基于物联网的车位在线检测与显示.doc

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1、 160 价值工程 基于物联网的车位在线检测与显示 Parking Space Online Testing and Display Based on Internet of Things 田昌民 TIAN Chang-min； 顾江洋 GU Jiang-yang ； 王宁 WANG Ning ； 毛小银 MAO Xiao-yin （ 安徽三联学院交通工程学院，合肥 230601； 交通安全应用技术协同创新中心，合肥 230601） （ Anhui Sanlian College School of Traffic Engineering， Hefei 230601， China； Coope

2、rative Innovation Center for Traffic Safety Application Technology， Hefei 230601， China） 摘要 ： 随着我国汽车数量大幅度增加，停车难问题越来越严重 。 因此，针对城市车库 、 停车场的 “停车难 ”问题提出了由物联网检 测车位，显示车位的设计方案 。 该方案利用超声测距与 ATMEGA 配合来检测车位信息；再将监测信息通过 ZigBee 网络传输到管理终 端，管理终端通过串口把收集到的信息上传到上位机平台，由该平台将车库信息反应到 LED 显示屏 。 这样达到方便停车的目的 。 Abstract: Wit

3、h the increase of the number of cars in our country, the parking problem becomes more and more serious. Therefore, in view of the problem of parking difficult in urban garages and parking lots, a design scheme of detecting parking spaces and displaying parking spaces is proposed by the Internet of T

4、hings. The program uses ultrasonic ranging and ATMEGA to detect parking information, then transmits the monitoring information to the management terminal through the ZigBee network, and the management terminal uploads the collected information to the host computer platform through the serial port, a

5、nd the platform reflects the garage information to the LED display, to achieve the purpose of convenient parking. 关键词 ： 停车难；物联网； ZigBee 技术；超声波 Key words: parking difficult； Internet of Things； ZigBee technology； ultrasonic 中图分类号 ： P225 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1006-4311（ 2018） 11-0160-05 DOI:10.14018/13-108

6、5/n.2018.11.065 1 概述 位、搜索功能，可以实时直观 地查看附 近停车 场和停 车位 1.1 社会背景 使用情况，具备停车计时、移动端支付停车费用等功能。 随着国家工业实力的提升，机 动车在持续增 加。于此 1.3 社会问题 同时也带来了一些问题。停车管理存在一些缺陷 ，停车供 1.3.1 停车难问题产生的原因 需矛盾日益突出，特别是在人流较集中的区域存 在停车位 机动车数量迅速增长。近些年，我国机动 车不断增 紧张，不 同程度地展现 “一位难求 ”的停车问题，停车 难的 加，在 2014 年已经 突破 2 亿多辆，至 2016 年年底达 1.174 问题已经严重影响到城市的经

7、济发展。 亿，占世界汽车总量的 19%。 汽车出行已成为人们日益普 1.2 国内外研究状况 及的出行方式，如图 1。 国外停车系统采用互联网技术与实物相结合 的方法， 2005-2016 年汽车保有量 国的 圣保罗商业区 比日本更 早采用中 央计算 机公布停 车 场状况，能够准确地获得相应信息。 在国内，已有一些关于物联网停车方 面的研究， 2014 生创新创业训练计划（编号： 201610959036）。 染物的产生加重了环境的污染。 鸣笛使用率高，造成污染。 作者简介 ： 田昌民（ 1995-），男，安徽宿州人，学生，本科，研 究方向 1.4 研究的意义 为交通工程；顾江洋（通讯作者）（

8、1993-），男，安 徽安庆 针对 以上问题，为了更加 有效地 停车，采 用物联 网的 人，助教，学士，研究方向为智能交通。 车位在线检测与显示很有必要而且意义重大： 车辆（万辆） 达到在一定区域多个停车场间可以随意停车的目的，停车 25000 费用和车位使用都是由系统统一管理安排，节省 了人力物 20000 力，同时 可以提前预订车位停车，给生活带来了便利 。美 15000 10000 5000 0 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 预约 停车的装置 ，此系统利用 物联网 ，计时器

