(齐鲁工业大学(山东省科学院)机械与汽车工程学院 山东 济南 250353)

随着我国经济水平的飞速发展，居民收入水平日益提高，私家车拥有数量逐年急速上升，因而产生了停车难、交通拥堵等问题。其中，停车位不足以及不能高效利用更是加重了停车难、违章乱停等现象，因此传统的停车场已经不能适应现状。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

基于物联网技术的智能车库管理系统的设计研究具有十分重要的意义。它可以实现将读取的车辆信息、车辆停放时间、收费情况、停车场车位情况、环境信息等数据存入数据库，方便存档和调用，车库管理员更加简单快捷的管理车库的各个信息，实现快速信息处理，缩短服务时间，提高工作效率。对于车主来说，进出车库更加方便，灯光引导系统引导车辆快速准确地停入车位，节省了车主的宝贵时间。

一、系统总体方案设计

车库管理系统的服务对象主要是车库管理者和停车用户，建设物联网智能车库管理系统的目的是为了更好的为车库管理者和停车用户服务。对车库管理者来说，他们需要一个能够有效管理车库的车库管理系统，比如能够快捷查询出入车库的车辆的停放时间以及车主身份等功能；对停车用户来说，他们希望能够快速且安全的进出车库的需求。

(一)系统的功能。本次设计是基于物联网技术的智能车库管理系统，利用web技术实现智能化的管理。本文研究的车库管理系统结合了射频识别技术、无线通信技术、物联网技术和嵌入式技术等。该系统实现的功能主要有：(1)利用射频识别技术对车牌进行识别。(2)利用物联网技术对进出停车场的车辆信息进行上传管理，主要包括车主信息、车牌号、停车时间以及扣费信息等。(3)利用ZigBee技术对停车位的状态进行实时采集和发布，停车位的状态包括车位空闲、被占用和被预约等状态。(4)通过智能灯光控制器完成了对进出车库进行有效的灯光导航。(5)监控中心对收集到的信息进行分析和处理，对车辆行驶路径进行规划，以灯光的形式实施灯光导航，并在物业管理中心计算机上实时显示车库的运行状态。

(二)系统的组成。系统包含以下几个部分：车牌射频识别和信号处理部分、区域内部无线传感器网络部分、智能灯光控制部分。(1)车牌射频识别和信号处理部分。车库内车辆射频识别和信号处理部分属于感知层。当车辆进出车库口时，运用射频识别技术完成对车牌信息的采集。然后将采集的信息进行初步的处理，将数据格式转换成统一的编码方式。(2)区域内部无线传感器网络部分。将收集的数据经过无线通信方式上传、管理，以报证信息传递的快速、稳定、安全、可靠，无线通信部分属于物联网技术传输层。(3)智能灯光控制部分。当车辆进出车库口时，智能灯光控制部分完成了对地下车库照明系统的智能控制以及照明和车位信息的智能感知。

(三)车辆出入库流程。1.车辆入库。车辆进入车库前，系统运用车牌射频识别技术识别出车牌号，道闸起杆，同时记下车辆入库时间，并将车辆的车位信息发送到相关车位的测控节点，车辆进入车库后，道闸落杆，保证一车一杆。移动的车辆触发到智能灯光控制器的传感器，该控制器通过控制电路开启相应灯光，触发则开，离开则闭，达到灯光跟随的效果，实现了车库的灯光导航和照明节能。当车辆靠近车位时，车位前的测控节点识别出车牌号与数据库中的车辆信息比对成功后打开车位挡车器，车辆成功停进车位后，车位测控节点将信息传给车库管理员控制中心服务器，更新车位的使用情况。2.车辆出库。车辆离开车位时，车位测控节点将车辆离开的信息传给控制中心，系统得到车辆离开信息后，计算车辆停车时间以及停车费用，同时启动灯光控制系统，引导车辆到达车库门口，然后再次启动车牌识别系统，待车主交完停车费后，道闸起杆，管理员将车位状态更改为空闲状态，车辆离开车库后，道闸落杆。

二、物联网智能车库的关键技术

(一)射频识别(RFID)技术。射频识别，RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。车辆识别模块依靠RFID技术通过射频信号获取数据信息，并将信息进行滤波、放大、调制解调和数模变换等处理，处理后的数字信号会被送到后台的主机，进行相应的处理并命令执行机构进行动作。

RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术。可自由工作在各种恶劣环境下：短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。射频识别系统具有读取方便、快捷识别、数据容量大、使用寿命长、应用范围广和动态实时通信等系统优势。

(二)Zigbee技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

停车位测控节点由ZigBee通讯模块外接声响—光敏传感器构成，当车辆停在停车位时，车身挡住光线造成光敏电阻阻值增大，输出端输出低电平，与之相连ZigBee节点接收到低电平信号将车位状态传回给控制器，在上层界面上显示该车为被占用。

ZigBee通讯模块核心芯片为CC2430，符合IEEE802.15.4标准，采用跳频技术，工作在2.4GHz频段，传输距离较远，可组网络节点数目较多。工作电压一般为3.3V，可以使用电源供电也可以使用电池供电。具有低成本、低功耗、网络容量大、小数据快速传输且安全可靠的特点。

三、智能车库的模块设计

(一)车牌识别模块。该模块采用射频识别技术，对小区出入车辆的信息进行自动收集后实时发送信息到数据处理中心，由数据处理中心对数据进行分析和处理，通过调用其他相关功能模块，共同完成智能化停车。车辆识别模块主要由前端信息采集、信息传输、数据处理和系统营运中心四部分组成。

前端信息采集单元用来对车辆即时状态信息进行采集；信息传输单元用来把采集来的信息传递给后面的数据处理中心；数据处理中心主要用来分析处理各处传来的数据信息，并且执行相关程序；系统营运中心负责与对车库内车位信息的管理。

图1 停车引导模块工作流程图

图2 光敏传感器原理图

(二)停车引导模块。停车引导模块由信息采集、通信传输、控制中心、灯光引导、信息发布等部分组成，其工作流程如图1所示。其中，信息采集部分主要负责车位使用状态和道路实时状况等信息进行采集，由车位测控节点和道路测控节点构成。以车位测控节点为例说明测控节点功能设计，程序主要是由三个部分组成，第一部分负责系统初始化和变量定义，第二部分负责车辆信息的获取，第三部分负责对是否有数据帧需要被处理的判断，并执行相应操作。车辆通过系统的灯光引导找到正确的车位信息，当车位测控节点接收到系统发来的车辆信息，与识别的车辆信息比对成功后，打开车位挡车器，并及时通过无线网络通信模块将车位状态信息发送至控制中心服务器，更新车位的使用情况。

(三)停车位检测模块。智能泊车系统中，停车位检测模块由ZigBee通讯模块外接声响—光敏传感器构成，光敏传感器以光敏元件为媒介把光信号转换为电信号，并将信息即时传给控制中心。

(四)无线网络通信模块。数据接收基于ZigBee技术完成，将来自各个模块的数据判断、处理后，对合法数据帧进行处理后发送到数据处理模块。数据发送也是基于ZigBee技术完成，发送数据部分负责侦听串口数据、解析数据帧、判断数据的有效性和合法性、处理数据帧、发送数据帧给传感网络。

四、总结与展望

(一)总结。近年来物联网行业快速发展，出现了越来越多的为用户生活提供便携的智能应用，而停车场价格跌宕起伏及开车一族的日益增多，用户与停车场迫切的需要这么一款泊车管理平台。文中就开发一款可以广泛应用的基于物联网的智能车库管理系统的基本功能进行研究。该智能车库管理系统主要由车牌射频识别和信号处理部分、区域内部无线传感器网络部分、智能灯光控制部分组成。本文的主要研究内容如下：(1)介绍并分析了停车场的现状与发展，并且根据此分析，做出了本系统的功能需求。(2)分析了用户即停车场迫切需要的最主要的两个功能：实时查询最新的车位信息和停车位引导功能，为用户提供便携、为车库管理者考虑。(3)在作出的功能需求的基础上，综合考虑各个模块，设计系统，并分析了系统设计与实现工作的完整流程。

(二)展望。将物联网技术应用到智能车库管理系统中，推动了车库管理系统实现信息化、智能化、现代化的发展。本文研究取得的成果只是初步的，在研究过程中不断地发现问题并解决问题，但仍有许多地方需要改进：(1)改善ZigBee网络的覆盖范围的同时解决好数据传输的稳定性。(2)对车辆的灯光引导缺乏灵活性，在车辆出入的高峰期其利用率和效果不太理想，对车辆的引导规划还需要继续研究。(3)车牌识别系统中传感器的感应距离问题需要进一步的完善。(4)解决多个商业区停车场联网的问题，使管理者可以使用一个系统管理多个车库信息。