基于嵌入式与云平台的智能物联泊车管理系统

长沙学院电气工程及其自动化系 肖 扬 高 洋 陈东民 邓启江

针对当前社会人们寻找车位难、车位利用率低、返回取车难等问题，设计了一项基于嵌入式单片机与物联网云平台技术的智能泊车管理系统，系统由上位手机APP信息处理和多个下位智能车位地锁两大部分构成。多个智能地锁通过模式-视图-控制器三层处理架构协议和云平台与上位的APP信息交互，通过APP实现停车场车位信息的查询、预约、导航，前端地锁硬件的信息采集控制等功能。该系统具备成本低、效率高、具有良好的发展前景、方便使用等优点，是解决停车难问题的良方。

随着社会全民经济的快速发展，人们的生活质量日益提高，拥有私家车的家庭越来越多，与此同时，在城市道路上的机动车数量也急速增长，由此带来的令社会困扰的停车难问题也日益突出。停车难问题不仅影响着市民出行的心情更影响着城市容貌，甚至会因找不到车位被迫违规停车而带来生命财产安全损害。本项产品根据市场需求以及现代化发达的物联网技术，开发了基于安卓平台的APP，搭建了以嵌入式单片机STM32F103C8T6为核心处理器，多款低功耗高性能的应用模块为辅的智能地锁硬件装置，两者以经典的MVC三层处理为架构，Spring Boot+Mybatis+Netty三个Java框架构成的云平台与WiFi连接，成为一个完整的泊车系统。使用户能实时在线查看停车场中的空闲车位并提前预约、导航至车位，操作简单快捷，有效的提高了车位利用率，缓解停车难问题。

1 设计方案

基于嵌入式与云平台的智能物联泊车管理系统由多个智能停车地锁、安卓APP、云平台构成，其组成如图1所示。

图1 基于嵌入式与云平台的智能物联泊车管理系统的总体框架设计图

（1）智能停车地锁的组成包括直流电机、锂蓄电池、继电器模块、激光测距传感器、红外对管传感器、Zigbee模块、GPS模块、WiFi模块等低功耗模块；

（2）安卓APP为Java框架构建的用户手机APP。

基于嵌入式与云平台的智能物联泊车管理系统的总体框架设计图如图1所示。

基于如上设计方案，基于嵌入式与云平台的智能物联泊车管理系统预期达成的目标为：

（1）实时预览车位停泊情况：通过手机APP，用户可以在家中或途中便能看到停车场中每个车位的停泊状态，分为空闲、已预约和已占用三种状态，及时了解停车场中剩余车位数目；

（2）在线预约车位：当用户有急事需办，时间紧张的时候可通过手机APP，点击空闲的车位、点击预约便能提前在线预约空闲车位，车位上的智能停车地锁跟随预约上锁。仅在预约用户到达现场后才能扫码解锁，使用车位。避免因寻找车位浪费时间、注册身份信息等繁琐操作，方便用户出行；

（3）定位导航至车位：通过点击手机APP上车位并选择位置功能按键，便能启动内置高德的API接口以及SDK实现高德地图定位和导航功能。通过手机APP，用户可以GPS导航到达停车位。

2 硬件模块、传感器工作原理

2.1 智能停车地锁

智能停车地锁由可升降地锁杆与直流电机、继电器、可充电锂电池、STM32F103C8T6嵌入式最小系统板、红外对管限位开关模块、激光测距传感器、Zigbee模块、ESP8266模块、GPS定位模块等机械构建与高性能低功耗模块构成。通过Zigbee模块使多个智能停车地锁之间能实现相互通信，每8个Zigbee终端选择其中一个Zigbee模块作为通信协调器将各个车位的状态通过ESP8266 WiFi模块传输给云平台。最终在根据传输的智能停车地锁的状态在手机APP上显示各个车位的状态。

2.1.1 红外对管限位开关传感器

通过两对红外对管是否被升降杆遮挡的4种电信号状态，判断可升降地锁杆转动到达的位置。确保升降杆的转动升起到竖直位置时停止转动，转动下降到水平位置时停止转动，并在其它因素推动升降杆转动时能自锁，防止他人恶意推倒智能停车地锁抢用车位。限位开关工作流程如图2所示。

图2 限位开关工作流程图

2.1.2 激光测距传感器

通过带有温度补偿的激光测距传感器，其主要功能为距离测量。在无极端恶劣环境条件下对激光测距信号输出端信号的采集，当有车辆驶入遮挡激光测距模块时测到距离较小，则判断有车辆驶入；当测得距离数据较大时，则判断无车辆停入。激光测距框架如图3所示。

