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基于物联网的智能停车场管理系统设计与实现毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

近年我国经济水平飞速发展。但人民生活水平的提升也带了其他问题:根据相关部门的数据显示,目前国内机动车保有量达3.25亿辆,按照2018年年初公布全国累计人口数13.9008亿人,接近每4个人就拥有一辆车。而这与我国有限的停车场资源之间的矛盾也越来越突出。传统停车场基于有线通信,繁多的布线会给后续维护带来困扰,同时停车场里的车位使用情况不能被直观地表现出来,人工缴费会加大人力成本。传统停车场的诸多问题会导致停车场资源使用率的低下。为此,本文设计了一种基于物联网的基于物联网的智能停车场管理系统。系统硬件控制部分包含了CC2530模块与ESP8266模块以搭建Zigbee与Wi-Fi无线通信网络,从而实现停车场内的无线通信。

本文的主要内容包括以下方面:

(1)超声波传感器测距。调试HC-SR04超声波传感器模块,并以超声波模块测距数值为依据来实现对车位信息的实时采集,同时测距数值也将用于触发每个车位的摄像头以进行车牌识别,以进行后续处理。

(2)车牌识别算法。完成车牌识别算法,用于识别车位内的车辆车牌号,车牌号将作为停车场内车辆的身份识别,用于记录其停车时间、停车位以及相应费用。另外,车牌识别系统还可以为车辆出入的安全栅栏的开关的智能化提供支持。

(3)通过Wi-Fi无线通信网络实现单片机开发板与服务器间的通信,将停车场内相关信息上传至服务器,以供系统开发人员使用。例如搭建SQL Serve数据库进行历史信息的记录,以在需要的时候能得到使用。

关键词:智能停车场、物联网、智能管理

Abstract

In recent years, China has made significant breakthroughs in economy a. But the improvement of people's living standards also brings other problems: according to the data of relevant departments, the number of motor vehicles in China is 325 million at present, according to the announcement of the national total population of 1,390.8 billion at the beginning of 2018, nearly every four people own a car. And the contradiction between this and our limited parking resources is becoming more and more prominent. Traditional parking lot is based on wired communication, a lot of wiring will cause trouble for the follow-up maintenance. At the same time, the use of parking spaces in the parking lot can not be visualized, and manual payment will increase the cost of human resources. Many problems of traditional parking lot will lead to low utilization rate of parking resources. Therefore, this paper designs an intelligent parking management system based on the Internet of Things. The hardware control part of the system includes CC2530 module and ESP8266 module to build the wireless communication network between Zigbee and Wi-Fi, so as to realize the wireless communication in the parking lot.

The main contents of this paper include the following aspects:

(1) ranging by ultrasonic sensor. HC-SR04 ultrasonic sensor module is debugged, and the real-time collection of parking information is realized based on the ranging value of the ultrasonic module. At the same time, the ranging value will be used to trigger the camera of each parking space for license plate recognition for subsequent processing.

(2) License plate recognition algorithm. Complete the license plate recognition algorithm, which is used to identify the license plate number of the vehicle in the parking lot. The license plate number will be used as the identification of the vehicle in the parking lot to record the parking time, parking space and the corresponding cost. In addition, the license plate recognition system can also provide support for the intelligent switching of the safety fence in and out of vehicles.

(3) Communication between MCU development board and server is realized through Wi-Fi wireless communication network, and relevant information in parking lot is uploaded to server for system developers to use. For example, build a SQL Serve database to record historical information so that it can be used when needed.

