛、車牌信息。

（2）網(wǎng)絡(luò)層主要以運(yùn)營商N(yùn)BIoT網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道，發(fā)揮NBIoT低速率、低功耗和覆蓋增強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。

（3）應(yīng)用層主要利用服務(wù)器的易管理性、可擴(kuò)展性、可用性，對NBIoT停車節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行整合與設(shè)備管理。用戶通過微信小程序向智慧校園停車系統(tǒng)提出服務(wù)申請，服務(wù)平臺(tái)將控制指令發(fā)送至云端，云端通過NBIOT網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送給M5311模塊控制鎖臂升降地鎖，為用戶保留充電柱車位；還可通過微信小程序進(jìn)行車位誘導(dǎo)，以及反向?qū)ぼ嚨裙δ艿氖褂谩?/p>

（4）用戶層主要基于微信小程序搭建用戶應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)用戶空閑停車位的查詢、導(dǎo)航以及充電柱預(yù)約，反向?qū)ぼ嚨炔僮鳎约皵?shù)據(jù)可視化大屏供物業(yè)進(jìn)行停車數(shù)據(jù)查看與管理。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1地磁感應(yīng)技術(shù)

基于NBIoT可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測三軸磁感地磁，能夠?qū)崿F(xiàn)對車位的實(shí)時(shí)檢測。該技術(shù)采用NBIoT無線通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，具有功耗低和信號穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

如圖2所示，地磁外殼包括圓形凹槽底座07、圓形凹槽蓋板、設(shè)備插槽盒08、蓋板橡膠圈及固定螺絲，設(shè)備插槽盒08設(shè)于圓形凹槽底座07內(nèi)，圓形凹槽蓋板設(shè)于圓形凹槽底座07上，蓋板橡膠圈設(shè)于圓形凹槽蓋板內(nèi)，固定螺絲設(shè)于圓形凹槽蓋板07上。

地磁傳感模塊10包括磁場感應(yīng)芯片、信號處理單元、信號傳輸單元，磁場感應(yīng)芯片的輸出端連接信號處理單元的輸入端，信號處理單元的輸出端連接信號傳輸單元的輸入端，信號傳輸單元的輸出端連接邏輯處理模塊11。地磁傳感模塊10將信號傳輸給邏輯處理模塊11進(jìn)行處理，以保證將地磁場的信息轉(zhuǎn)化為有用的數(shù)據(jù)和結(jié)果，為設(shè)備的精準(zhǔn)定位提供了保障。

邏輯處理模塊11包括數(shù)據(jù)處理芯片、數(shù)據(jù)傳輸單元、設(shè)備蜂鳴器13及供電電源09，地磁傳感模塊10的輸出端連接數(shù)據(jù)處理芯片的輸入端，數(shù)據(jù)處理芯片的輸出端連接數(shù)據(jù)傳輸單元的輸入端，數(shù)據(jù)傳輸單元的輸出端連接NBloT通信模塊12，數(shù)據(jù)處理芯片的輸出端連接設(shè)備蜂鳴器13的輸入端，供電電源09分別連接數(shù)據(jù)處理芯片、設(shè)備蜂鳴器13以及NBloT通信模塊12。內(nèi)外膽結(jié)構(gòu)易于安裝維護(hù)，供電電源09可更換，設(shè)備蜂鳴器13響起則表示設(shè)備啟動(dòng)成功，邏輯處理模塊11將地磁傳感模塊10的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。將數(shù)據(jù)對比后，磁場無偏移則表示無車，通過NBloT通信模塊12將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器處理后，通過HTTP協(xié)議將信號發(fā)送給客戶端，以此進(jìn)行反向誘導(dǎo)尋車。

2.2.2違停檢測技術(shù)

基于YOLOv5算法實(shí)現(xiàn)的車輛違停檢測技術(shù)，旨在解決監(jiān)控視頻場景下的車輛停留違規(guī)行為檢測問題。通過集成卷積核運(yùn)算以及非極大值抑制算法等技術(shù)進(jìn)行算法優(yōu)化，采用輕量級模型或模型壓縮技術(shù)，采用更優(yōu)化的IOULoss作為損失函數(shù)，提高了系統(tǒng)的檢測能力和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)選擇DS2CD1021FDIW1型號的攝像頭和DS4000HC型號的視頻采集壓縮卡，配備高分辨率圖像傳感器和先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，提供清晰、細(xì)節(jié)豐富的視頻圖像，并通過網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控，為用戶提供便捷的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

在車輛的特征提取時(shí)，輸入的圖像會(huì)經(jīng)過YOLO的CNN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取和分類，并產(chǎn)生候選框，用于目標(biāo)檢測。在這個(gè)過程中，CNN網(wǎng)絡(luò)的主要流程如下：

（1）將輸入圖像處理成固定大小。首先，輸入圖像會(huì)經(jīng)過歸一化、尺寸調(diào)整等預(yù)處理操作，使得每張輸入圖像的大小都固定為相同的尺寸，方便算法處理。

（2）特征提取。接下來，CNN網(wǎng)絡(luò)會(huì)對經(jīng)過預(yù)處理的圖像進(jìn)行多層卷積操作，提取圖像的特征。CNN網(wǎng)絡(luò)提取的特征包括顏色、形狀、紋理等多種信息。

（3）候選框產(chǎn)生。CNN網(wǎng)絡(luò)處理過程中，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生若干個(gè)候選框，每個(gè)候選框會(huì)包含一個(gè)概率值，表示該候選框內(nèi)存在目標(biāo)的概率大小。