9、和压力传 感 图1 2005-2016 年中国汽车保有量条形图 （ 单位 ： 万辆 ） 器的弹性压力装置，这样不仅能够获得车位信息还能提前 停车场传统管理方法比较原始且相对单 一。当今基 预约，该 装置车位检测较为 准确，可应用 范围广。在 2017 本利用人工诱导方法来停车。有没有停车位不能提前知晓 年 5 月 17 日 西 南 交 通 大 学 张 海 涛 硕 士 提 出 了 基 于 其花费时间。 Android 和物联网的自助收费停车控制系统的设 计，使用 1.3.2停车难产生的影响 Android手机客户端 App 包含用户注册、登陆和个人信息 能源消耗加重，交通事故发生频繁。寻找车位比

10、较 管理等功能，采用高德 地图 SDK 开发 组件，实现地 图定 盲目，浪费大量时间，并且车辆刮蹭等事故时有发生。 空气和噪声污染加重。能源和机动车尾气等这些污 基金项目 ： Value Engineering 161 一方 面，减少了车 主寻找 车位的时 间，间 接地减少 了 燃油的消耗，节约 资源。 一方 面，使得管理 停车场 更加合理 有效，减轻人力 物 力，很大程度上提高车位的利用率，节省劳动成本。 1.5 设计思路 利用物联网去改变停车的模式。利用超声波探测是否 有车 ， ZigBee 无线通 讯等设备 可以 实时通 知司机 整个 车 库的停车状况，包括停车场内车辆停放数量和每 个车

11、位的 占、空状态，从而来提高车位的利用率和停车效率。 车位信息采集利用超声波和压力传感器，将收 集的车 位信息传 给单片机去处理；利 用 ZigBee 无线通信为 单片 机和计算机传输数据；实现远程显示功能。（图 2） 开始 传感器 检测压力 检测距离变化 是否超过阈值？ 单片机 检测是否有车 ZigBee 模块 远程显示 图 2 车位检测系统的设计流程图 根据设计要求，将系统主要分为车位检测、车位 计数、 无线通信等系统。 2 车位检测系统 2.1 超声波传感器检测系统 2.1.1 超声波测距原理 高于 20000 赫兹的超声波频率，它的指向及穿透 能力 极强。在标压下，空气认为是理想化的气

12、体。那 么在空气 中，超声波传播速度为： r 式 中， M 为气 体的 摩尔 质量 ， Cp 为定 压比 热， Cr 为 定 容比热， R 为摩尔气体常数； T 为热力学温度。对于一定气 体， r， R 及 M 为定值。 根据公式（ 1）知超声波在理想介质中的传播速度 与热 度存在一种线比性，可将公式（ 1）转化为： 姨 273 即在温度 r 为 273.16K、在标准大气压下，其温 度变化 在 -40 +50 之间的范围，空气中声速的实验理论值为： C0= 331.450.05） m/s 在空 气中，超声波 从探头 传出，在 介质中 传播遇到 物 体被反射，传到探头上。超声波在传 播过程中会

13、有 较大的 干扰和衰减。 在声波传播途中，声波信号强度因干扰而有所 减弱。 在相 同介质中，超 声波的传向 与振向是 垂直的 ，是简谐 纵 波的 一部分。超 声波振动方 向在理想 化 的介 质中位 移式 0 式中， A（ x）为振幅； A0 为振 动初始条件决定的常 数； w 为 角 频率 ； t 为时 间 ； x 为 传 播距 离 ， 2/ 为 波 数 ， 为 波 长， 为声波衰减系数 。衰减系数与声波所在介质 及频率 的关系为： e 公式（ 4）中， Ae 为介质当中的常数， f 为方向振频。 e 40kHz，代 入公 式（ 4）可 得 =3.210 cm ，即 1/=31.2cm。 由公

14、式（ 4）知音波在介质中振频越高，损耗越大。双频连续 纵波相位如图 3 所示。超声波因频率高相对于频率低 的超 声波而言，高频与低频相比更有助于测距，如图 4 所示。超 声 波检测车 位时，利用渡越 时间 法，此 采用频 率为 40kHz 的超声波，且波 长超过 8.5mm。但在通常情况下一 般选用 30-100kHz 的超声波来测距。 振幅 1 时间 t -1 -2 图 3 双频连续波相位图 2.1.2 超声波探测车位原理 芯片单机片带动计时器计时，超声波再介质 中传播碰 壁后 会被电路转 换成电压 信号，接收 信号后 芯片立 即停 止。声波在空气中传速是 C=340m/s，利用计时器计时便