Key words: intelligent parking lot, Internet of things, intelligent management

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景与意义 1

1.2 国内外研究现状与发展趋势 1

1.2.1 国内外研究现状 1

1.2.2 发展趋势 2

1.3 研究的主要内容 3

1.4 内容安排 3

第2章 系统设计原理 5

2.1 物联网技术 5

2.2 Zigbee与Wi-Fi无线通信网络 5

2.2.1 Zigbee无线通信网络 5

2.2.2 Wi-Fi无线通信网络 6

2.3 系统总体设计 6

2.3.1 系统设计原则 6

2.3.2 系统设计 7

第3章 系统总体设计与实现 8

3.1 硬件模块选择 8

3.1.1 HC-SR04超声波模块 8

3.1.2 CC2530模块 9

3.1.2 ESP8266模块 9

3.2 软件编程与实现 10

3.1.1 IAR集成开发环境 10

3.1.2 超声波测距 10

3.1.3 无线通信网络配置 16

3.1.4 车牌识别算法 19

总结与展望 23

4.1 总结 23

4.2 展望 23

参考文献 25

第1章 绪论

1.1 选题背景与意义

改革开放以来,随着人们生活水平的不断提高,这些年有着越来越多的人购入了私家车辆来改善出行方式,据我国相关部门统计,目前我国机动车保有量已抵达3.25亿大关。然而我国的停车场大多以传统停车场为主:为了确保停车场安全,需要配置大量保安岗位与相关安保人员,同时以人工收费的方式容易产生车主及收费员纠纷,现金流失漏洞多等诸多问题,这些问题导致了人力物力资源的无意义消耗,同时也体现了传统停车场资源效能差的问题。除此以外,参照《国家畅通工程》提出的审核规定,城市中平均每100辆机动车都应配备有45个停车位[1];国际通行标准城市的机动车保有量与停车位总数之比最低应为 1: 1.2;由此看来国内停车位数量确实存在极大的缺口,并且这种问题在大型城市尤其突出,并且这个问题伴随着机动车数量的持续增长而变得更为严重。

在停车场需求量日益增长的今日,如何提高停车场资源的利用率。如何智能化管理停车场车位,实现车费的合理付费,如何方便机动车辆出入停车场已开始成为人们关心的问题。为了解决上述问题,本文设计了基于Zigbee网络与Wi-Fi无线通信网络的智能停车场管理系统。每一个车位都由一个带有功能传感器的终端节点实时采集车位内的信息,各终端节点再通过Zigbee无线网络将采集到的信息传输给协调器,协调器则通过Wi-Fi无线通信网络将停车场内的终端节点采集的数据发送到服务器进行处理。停车场内信息的自动采集化可以实现停车场内的无人值守以及车位自动计费,车位信息与停车时间的数据可上传到服务器,以此在后续为车主提供线上支付手段。得益于此,车主也不需要在进出停车场时再以人工收费的形式进行收费,从而在减少出入口拥堵程度的同时减少人力物力资源的投入。

1.2 国内外研究现状与发展趋势

1.2.1 国内外研究现状

国外停车场平台高、起步早、发展快,他们在这数年间的利弊得失可以很好的作为我国停车场技术发展的参照。在安保工作上,外国企业通过摄像头的安装实现了停车场的无人值守,通过手机可以看到各个停车场的占用情况,同时人们可以通过手机等移动设备预览自己出行目的地的停车位情况,并事先预约停车位、支付停车费用,通过进出停车场、车费支付的自由化,人们出行的出行得到了极大程度的方便。而一些欧洲发达的国家甚至开始了全自动立体停车场的研究与使用,机动车只需要停靠在停车站台,系统就可以自动地将车辆转移至停车场内的“货柜”中,需要取车时系统再将车辆从“货柜”中取出。由于这种停车场 不仅实现了水平方向的车位规划,还充分利用了垂直空间,因此其停车场空间利用率极高。