（4）非極大值抑制。為了避免多個(gè)候選框同時(shí)預(yù)測同一個(gè)目標(biāo)，需要使用非極大值抑制（NMS）進(jìn)行優(yōu)化篩選。具體來說，對于候選框中預(yù)測概率值較小或有較大重疊度的候選框，會(huì)進(jìn)行去重操作，只保留其中一個(gè)。

（5）目標(biāo)分類與定位。最后，經(jīng)過NMS篩選之后的候選框會(huì)分別進(jìn)行目標(biāo)分類和定位。目標(biāo)分類根據(jù)候選框中的特征判斷其所屬的類別，而目標(biāo)定位則用于確定目標(biāo)位置及其大小等信息。

在使用YOLO網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車輛違停檢測時(shí)，IOU（IntersectionoverUnion）值通常被用于判斷檢測框和違停區(qū)域之間的位置關(guān)系。

首先，計(jì)算檢測框和違停區(qū)域之間的交集（Intersection）的面積。其次，計(jì)算檢測框和違停區(qū)域之間的并集（Union）的面積。再次，將兩個(gè)步驟得到的結(jié)果代入IOU計(jì)算公式，即IOU=Intersection/Union，計(jì)算檢測框和違停區(qū)域之間的IOU值。最后，將計(jì)算得到的IOU值與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，如果IOU值大于或等于閾值，則認(rèn)為檢測框和違停區(qū)域存在一定的重疊部分，即違停區(qū)域被檢測框所覆蓋，則判斷檢測框內(nèi)的車輛違停。如圖3所示。

3系統(tǒng)功能及應(yīng)用管理

3.1小程序應(yīng)用

此小程序基于微信平臺(tái)上的一種輕量級應(yīng)用，它不需要下載和安裝即可使用，用戶可以直接在微信中搜索、打開和使用。這是讓校園停車位資源得到有效運(yùn)用，為校內(nèi)停車用戶搭建一個(gè)信息平臺(tái)，解決停車難以及新能源車充電等問題而設(shè)計(jì)的一款軟件。

3.2車位查看

通過NBIoT物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與地磁檢測器相連接，實(shí)現(xiàn)對停車信息的傳輸。用戶進(jìn)入停車場前可以通過微信小程序?yàn)g覽和查找校園內(nèi)可用的停車位信息，以便選擇空閑停車位進(jìn)行泊車。

3.3車位誘導(dǎo)

用戶在微信小程序中選擇車位后，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶當(dāng)前位置和停車場內(nèi)車位信息，提供最優(yōu)的停車路線和車位導(dǎo)航，幫助用戶快速找到空余的車位。

3.4車輛入位

在停車位下方布置NBIoT通信技術(shù)的地磁車輛檢測器，用來檢測車位是否有車輛停入。如檢測器上方有車輛占用，則通過NBIoT通信技術(shù)進(jìn)行傳輸反饋至小程序頁面中，顯示本車位已占。

3.5預(yù)約充電樁

將新能源充電樁與智慧地鎖進(jìn)行一比一綁定，當(dāng)擁有新能源車的用戶在微信小程序上預(yù)約充電，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)將預(yù)約信息反饋給用戶，地鎖上升，為其保留相應(yīng)的充電樁資源。

3.6用戶信息

提供綁定用戶的個(gè)人信息功能，包括車牌錄入、人臉錄入及個(gè)人信息修改等功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用MySQL。為保障用戶數(shù)據(jù)的安全性，對于關(guān)鍵數(shù)據(jù)如用戶密碼等，系統(tǒng)采用加密算法進(jìn)行加密。此外，系統(tǒng)還設(shè)置了嚴(yán)格的訪問控制機(jī)制，確保只有合法的用戶或系統(tǒng)才能訪問數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與訪問控制等方面采取了一系列措施，保障了用戶數(shù)據(jù)的安全可靠。

結(jié)語

智慧校園停車系統(tǒng)致力于解決廣大教職工校園停車不便、新能源車充電樁不足、校園物業(yè)管理難的問題，以緩解交通問題作為開發(fā)思路，不斷追求更便捷的用戶體驗(yàn)。我們結(jié)合當(dāng)今的領(lǐng)先技術(shù)，以用戶停車體驗(yàn)為首要原則，設(shè)計(jì)并研發(fā)了一套智慧校園停車系統(tǒng)，針對數(shù)量極其龐大的校內(nèi)有車一族，推出微信小程序，實(shí)現(xiàn)高效停車、預(yù)約充電等貼合用戶需求，同時(shí)，為物業(yè)提供車輛違停系統(tǒng)，更好地提高優(yōu)質(zhì)的停車服務(wù)和智慧校園管理服務(wù)。智慧校園停車系統(tǒng)的推出為智能交通領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的思路和方向，為廣大用戶暢享更加便捷、高效的停車服務(wù)開創(chuàng)了新時(shí)代。

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基金項(xiàng)目：校級創(chuàng)客項(xiàng)目互享停—智慧校園停車系統(tǒng)

作者簡介：李臻煬（2005—），男，漢族，廣東揭陽人，本科在讀，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算技術(shù)應(yīng)用；楊思怡（2003—），女，漢族，廣東深圳人，本科在讀，主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；繆華健（2003—），男，漢族，廣東深圳人，本科在讀，主要研究方向?yàn)檐浖こ獭?/p>