图3 激光测距框架图

2.1.3 Zigbee短距离通信模块

通过短距离通信模块Zigbee主要用于实现停车场中各个车位之间互相通信。Zigbee是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。将每8个停车位智能地锁的Zigbee终端数据汇总到1个Zigbee协调器并通过WiFi传输至云平台并在APP上显示，创建了停车场智能停车地锁树型数据图，将所有车位状况数据的汇总、上传。如图4所示。

图4 Zigbee树状信息传输图

2.1.4 GPS模块

通过GPS模块实现对停车场位置的定位，由此通过APP设计的申请高德地图APP的API接口以及SDK实现高德地图的定位和导航功能，让用户能一键定位、导航，优化了操作更方便使用。

2.1.5 ESP8266模块

在WiFi模块上选择了ESP8266模块，其体积小、功耗低、支持透传、丢包现象不严重，本项目中将芯片设置为透传模式，将Zigbee协调器的数据安全传输给云平台进行信息交互，使车位信息与用户指令及时得到响应。

2.2 安卓APP

安卓是一种基于Linux内核的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备如手机和平板电脑。本作品中运用到了Android的系统构架和操作系统，联系程序层、应用程序框架层对API反馈的重要窗口、新的API和行为变更的查看并向云平台实时报告信息。

本系统的用户APP名称为“优享停车”，具有寻找停车场，在线预约停车位和空闲停车位查询等三大主要功能。

（1）寻找停车场导航功能

主要调用高德地图实现此功能，具体流程如下：

①安卓手机下载高德地图用户API开发包并安装；②申请高德地图API Key，获取定位与导航信息包；③创建一个Android工程；④在布局文件中添加地图应用层程序。

（2）在线预约停车位功能

用户想要预约目的地的停车位节省时间时，可提前通过“优享停车”APP，线上预约车位功能按钮，一键预约车位，云平台数据传输使车位远程上锁，仅当预约用户到达现场后才能扫码解锁、使用车位。

2.3 云平台

停车位状态更变的数据流动：

Netty网络通信框架接收到智能停车位用TCP协议传输过来的数据，将停车位发送过来的一些相应数据通过Spring Boot框架的业务层进行逻辑处理再讲数据传递到MyBatis Boot框架的表现层，MyBatis将数据存储到MySQL数据库中，Spring Boot框架的表现层则将数据封装为json格式，最终发送给手机APP“优享停车”，使用户能够看到停车场每个车位的使用状态。

手机APP发送请求的数据流动：

手机端发送停车请求，Spring Boot框架的表现层将手机APP端发送的请求数据封装为一个对象，将这个对象传入给Spring Boot框架的业务层，Spring Boot框架的业务层将对象数据进行逻辑处理，再转发给MyBatis和Netty，MyBatis将数据存储到MySQL数据库中，Netty通过TCP协议将数据发送给停车位设备。使得用户能通过手机APP在线远程预约车位，手机端更新车位状态为“已预约”，并使预约车位上锁防止他人占用。

图5 车位信息采集软件流程图

3 软件模块设计

系统软件设计包括三部分：车位状态采集传输层软件设计，车位状态信息查询、导航及扫码解锁功能和车位预约信息传输、远程上锁功能。

基于“一体化监管”和“突出事中监控”的基本认识，为切实有效落实 《意见》精神，浙江专员办党组研究提出，专员办应从拓展监管内容、健全监管链条和改进工作方式“三个维度”不断强化事中绩效运行跟踪监控。

车位状态采集传输层软件设计：

本项目中ZigBee树型网络的创建和传感器数据采集传输功能的开发由信泰微电子的2.4G zigbee无线串口收发模块CC2530数据透传广播模式TTL，信息传输数据硬件与计算机通过串口连接的ZigBee协调器创建无线传感网络。为了确保采集数据的准确性，本项目将对传感器电平状态多次采集，以确保信息的准确性，确认车位是否已被占用。软件检测流程如图5所示。

APP将具有定位导航，预约，扫码解锁，与云数据对接等功能。解决停车难中外出停车问题，能够让人们提前预约空闲车位，以及查看到车位状态，避免到达目的地没有停车位的情况。采用rxjava+retrofit模块实现高并发网络请求，申请高德的API接口以及SDK实现高德地图定位和导航功能，通过设备识别码来定位唯一用户，而不用注册身份信息等繁琐操作，通过二维码扫描解锁车位，安全方便快捷。

结语：为了解决现今停车难、寻找车位难、取车难、车位利用率低的问题，本文提出了一种基于物联网的智能停车系统，该系统巧妙结合多种传感器，通过多款Zigbee、WiFi模块、云平台等信息传递层实现停车场车位状况与车主用户数据交互。有效的提高了车位利用率，节省时间提高车主的工作效率，帮助车主省时省事，一键预约车位，寻找车位，是一项新型的智能化作品，提升了城市生活的智能度。