相较之下,我国智能停车场虽然起步较晚,但是随着我国政府在政策上的大力支持,许多互联网公司都纷纷加入到了停车场智能化的研究中,如今智能停车场在中高级住宅区等停车资源需求量较多的场所时常可以见到。在国内,以沃尔玛等为代表的大型商场甚至为客户提供了车辆定位与导航功能。为了解决停车场存在的诸多问题,实现停车场车位的智能化改进,我国一些经济发达城市正在推行解决方案,例如无锡市通过嵌入式 RFID 技术、信息处理与传输的电子车牌,通过智能装置识别车牌号,每个车牌号对应唯一的车辆,通过车牌号码的识别实现对车辆的管理;2015 年 10 月天津市滨海新区在华苑建设国内第一个智能停车楼,该停车楼可以存放几百辆车,用户只需刷卡,便可完成车辆的存取,整个流程仅需一分钟的时间;2016 年 12 月襄阳市为解决车辆进入停车场后产生的车辆拥堵、寻找车位困难等问题,地下停车场引入视频引导与智能缴费等功能,成为本市第一个全自动停车场。2017 年 6 月上海虹桥停车场正式推出全自动停车场系统,该管理系统实现车主车牌号与支付宝账户绑定,停车场入口安装电子摄像头快速识别车牌号,系统根据停车时间自动从支付宝扣除缴费金额,车辆进出停车场不需要停下车辆排队缴费,极大程度减少了附近车辆拥堵。

1.2.2 发展趋势

从我国停车场的演变进程来推测,未来停车场的发展趋势将会以技术为依托,实现系统的人性化、智能化。考虑到我国车辆较多,使用电子车牌的方法将消耗大量的资金与时间。而设计出智能先进与管理方便适宜大部分城市的车位远程监控管理系统。近年来,我国放宽了相关政策,并且互联网企业也加大了相关研发力度,同时随着我国物联网技术的快速发展,停车场智能化相关研究已开始有了新的突破:

(1)城市内的停车场将建设统一的互联网平台以实现信息的共享,用户能及时获取有关停车场剩余车位的信息,并且能提供车位定位、车位导航等多种多样的功能[1]

(2)停车场管理系统的自动化,例如应用智能电子设备得以实现的无人值守停车场,以此来减少管理停车场所消耗的人力资源。

(3)大型立体停车场的应用。建立起大型立体停车场可以有效提高停车场的空间利用率以节约占地面积。

1.3 研究的主要内容

本文主要研究基于物联网的智能停车场系统。在本设计中,通过调试CC2530开发板与相关功能传感器作为终端节点采集车位内的信息;再调试搭载了ESP8266模块的CC2530开发板作为协调器节点,使其能通过ESP8266模块来接入Wi-Fi无线网络。总体设计如图1所示:

协调器

……..

终端节点

传感器

传感器

……..

停车场内的各个车位

服务器

无线网络

星形Zigbee网络

终端节点

图1.1

终端节点通过传感器采集信息,然后通过Zigbee网络将信息通过规范的通信协议发送给协调器,协调器通过Wi-Fi网络与服务器进行数据交互,开发人员可以据此在服务器做后续的处理工作,例如通过线上支付的方式向车主发送车费账单等。

从管理者角度来讲,智能停车场实现的自动化管理能够节约人力资源的消耗;从消费者的角度来讲,智能停车场能提供更多人性化、智能化的便捷服务。

1.4 内容安排

本文根据系统各部组成与其相关功能,将分为如下四个章节:

第一章 绪论 绪论部分主要涉及本文选题的背景与意义,指明我国车辆保有量与现有停车场资源之间存在的重大缺口。并通过分析国内外智能停车场发展现状与未来的发展趋势,由此阐明智能停车场的可行性与重要性。最后提出本文物联网的智能停车场系统并介绍本系统的结构、功能及其创新点,并简要概括本分章节内容的安排。

第二章 系统基本原理 该部分将阐述物联网定义与相关概念及其框架结构,并介绍本本系统使用的通信网络的基本概念与Zigbee网络的拓扑结构。最后介绍了本文设计的停车场系统的总体框架,并对其中的各个功能做了基础的分析。

第三章 系统总体设计与实现 该章节共有两部分内容:第一部分介绍了本系统所使用的嵌入式开发板、相关模块以及所用到的传感器,并对它们的工作原理与其性能参数做了简要的分析并且描述了本文设计的系统的硬件布局;第二部分具体阐述各部分功能的实现方法,结合部分代码来介绍了其中实现的原理并且结合实例来介绍在通信过程中所使用的通信协议的具体内容,并简要介绍各功能在开发过程中所使用的软件。