15、可 得到两点的距 离（ L），即： L=（ C*t） /2 （ 5） 式中： C 为超声波在空 气中的传播速度； t 为 超声波在 空气中传播的时间。 超声 波工作时，通过被测 物体的 反射、回 波接收 后的 时间差不同来测量距离，其基本原理如图 4 所示。 碍 物 L 发射 图 4 超声波测距原理 超声波传感器换双向可逆，在上文中已经 介绍过。超 声换能器利用定时器计时，得到起始与终止时 的时间便可 得到相应的距离硬件如图 5 所示。 超声波发射 停车 超声波接收 图 5 超声波探车位的硬件原理 图 超声波 压力传感器 检测车位 否 否 rRT C c= ， r= （ 1） M C T C=

16、331.4 1+ （ 2） -ax 162 价值工程 利用超声波测距装置，发送超声波。当停车位上 无车 时，超声 波发射头与地面间的长度为 L0 定 值；当车位 上有 式中： Uo 为输出电压， Ui 为输入电压。 2 鄣U o dR 2 + 鄣U o 车驶 入时，超声波 探头与障碍 物的长 度变为 L1，对测 量的 L 设定一定范 围的阈值，当超声波测的距 离明显缩短了 汽 车的高度 L 这个数值，便可知道停车位是否有车。 dR3 + 鄣U 鄣R o 4 dR 4 鄣R 1 鄣R 2 鄣 R3 （ 8） 在我国，交通管理部门把汽车分为大型汽车和 小型汽 车，本次研究设计 的停车场主 要是供

17、小型汽车 使用，小 型 汽车的车型代号为 C1。统一国家标准，设计的最大总质量 M 燮 4500kg。长 6.0m，宽 2.0m，高 2.5m。它们高度比 无车 时测得距离要 小得多，所 以，根据 小型汽 车的高度 尺 寸设计要求，在这里我们设定的阈值满足公式（ 6），期中 0 为预设距离定值， 为测得瞬时距离值。 L 燮 0/2 （ 6） 则记为有车状态，如图 6 所示。 L1 L0 当 R1=R2=R3=R4，为全等阻值电路，即各电阻 应变片灵 敏系数 K 相同，式（ 8）可简化为 : 1 2 3 4 1 2 3 4 4 式（ 10）为电路转换原理的一般形式。 U 为输出电压。 作为全等臂

18、电路， R1=R2=R3=R4，式（ 10）变为 U=UK。 压力传感器对压力的感知性能 ，可将压力转换 为模拟 的电压输出量，但是值得注意的是此输出信号不 能直接由 单片机处理。需要经 A/D 转换为信号，单机片实际压力值 是通过信号来的。（图 8） 压力信号 压力传感器 放大电路 图 6 超声波检测车辆的原理图 单片机 图 8 压力电信号 工作原理流程图 A/D 转换器 硬 件方面 采用 ATMEGA16 芯片单 片机 控制超 声波 ， 其 特点是 运算 速度快 、功耗 低、成本低 等特点 。实际采 集 的 数据图 表如图 7 所示 ，采 用 5V 直流电 压检 测距 离，功 耗 小。 V

19、/ 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 100 200 300 400 500 /cm 图 7 测量距离与输出电压 考虑 到单一利用 超声波 传感器探 测有无 车辆准确 性 不够 高，比如人停 留在车位上 ，也满 足（ 6）公式 ，则必 然会 出现误判现象。因此用压力传感器作为辅助探测 ，人的重 量比小型汽车的重量小，利用压力传感器就排除 了人停留 在车位上的误判现象，提高了探测车位的准确性。 2.2 压力传感器检测系统 当 压 力敏 感 元 件 受到 压 力 作用 后 产 生反 向 或 正 向 应 变 ，表 面电 阻随 之而 产生变 化。 两输 出

