智能泊车引导系统的设计与实现

张璇 王哲 张思生 潘李凡 周强 曾虹

摘 要：随着居民生活水平的提高，私家车的数量剧增，停车难的问题日益突出。针对当前停车难的问题，设计了一种基于无线传感网络的智能泊车引导系统。本项目采用无线射频信号，实时检测各停车场车位的使用情况，基于竞争调度的方式实现车辆有序泊车。基于多传感器协同作用的数据采集模块采集到的数据通过Zigbee传输协议传送到服务器端，服务器将数据传送到客户端。竞争机制采用预约、冲突检测的方式；系统由传感器检测模块、协调器、中央服务器以及智能设备终端构成。系统实现实时监控，智能调度的泊车引导。该文着重讨论该方案的实现原理、关键技术等问题。

关键词：多传感器协同；Zigbee传输协议；智能调度；实时监控

0 引言

随着居民生活水平的提高，小轿车走进了千家万户。私家车数量的剧增带来了巨大的交通压力，尤其是在大城市，停车问题更为突出。城市停车问题关乎居民的切身利益，经常无目的地到处乱转寻找停车位无疑会增加交通压力、降低人们的生活品质。智能泊车引导系统的关键在于高精度、高稳定度、低复杂性的车位信息检测。很多学者对该问题进行了研究，并提出了一些解决的方案。其中，基于视频技术的车位信息检测装置[1-2]能提供十分全面的信息，所以其应用范围比较广泛，但在物体遮挡的情况下会失效；基于GPRS的车位信息检测[3-4]适用于无线控制，但其成本较高，不适宜大范围使用；而由李毅[5]提出的基于红外传感模块的车位信息检测，具备较好的检测效果，但红外模块却易受环境的影响。

对此，本系统的智能泊车系统，采用多传感器协同工作，其中包括红外传感器、超声波传感器。多传感器的协同，既提高了检测的精度，又减轻了其受环境影响的程度。在数据传输方面采用无线Zigbee传输协议，实现低功耗、短距离无线传输。通过基于预约、抢占、冲突检测、轮询的竞争调度机制，实现快速、高效、有序泊车，智能调度。

1 系统结构

本系统分为三部分，分别为停车位数据采集、数据传输与控制以及数据可视化。停车场内节点采集到的车位信息数据，经过一跳或多跳传输到协调器，通过GSM/GPRS接口以无线的方式接入Internet网络，通过服务器端进行分析，最终将停车场车位的使用情况以人性化的形式展现给用户。系统结构图如下图1所示。

其中，在数据采集方面，主要包括停车位监测节点设计以及停车位数据校正。在停车位节点上，采用红外线测距传感器模块与超声波传感器测距模塊对数据进行初步的采集，MSP430微控制器模块进行数据分析，在多传感器协调作用下，得到一个较为精确的数据，通过GPRS将数据发送到协调器。

在数据传输上，采用Zigbee协议实现停车场内数据无线传输后，协调器通过GSN/GPRS将数据传输至远端服务器，实现数据的采集和存储，数据的管理以及数据的访问等功能。数据可视化为提供良好的用户体验，为其提供最近停车场空闲泊位信息，帮助用户更快、更方便找到停车泊位。

2 系统设计

系统设计上主要包括硬件和软件两大部分。硬件部分主要指停车位监测节点、网关节点，软件上主要实现最短路径查找空闲停车泊位算法。

2.1 节点及网关设计

其中，在监测节点设计方面，主要包括Zigbee无线节点模块、红外传感器模块、串口通信电路模块组成。节点采用测量精度高，抗干扰性强，低功耗的红外线传感器。

在外形设计上，考虑到路边停车位边上均有略高于停车位的人行通道，此外再借鉴咪表的外形设计，本系统采用柱形防水材料，易布置，易维护。针对节点的能量消耗问题，模块加入了低功耗监听管理，让节点定时处于休眠状态，降低了停车位监测节点的功耗，延长工作周期。

除了设立终端节点外，还需设有网关节点，即协调器，该协调器负责收取一个大范围区域内的所有停车位节点发过来的数据。协调器主要完成数据汇聚转发。考虑到GPRS网络覆盖范围广、快速连接、永远在线、按流量计费（在不发送字节时不收费）等特点，本系统选择GPRS作为协调器和服务器的无线数据传输。

汇聚网关设计的关键问题是处理速度，嵌入式处理器采用了高性能的S3C6410芯片，主频800MHz，内存达到256MB，采用容量大小为256MB的FLASH，提高系统的处理速度和增大存储节点的信息量。嵌入式外围设备主要采用了以太网卡，WIFI模块等，提供有线和无线的通信方式。外接Zigbee无线节点连接在网关I/O系统的USB接口上，其功能是作为所管辖区域内所有无线停车位监测节点的根节点，接收感知层发送的数据。

2.2 空闲泊位最短路径查找算法

系统根据用户当前位置，为其推荐最近最短空闲停车泊位，借助Dijkstra最短路径算法为其进行路径规划，把公路地图模型化为一个图：结点表示路口，边表示连接两个路口的公路，边的权值表示公路的长度。系统算法设计的目标是从起点出发找一条到达目标停车场的最短路径。所以， 需要先对地图上的用户当前的位置、目标停车场和路径进行处理，抽离出其所对应的有向加权图G=（V，E）。在其上定义的加权函数w=E→R为从边到实型权值的映射。路径p=（v0，v1，···，vk）的权是指其组成边的所有权值之和：

w（p）=w（vi-1，vi） （1）

定义u到v间最短路径的权为：

δ（ν，v）=minw（p）：u→v 如果存在由u到v的通路

∞ 如果不存在 （2）

从结点u到结点v的最短路径定义为权w（p）=δ（ν，v）的任何路径。

3 实验结果

本系统采用多传感器协同工作，其中包括红外传感器、超声波传感器。多传感器的协同，既提高了检测的精度，又减轻了其受环境影响的程度。其硬件结构如图2 所示，图中：包含相对排布的红外传感器和超声波传感器。还有负责控制杆升降所使用的舵机。图3展示了最短路径查找空闲停车泊位的路径推荐结果。

图2 单个车位硬件布置图