第四章 总结与展望 总结本文所做的工作内容以及实际的效果,论述本文系统相较于传统停车场的优越性所在,并且指出本系统存在的问题,同时对需要进一步学习并加以完善的地方进行补充说明。

第2章 系统设计原理

2.1 物联网技术

物联网(The Internet of things),即“万物互联的网络”,物联网的概念首先由MIT Auto-ID中心的Ashton教授在1999年由在研究RFID(Radio Frequency Identification射频识别)时提出。这一概念在经历了数年的发展后,物联网早已突破了RFID技术的限制,现在的物联网是在互联网基础之上的拓展,物联网技术是使用各种信息传感设备,将物品信息转化为数字信息,从而实现与互联网之间的数据通信[2]

物联网的基本框架主要由应用层、网络层与感知层组成。感知层就是整个物联网架构的眼睛与耳朵,其通过各种传感器、感知网将采集到的物理量转化为数字化信息并将其传至网络层。网络层是物联网架构的中间层,它负责应用层与感知层之间的数据通信。通过电信网、移动网络等常见网络,它可以高效、精准地完成物联网中数据的实时传输与通信。应用层是物联网中的最顶层,同时也是整个系统中核心技术的所在。它分为应用支撑子层与应用服务子层。应用层的核心功能围绕两个方面:完成数据的收集与处理以及将这些数据用于实际的功能[3]

本文以物联网中的传感器技术为基础,通过传感器将停车场内的信息,例如车牌号,是否有车辆等信息转化数字信息,从而将现实情景转化为可由计算机处理的数据,由此实现停车场信息的自动化采集与处理[4]

2.2 Zigbee与Wi-Fi无线通信网络

2.2.1 Zigbee无线通信网络

在传感器应用场景中,低价位、低功率、短距的无线传输方式一直有着广阔的市场。而蓝牙的出现则曾经让许多工业控制行业的开发者们雀跃不已,但其过高的价格却又让人们左右为难。最终人们制订了IEEE802.15.4规范,这是一种经济、高效、低数据速率(lt;250kbps)、工作在2.4GHz和868/915MHz的无线技术,同时也是Zigbee应用层与网络层协议的基础。由此诞生的Zigbee网络兼具了近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的特点,它实现了在诸多传感器间实现相互协调与数据通信。在实际应用场景中,Zigbee网络以无线电波为传输媒介进行近距离通信,在本文系统中,使用到了CC2530无线通信模块来增加功率以在停车场环境中使用。

Zigbee网络组成元件有三个:协调器、路由器与终端。协调器是整个Zigbee网络的中心枢纽,负责搭建并维护Zigbee网络。路由器则进行信息的转发与辅助协调器进行网络的维护。终端是Zigbee网络最末端的节点,它只能加入网络与父节点进行通信。根据这三种元件的功能,人们将Zigbee网络的结构划分了三种模式:星状网络、树状网络与网状网络。星状网络是最为简单的一种:协调器与多个路由以及终端相连,此时每一个协调器以外的节点都是末端节点,这种网络结构适用于家庭等简单的工作环境。树状网络可以看成是多个星状网络的结合,其网络拓扑结构类似树木枝干的结构,协调器与终端和路由器相连,路由器则继续与终端或者路由器相连,由此一路延伸,树状网络由于加入了多个路由器,因此节点与节点之间的多跳通信更为便捷。网状网络在树状网络的基础上在路由间添加了通信关系,这使得网络通信变得更为灵活[5]

为了将各个车位的信息集中,本文组建了了简单星状网络,由协调器与终端节点直接通信,从而将车位采集数据发送给协调器做集中处理。

2.2.2 Wi-Fi无线通信网络

Wi-Fi即无线网络,是当今使用最为广泛的无线网络传输技术。它是一种基于IEEE 802.1标准的无线局域网技术。由于其功能特性,Wi-Fi也是可被用于进行短距离数据传输。和蓝牙相比,Wi-Fi的安全性能相对较差,但其传输速度可高达54Mbps[6],这给本系统中的协调器节点与服务器进行数据通信给予了许多便利。

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