20、端 的共 模电 压 随着 电阻值 变化。一 般情况 下这种 对应关系 有近似 线性 的 关系。 要测 到压 力值，就要 先得 到压 力变 化和 输出 电 压的 数据。 R1 +R2 R3 +R4 根据 国家标准 ，小汽车 设计的最 大总质 量小于 等于 4500kg。这里我们设置阈值为 1000kg，完全排除了有人存 在导致的误判的现象。 压力 传感器会 检测到 设置的重 量阈值 ，超过这 个阈 值，则会判为有车，否则为无车状态。（图 9 和表 1） 压力 传感器 图 9 压力传感器检测车位的示意图 表 1 压力传感器技术参数 额定载荷 5kg 20t 精度等级 C2 综合误差（ %F.S）

21、0.03 激励电压（ V） 9 12（ DC） 灵敏度（ mV/V） 2.00.02 重复性（ %F.S） 0.01 灵敏度温度影响（ %F.S/10 ） 0.03 安全过载范围（ %F.S） 150 零点输出（ %F.S） 1 极限过载范围（ %F.S） 200 防护等级 IP65 2.3 红外光电传感器计数系统 2.3.1 红外光电传感器原理 红外传感器有对发射、接受器，适用于一切光 线，如果 发出 一定强度的 红外线，碰壁 障碍物 后反射接 受，电 压比 鄣 U 输入电 压一 定且 R dU = dR + U dR dR dR dR dU= （ - + - + ） （ 9） 4 R R

22、R U dR dR dR dR 且R dU = （ - + - + ） 4 R R R U k = （ - + - +） （ 10） 0 R R U=U（ - ） （ 7） Value Engineering 163 较器（ LM393）处理 ，再传 给低电 平信 号传给 单片机 ，利 用 电位器测距，效率距离是 2-30cm，工作电压为 3.3-5V。利 用传感器改善距离的不足。（图 10-11） 光信号 电参量 系统 元件 量电路 信号 被测物 图 10 红外传感 器的结构流程图 图 11 红外光电的原理示意图 2.3.2 红外光电传感器计数原理 当想要停车的车辆经过红外传感器时，发出的

23、红外光 线被 遮挡，红外接 收感应到障 碍物信 号，一起 传出的不 同 电 平变 化信 号传 给 CPU 处理 ，后 CPU 发出 所需 要的 命 令，这样便可实现对停车位上计数统计的功能 。当数值达 到预定值时，红灯信号显亮告知停车位已满。（图 12、 13） 开始 单片机 初始化函数 汽车是否经过 开始计数 是否达到计数上限 提醒显示车位已满 2.4.1 上位机和下位机通信模块 车位收集是超声波传感器探测的，输出的是 距离，需 要 A/D 转换模块成数字信息。 上位机采集数据：可由下位机利用通信口与 上位机通 信后得到。上位机分析结束以后，对比原先设 定好的距离 值，如果近似等于设定值，就

24、会显示空车位。（图 14） 传感器 数据 处理 号转换 值比较 号转换 下位机 信息处理 上位机 通信模块 图 14 上 、 下位机通信流程图 2.4.2 用于 ZigBee 无线技术的在线显示 ZigBee 主要作 用是把超 声波测 距模块采 集到的 停车 位信息传送给云端数据库，利用物联网技术来 实时显示。 其电路图如图 15 所示。它主要有以下特点： 低功 耗。在非 工作 的待机 状态 下， 2 节 1.5V 的 直 流 电池 提 供任 何 一个 节 点运 行 两年 多 ，这 是 ZigBee 的 优 势。 成本低。全功能与子功能所需代码分别为 32k 和 4k，让通信控制器降低了难度，

25、而且 ZIGBEE 可免专利费 。 延迟时间短。 Zigbee 的响应速度较快，从睡眠状态 过度到工作状态只需要 15 秒，节点链接过程也只需要半 分钟，可以节约能源，防止能源的过度消耗。 安全性较高。 ZigBee 里存在着三级安全模式，接入 了控制清单，采用了高级加密标准（ ASE-128）的对称式密 码，做到数据本质安全化目的。（表 2、图 15 和图 16） 表 2 不同无线传输模块参数比较 无线传输模块 Wi-Fi 红外 蓝牙 ZigBee 网络节点数目 30 2 8 6500 传输速率 11Mbps 4Mbps 1Mbps 20-250Kbps 能耗（ mw） 100 几毫瓦 1-

