云平台与物联网协同的城市智能停车场系统设计与实现

陈 军

（南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094）

0 引 言

智能停车管理系统[1]是利用计算机管理控制的车辆全自动化、一体化管理系统。智能设备感应进出车辆信息，并对信息进行计算、处理、存储和传送，将其转化为系统能够区分和判断的数据，通过字符显示和语音播报传达出来，从而实现停车场智能收费、车辆智能管理等目的[2]。当前，我国智能停车场设备的市场规模已达到50亿，且以20%的速度增长，但停车位和停车场的数量极为缺乏，且紧缺趋势不断加速，城市停车供需矛盾日益加剧。因此，停车场的高效利用与智能化管理，已成为城市发展、民生保障刻不容缓的重大需求。

作为共享资源，智能停车场在物理空间上的实现可在较大程度上缓解停车位紧张、寻车困难、通行速度慢以及单一付费手段等问题，满足人们对智能停车的日益人性化增长需求。智能停车场在管理理念上的实现，可有效避免现金交易，保证车辆安全，促进车位的有效利用，有效维持停车场秩序。在国家政策扶持下，智能停车场技术正逐渐突破，北京、上海、广州等特大城市的智能停车管理系统已逐渐应用。目前，国内智能停车场系统普遍采用IC/RFID射频技术[3-4]实现汽车出场、离场及收费，在效率、成本和效果上仍有提升空间。基于视频车牌识别技术的智能停车场成为新的发展方向，但仅依靠视频的解决方案受图像处理技术制约，在光照改变条件下的识别准确率和系统稳定性方面仍存在偶发问题。特别是无人值守停车场，一旦识别失败，系统的自校正、自适应技术未完全达到智能化水平。国外的智能停车场技术方面，美国城市注重商业和生活住宅区的停车位规划建设和科学化管理，设计过程充分考虑货车周转空间、客车流量以及紧急时刻的快捷疏散通道空间。法国里昂开发了基于交通路况、交通信号、紧急救护的系统算法，并赋予系统“学习”能力，用于城市智慧停车的管理。瑞典斯德哥尔摩通过在道路设置监视器，利用RFID、Laser扫描以及自动感应拍照技术自动识别车辆，使交通拥堵降低了1/4。同时，国外“网上停车”理念发挥了互联网优势，拓展了停车场灵活度和系统使用效率，即实现了无人值守全自动作业，也实现了停车场信息查看，并支持预约车位和提前付款。

本文利用互联网+技术、车牌识别技术以及ARM嵌入式技术实现智能停车管理，设计了系统的整体软件、硬件架构，并采用灰度化和Ostu二值化识别图像处理和模板匹配，选用Dubbo云平台框架和MySQL数据库进行信息匹配和存储，开发了车牌识别与道闸联动系统和智能停车场管理系统软件，并对该车场系统进行了性能测试。

1 系统功能设计

1.1 系统的硬件设计

智能停车场系统主要采用基于ARM嵌入式技术、基于Opencv的车牌图像识别技术、基于4G无线通信的物联网技术、无线地磁感应系统、LED信息显示、语音播报模块、云平台管理系统和道闸联动系统[5]等。智能停车硬件系统如图1所示。

图1 智能停车硬件系统分析图

智能区内停车在空间结构上主要分为入口控制管理、场内停车位车辆管理和出口控制管理3个部分。道匝出、入口管理由无线地磁感应系统、摄像采集系统、车牌图像识别模块、语音提示、LED电子屏信息显示、无线通信数据传输[6-7]和道闸系统7个部分组成。出、入口车辆进出流程图和系统逻辑流程图，分别如图2和图3所示。

图2 出、入口车辆进出流程图

场内停车车位管理系统主要由摄像采集模块、车牌识别模块、无线通信传输模块以及道闸模块构成，作用是解决区内固定车位与非固定车位的场中场收费问题。

车辆进出停车场及停靠车位时的具体过程如下。

（1）入口处。车辆行至道闸前一定范围时，地磁传感器利用镍铁磁合金的磁阻效应[8]感应到外部磁场的变化，判断车辆是否经过。同时，摄像机启动抓拍所来车辆的车牌信息，基于ARM主控系统对车牌信息识别后上传至后台管理系统的数据库，并与区内业主信息库进行对比，判断是否为内部车辆以及所属停车套餐类型；LED显示驶入车辆车牌信息和时间；语音播报模块进行播报；道闸系统启动，道闸抬起并在云平台记录该车辆的进入时间，车辆完全越过道闸后，触发第二道地磁传感器，道闸落下完成一次车辆入场，车位管理模块余位数发生相应变化。

图3 硬件系统工作流程图

（2）场内停车位。停车场内的停车位包括流动车位和固定车位，而流动车位又包括非固定车位和固定车位。流动车位不设置道闸系统，车辆进入流动车位计费方式以零计时收费。固定车位设置二次道闸系统、地磁感应系统和车牌识别系统，车辆进入固定车位采用对应的计费规则收费。车场端是基于ARM作为主控器的硬件盒子完成各部分传感器的信息收集、处理、传送云平台服务器以及命令的发送等任务。车辆进入区内寻找车位时，车辆选择进入固定车位与入口进场的流程相同。此时，云平台记录该车辆进入固定车位的时间，同时驶离固定车位时云平台记录离开时间。

（3）出口处。区内有多个出口，出口处的云终端设有编号，车辆进入某个出口地磁传感器的感应范围内，摄像头启动抓拍车牌号码，并上传云平台车辆信息记录时间与入口采集的车牌信息对比，分情况计算停留时间。如果车主办理包月或包年套餐，则LED显示有效截止日期；若未办理此业务，则按照记录时间计算停车费。LED显示停车时间、停车费用以及停车场的停车余位数，同时语音系统进行语音播报，道闸自动升起。若车主办理储存卡业务，则LED显示停车时间、消费金额、卡内余额以及区内停车余位数，同时语音进行播报。

