基于物联网的智能立体车库创新实践系统研制

陈娇英陈延明

(1.广西大学电气工程学院， 广西南宁530004； 2.广西工业职业技术学院， 广西南宁530001)

0 引言

我国各大中城市汽车的拥有量急速增加，开发应用基于物联网+无线传感技术的智能立体车库建设成为目前大中城市规划建设的重要举措[1-3]。随着物联网技术飞速发展，智能立体停车场高层化规划设计已成为解决城市静态交通拥堵的有效措施[4]。文献[5-6]报道了融合RFID无线射频技术与ZigBee自组网实现高稳定度的短距离物联网控制。ZigBee自组网及手机APP远程控制在各领域也得到广泛开发应用[7-10]。伴随着物联网技术推广应用，物联网技术人才培养问题凸显重要，对接物联网技术人才培养急需求，开发低成本、占地面积少、布置灵活、停车率高、安全可靠的智能化立体车库创新实践系统，目前尚未见有参考文献报道。研制基于物联网技术的智能立体停车库创新实践系统，是贯彻落实国家政策，开发创新科技实训基地，高速高效为社会培养物联网智能技术应用型人才的急速要求。成果作为一个科技创新实践实验平台推广应用于中高职院校物联网智能技术相关专业的人才培养，解决现代化城市智能交通规划建设紧缺人才问题。

1 系统设计

基于物联网技术的智能立体车库教学实训系统构成如图1所示。主要由管理服务器、中央控制器及5个控制点组成。

1.1 管理服务器

管理服务器负责整个系统的中心控制和数据保存，连接网关、pc电脑、智能安卓手机等。在浏览器内输入服务器地址，即可登陆到服务器的web管理界面，查询到相关信息。

1.2 中央控制器

中央控制器包括网关及ZigBee协调器，网关选用S5P4418处理器(ARM Cortex-A9)，具有开发应用方便，教学应用性强等特点。网关集成有ZigBee协调器网络通信模块，负责对ZigBee网络内各采集节点和控制节点进行采集控制，是ZigBee网络服务中心，负责ZigBee短距离无线传感器局域网内信息联络、交换、处理。

1.3 控制节点

① 道闸控制

在立体车库的入口和出口各安装一个道闸，道闸主要由Zigbee通信模块及控制器、驱动电机等组成。道闸入口处安装RFID电子标签，智能小车行驶到道闸入口处时，读卡器读取电子标签信息并发送给网关，小车自动停止等待道闸打开，同时道闸控制器接收到智能小车到达该入口信息，控制驱动电机摆闸打开，智能小车自动行驶通过，然后延时5 s打下道闸。

② 立体车库

立体车库的入库及出库控制系统由 STC15F2K60S2单片机、驱动电路、ZigBee通信模块、光电隔离、直流电机、限位开关等组成，工作原理如图2所示。

图2 立体车库工作原理Fig.2 Working principle of the vertical garage

整个立体车库需要16个直流驱动电机(包括底部旋转电机、垂直升降电机、平移电机)及25个D-A93系列磁感应限位开关。当ZigBee路由器接收到网关ZigBee协调器发来车辆入库或出库信号时，把信号传输给STC15控制器，控制器输出控制指令驱动相应电机工作，带动托车盘接车运载送往目的地，通过限位开关检测小车停车是否到位并通信给STC15控制器，同时把信息反馈给网关。

③ 智能小车

智能小车用于模拟客户端车辆，整车由控制器(STC12C5A60S2单片机)、ZigBee 通信模块、红外线光电传感器、红外线对管传感器、125K读卡器、驱动轮、万向轮等组成。网关发出的控制指令，由ZigBee网络传送给控制器控制智能小车自动驾驶。通过RFID射频识别定位停车，选用软磁轨道进行路线循迹实现安全行驶。

④ 自动计费

自动计费系统主要由Zigbee通信模块和电脑组成，Zigbee通信模块根据接收到车辆的入库及出库时间进行停车时间计算，依据收费标准及停车时间自动计算停车费用；收费标准可以根据需要随机调整，收费计算时间能精确到秒，收费计算金额能精确到“角”。

⑤ 车位显示

该系统由STC8A单片机及LCD显示模块、Zigbee通信模块等组成。接收Zigbee 协调器发来的智能小车信息。可显示空车位数量及空车位编号。LCD显示采用320×240点阵的320240G-905-PL。JLX320240G-905-PC 型液晶显示模块作为普通的图像型液晶显示使用。