26、100 1-3 传输距离 100m 定向 1m 10m 30-3000m 工作频率 2.4Hz 3.16*1014Hz 2.4GHz 868&915MHz 图 12 结束 车位信息计数分析流程图 采集器 采集器 采集器 1 号 停 车 位 红外感 应器 2 号 停 车 位 红外感 应器 3 号 停 车 位 红外感 应器 4 号 停 车 位 红外感 应器 5 号 停 车 位 红外感 应器 6 号 停 车 位 图 13 车位信息红外计数原理图 图 模块系统电路图 2.4无线通信模块 15 ZigBee 信号 可用 是 否 超声波 距 离 信号 A/D 信 D/A 信 输出 164 价值工程 超声波

27、、压力 传感器 检测是否 有车 ZigBee 采集 无线传输 数据库 Internet 组件 WiFi 网络 服务器 GPS 用户客户端 图 17 停车场车位信息采集结构图 Internet 数据库 停车场 发 送 7 号车位 8号车位 9 号车位 ZigBee 10号车位 11 号车位 12号车位 联网 /GPS 3号、 10 号车位无 车 1 号车位 2号车位 无线传感器 3号车位 4号车位 5号车位 6号车位 12号车位 模块 图 19 停车位在线检测与显示的系统效果图 开始 GPS 是 是否首次使用 否 登录 注册 搜索附近停车场 图 16 ZigBee 无线模块实物图 显示空车位 选

28、择空车位 3 停车场终端的操作系统 使用 超声波探测 器和压 力传感器 对车的 状态进行 检 测 ，当车 进入探 测范 围时，传感 器会 感应 到其 变化 ，通 过 ZigBee 无线传输，将感应到的信号传输到控制器 通过显示 屏显示出来。之后经 Internet 组件将信息传到云端数据库， 用户打开 GPS 联网，可在手 机客户端上 实时观看到 停车 图 18 结束 停车位终端系统的用户操作流程图 位的状态，如图 17 所示。 新用户 需要注册，在 GPS 打开的条件 下完成登录 ，如 图 18 所示，可以搜索附近停车场的空车位情况。 用户只需要用简单的一个软件，就能 看清停车 场的停 车情

29、况，如图 19 所示，大大节省了时间。同时，也能增加停 车位的利用率，使停车更节省时间，便捷人们的生活。 4 总结 本设 计的车位在 线检测 与显示方 案是在 于物联网 的 基础之上。运用超声波传感器测距原理及压力传感器采集 有无停车 位的信息，再通过 ZigBee 的无 线传输技术传 输 到数据库以便实现停车场的智能动态显示。以达到为车主 减少 寻求车位的时 间，间接地 减少了燃 油的消 耗，节约 资 源；提高车位的利用率。使得管理停车场更加合理有效化， 减轻了人力物力。但本系统在 数据传输方面，并 未研究断 网和网络信号不稳定问题，在以后开发过程中会 将对此情 况进行研究，完善系统的通信模

30、块。 参考文献 ： 1曲大义，陈秀锋，魏金丽 .智 能交通技术 及其应用 M.机械 工业出版社， 2011（ 10）： 1-4. 2李卫红 .居民区内实施智能停车信息系统的可行性 J.中小 企业管理与科技， 2015， 26. 3鄂旭，王志良 .物联 网关键技术及应 用 M.北京 ：清 华大学 出版社， 2013， 8. 4周洪，张红梅，郭爱学，等 .智能小区管理与控制系统 M.北 京：中国电力出 版社， 2006， 15. 5王权平，王莉 .Zig Bee 技术简析 J.通讯世界， 2003， 4（ 101）： 41-43. 6高庆敏，常振江 .基 于 Zigbee 技术的小区 停车场管理 系统 设计 J.华北水利水电学院学报， 2009， 30（ 2）： 75-76. 7杨劲松，王敏，黄心汉超声波可变阈值测距装置 J电子技 术应用， 1998（ 07）： 7 9. 超声波测距