（4）车位信息管理。由于区内车位分为流动车位和固定车位，目前的车位管理主要依靠园区内的物业管理人员进行巡查。为节约人力物力，车位管理系统主要显示固定车位的位置和车位余数、流动车位的车位余数，用以停车位导航，从而节约车主的寻找车位和停车时间，提供人性化交互服务。

1.2 系统软件设计

城市停车场日益复杂和多样化的提车需求，对软件系统和管理策略均提出了更高的要求。除通用管理程序外，制定个性化和定制化的停车管理模式是本领域面临的首要问题。本停车场管理云平台功能方案的基本框架设计包括系统信息维护等管理、停车场个性化定制信息管理、计时与收费方案管理和车位综合信息管理，所设计方案与停车场移动终端硬件系统协同使用，从而提升停车场的管理效率。主要功能模块如图4所示。

云平台是整个系统的核心，能接受并处理车场端和移动客户端、Web站点以及第三方服务发送的请求。APP-server和Web-server会把请求发送到服务监管中心，由服务监管中心处理后返回结果。系统开发环境为Java平台[9-10]，运行平台为Web浏览器在线运行。停车场移动端开发环境为IOS和Android平台，运行环境为IOS系统和Android系统手机。

系统采用MySQL数据库记录每辆车的信息以及车辆进出停车场报表统计。通过摄像头将车辆信息传输到云平台，同时进行计时计费，无需人工操作以达到无人值守入场。车辆出车场时由计费系统计算，并支付停车款。黑名单用户在门闸处识别后，禁止其进入并通报后台管理人员。

在设计数据库时，本系统充分考虑目前停车场大型化和集约化发展趋势，考虑了车辆一进多出的现状，同时为将来的扩展留下冗余发展空间。制定的数据库车位信息如表1所示。

图4 系统软件主要功能模块设计图

表1 数据库车位信息表构建关键词列表

2 系统应用及分析

本系统软件的现场应用环境：操作系统采用Windows 7系统；应用服务软件采用WebSphere和Tomcat 5.5；数据库采用MySQL；测试客户端为SAMSUNG；主要测试工具为LoadRunner。硬件系统通过LAN方式接入服务器系统，达到系统软硬件的功能级实现。

考虑到车场在实际运行过程中由于高峰时间段存在多用户并发压力，同时模拟了100项并发用户数，通过观测系统平均响应时间和操作核心业务流的平均响应时间收集相应的系统参数。

本次测试实验采用移动运营商提供的LAN（带宽100 M）环境，高带宽可以消除网络速度的限制和外部网络的不稳定性，测试实验参考模拟情况。构建系统的新增车场、新增车辆以及分时收费管理系统设置界面，如图5所示。上述系统设置是必须选项，以实现本地所属停车场的自主管理和多停车场协同的云端管理。系统录入后保存信息，成为系统使用前置条件。

对于云端和智能终端的整体协调和测试，通过构建云端测试系统实现，如图6所示。模块化菜单的生成，对于车场管理员、云端管理员具有界面友好、功能完善的特点。无论是云端和车场端，工作人员均可实现信息的查询、增减、收费标准制定和查询等系列功能，克服了传统停车场依靠读取计时卡、人工录入以及车牌识别不准的问题，提高了系统管理的效率和车主使用的体验感。同时，云端数据的有效收集和报表，较大程度上杜绝了停车场因人为收费和干预产生的计时收费的“跑、冒、滴、漏”现象，为业主管理提供了更大的便利和监管力度。

局域系统级上，对并发多用户进行系统承受测试，采用200组并发用户模拟系统性能。测试操作过程顺利，服务器负载在多并发用户使用中未出现延迟现象，平均服务器响应事件时间为6 s，需添加2～3 s的系统冗余思考时间，这与现实操作情况更匹配。按8 s响应时间计算，客户满意度调查中，使用方完全接受新系统效率，说明本系统具备使用化水平。

系统整体测试结果表明：本系统的响应速度较快，用户体验感极佳，但存在首页访问时间相对较长的弊端。究其原因，在于首页中存在的功能和操作动作过多，当访问量超过系统的承受范围时，将会对系统的性能提出挑战。此外，本设计方案采用运营商提供网络环境运行，特别是与云平台端的在线协同。因此，通信的可靠性和离网环境下的停车场管理系统正常运行，将是本系统后期需重点解决的技术问题。NB-IoT技术和5G技术的突飞猛进，为复杂环境和日益增长的停车场功能需求提供了新的实现途径，城市智慧大脑的大数据分析下的停车场指引、停车位导航、城市范围联合计费、网上预约停车和计费、云端共享等新兴技术和模式，正逐渐改变着人们传统的生活方式。从信息化停车到智能化停车，再到智慧化停车，城市停车场的利用率提升任重道远。

图5 新增车场、新增车辆以及分时收费管理系统设置界面

图6 系统云端记录数据及增减信息示意图

3 结 论

针对城市停车场系统研制需求，设计了智能化停车场的软硬件系统和管理系统，开发了基于地磁传感和视频车牌识别的协同道匝管理技术，实现了进出车辆的智能化检测，并利用云平台管理技术和MySQL数据技术，现了车辆登记的存储与计费。多用户并发实验表明：设计的系统的响应事件时间为6 s，说明系统响应速度快，用户体验感极佳。综上所述，本系统架构和技术方法对于提升城市停车场的高效、可靠以及安全管理具有重要的现实意义。