2 物联网设计

物联网通信系统如图3所示。把RFID无线射频技术与ZigBee自组网技术融合一起，实现短距离物联网，对静止或移动车辆进行自动识别，两者结合使数据的采集和传输更加准确可靠，使立体停车库管理效率大大提高。通过服务器软件可以实现车位预约、车辆出入车库控制、收费等智能化管理。网关和ZigBee协调器连接一起，每个终端节点需要安装一个ZigBee通信模块，每个需要目标定位点安装一个对应的RFID电子标签。

图3 物联网通信示意图Fig.3 Communication schematic of the Internet of Things

2.1 RFID射频识别

RFID射频技术(radio frequency identification, RFID)是一种简单的无线系统。由电子标签和读卡器组成，用于实现对智能小车的控制、检测和跟踪、定位。电子标签安装于需要控制的目标点，读卡器安装于智能小车上，智能小车上行驶到控制目标点时，读卡器读取电子标签芯片的信息，并解码发送至网关(中央处理器)进行有关数据处理。

2.2 ZigBee自组网

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的局域无线双向通信技术，具有低速率、低功耗、低成本、低复杂度等特点。通过ZigBee技术实现短距离通信，具备完整的应答通讯协议，能灵活组织及扩展网络，支持身份验证和设备鉴权。ZigBee通信网络组建主要包括上电初始化、网络拓扑更新、节点与网关通信三个过程。自组网络拓扑结构如图4所示，协调器是整个网络中心，负责网络初始化、给终端设备分配网址及接收路由器新的入网请求；路由器是网络系统的枢纽，控制网络中多跳路由选择和新设备入网；终端设备只负责数据的收发。

图4 ZigBee自组网络拓扑结构Fig.4 ZigBee self-organizing network topology

3 系统软件设计

立体车库小车入库、出库的软件流程如图5所示。

需要存车入库时，通过手机APP预约(或由系统随机选空位)，智能小车自动循迹行驶至停车场入口处，立体车库通过升降平移等一系列动作将拖车盘移到入口处，系统通过ZigBee网络通信给智能小车发送指令，智能小车驶入空托车盘，光电传感器检测到智能小车后即控制停车，同时发送指令给系统。系统控制立体车库通过升降平移等一系列动作将承载智能小车的托车盘移动到指定停车位(或系统随机空位)。出库恢复到初始状态，存车入库操作完成，存车车位对应的指示灯由绿色转成红色，同时系统更新显示最新的空余车位数量。

需要取车时，系统接收到刷卡小车信息后控制立体车库通过升降横移将所取的小车托车盘移到出口处。系统通过ZigBee网络通信通知小车。小车循迹行驶至出口缓冲区，延时等待刷卡。系统获取小车信息，在LED屏上显示车牌号和本次停车扣费金额。道闸抬杆，智能小车自动驾驶离开。车库恢复到初始状态，取车车位对应的指示灯由红色转成绿色，同时系统更新显示最新空余车位数量。

图5 入库、出库流程Fig.5 Flow chart of car entry and exit

图6 实物图Fig.6 Figure

4 系统测试

图6所示是智能立体停车库研制的实物图，整体构架尺寸(长×宽×高)为80 mm×60 mm×120 mm，搭建7层×2排共14个车位，其中4个固定车位，10个移动车位。升降部分用拉线限位结构。具有升降横移传动特点。选用4辆智能小车注册系统，分别编号为“01、02、03、04”，进行入库及出库的测试。

4.1 系统上电初始化

系统接通电源，进行初始化。

4.2 手机预约入库

打开手机预约软件进行预约，图7所示，“01号车入3号车位”、“02号车入1号车位”、“03号车入2号车位”，“4号车入4号车位”，每辆智能小车自动驾驶按预约成功入停对应的车位，如图8所示。

图7 手机APP预约车位测试
Fig.7 Parking reservation test of APP

4.3 刷卡出库

在刷卡机上刷03号小车停车卡，3号小车从03库位成功出库，测试结果如图8所示。

反复随机测试，实践结果证明，ZigBee自组构建无线网络便利节能，ZigBee局域网引入对智能车库系统管理更加安全，外界干扰影响小、系统反应灵敏 、鲁棒性强、数据传输稳定，智能小车入库及出库准确率达100 %，系统运行稳定可靠。

图8 入库、出库测试结果Fig.8 Test results of the entrance and exit of garage

5 结语

通过RFID射频自动识别智能小车信息，采用ZigBee自组局域物联网，对智能小车入库、出库实现智能化控制和管理。经多次测试验证，ZigBee自组构建无线网络便利节能，解决了网络拥堵、数据丢包等关键问题，系统反应灵敏、鲁棒性强、数据传输稳定。ZigBee局域网引入对智能车库系统管理更加安全，外界干扰影响小。该实训系统应用于职业院校物联网智能技术相关专业及创新科技实践教学，具有成本低、发挥教学功效高等特点。该系统研制推广应用具有一定的市场前景及实用价值。