王中生，韓康
?。ㄎ靼补I(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）
摘要：隨著經(jīng)濟(jì)水平和人們生活質(zhì)量的不斷提高，機(jī)動車數(shù)量迅速增加，傳統(tǒng)停車系統(tǒng)無法滿足高速增長的停車需求，智能停車管理系統(tǒng)的研究勢在必行。通過對傳統(tǒng)停車系統(tǒng)的分析，研究了智能停車系統(tǒng)需具備的基本功能,并以ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)、MQTT協(xié)議、Node.js與O2O模式等作為關(guān)鍵技術(shù),提出系統(tǒng)的整體架構(gòu)、系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，該系統(tǒng)可有效利用城市停車資源，減輕停車壓力。
中圖分類號：TN602文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.028
引用格式：王中生，韓康. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能停車系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（20）：99 102.
關(guān)鍵詞：智能停車；ZigBee；MQTT；Node.js；O2O
0引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)高速增長、城市化進(jìn)程不斷加快，機(jī)動車的數(shù)量迅速增加，日益增長的停車需求與城市所能提供的停車位數(shù)量之間的矛盾越來越突出，停車問題已經(jīng)成為影響城市交通可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。然而，傳統(tǒng)停車場由于功能單一、效率低下、自動化程度低，己經(jīng)不能滿足人們的停車需求，因此發(fā)展城市各處停車場的智能化建設(shè)對于改善整個城市的交通管理狀況起著至關(guān)重要的作用［1］。
傳統(tǒng)停車場在停車效率、能源消耗、安全性能、車場管理運(yùn)營等方面已不能滿足現(xiàn)代化的停車發(fā)展需求，多數(shù)傳統(tǒng)停車系統(tǒng)存在以下問題。
（1）停車系統(tǒng)僅記錄停車場內(nèi)車輛數(shù)目或剩余車位數(shù)目，無法提供具體的停泊位置信息。如果停車場規(guī)模較大，車主很難快速找到合適的停車位。
（2）無法提供空余停車位在線顯示功能。對于一個開放性停車場，車主無法了解到該停車場是否會有空余車位，等到車主到達(dá)該停車場時才發(fā)現(xiàn)已經(jīng)停滿，這無疑是對時間和資源的浪費(fèi)。
（3）停車系統(tǒng)之間很少進(jìn)行資源共享。當(dāng)前各個停車場的系統(tǒng)是各自分離的“信息孤島”［2］，停車系統(tǒng)之間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，即使某些停車場爆滿，而另一些停車場有大量空余車位，系統(tǒng)也無法為用戶提供來自其他停車場的可選停車方案。
因此，開發(fā)和設(shè)計(jì)一套完整的智能停車管理系統(tǒng)非常必要。智能化的停車管理系統(tǒng)成為大中型綜合商業(yè)建筑物、學(xué)校以及居民小區(qū)必備的配套設(shè)施［3］，它可以有效減輕人們出行的壓力，緩解現(xiàn)代城市堵車及停車難的問題。
1系統(tǒng)功能
智能停車管理系統(tǒng)針對傳統(tǒng)停車場的缺陷，結(jié)合國內(nèi)外智能停車系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，采用O2O模式，為系統(tǒng)添加了以下幾方面功能。
1.1空余車位在線查看功能
在O2O（Online to Offline）模式下，用戶可以通過PC網(wǎng)頁或者手機(jī)等終端遠(yuǎn)程查看停車場的空余車位信息，車位上有車泊入或離開時，車位狀態(tài)變化都會及時顯示在用戶終端上。如果用戶想要在某個停車場泊車，可提前通過手機(jī)等移動終端查看信息并預(yù)定車位，進(jìn)行有計(jì)劃的安排，消除尋找車位的盲目性。
1.2車位預(yù)約功能
通過移動終端查看空閑車位，用戶可以對其進(jìn)行標(biāo)記和預(yù)約，對于被用戶標(biāo)記過的車位系統(tǒng)會限制其他車輛泊入，待用戶到達(dá)自己預(yù)約的車位時，可以通過移動終端操作，解除限制，泊車入位。
1.3停車引導(dǎo)功能
用戶可以通過移動終端查看停車場布局圖和停車情況，并根據(jù)引導(dǎo)找出事先預(yù)約或者空閑的車位。當(dāng)停車場規(guī)模較大時，清晰的停車分布圖可以引導(dǎo)用戶快速泊車。
1.4停車場信息共享和停車位推薦功能
當(dāng)用戶通過移動終端預(yù)約車位時，系統(tǒng)控制硬件，采取強(qiáng)制措施保護(hù)車位，例如升起一排地樁或者檔桿，阻止其他用戶進(jìn)入。但是這顯然是對公共資源的一種浪費(fèi)，更好的做法是，僅對被預(yù)約的車位進(jìn)行標(biāo)記，當(dāng)用戶預(yù)約的車位被其他用戶占用時，系統(tǒng)可為用戶推薦車位，提供可選的停車方案。停車位推薦的功能是依賴于信息共享的，各個停車系統(tǒng)之間能夠信息共享，才能提供合理的車位推薦。
2系統(tǒng)架構(gòu)
該智能停車系統(tǒng)整體上劃分為三大部分［4］：數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和發(fā)布層，如圖1所示。
首先，系統(tǒng)中原始數(shù)據(jù)均來源于數(shù)據(jù)源層，通過紅外、超聲波等設(shè)備采集車位傳感數(shù)據(jù)，采用ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)作為中間層進(jìn)行通信，依照ZigBee協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)和發(fā)送數(shù)據(jù)［5］。采集到的傳感器數(shù)據(jù)可通過ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中預(yù)處理。其次，數(shù)據(jù)服務(wù)層運(yùn)行于服務(wù)器中，接收來自PC上位機(jī)的傳感器數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行處理，最終轉(zhuǎn)換為車位狀態(tài)信息存儲于數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并使用Webservice規(guī)范發(fā)布數(shù)據(jù)接口，提供數(shù)據(jù)共享功能。最后，在發(fā)布層，系統(tǒng)支持多種客戶端，用戶可方便地查看停車場車位信息，并使用車位預(yù)約、停車引導(dǎo)等功能。
3系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)
系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)思路是：按照O2O理念［6］，線下使用ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，配合Arduino控制器控制硬件，線上使用Node.js處理數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)分發(fā)，配合手機(jī)等移動端App，管理停車位資源。通過線上線下的有序配合，為用戶提供空閑車位查詢、車位標(biāo)記預(yù)約、停車引導(dǎo)等功能。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
系統(tǒng)主要采用ZigBee數(shù)據(jù)傳輸、MQTT消息推送、Node.js數(shù)據(jù)服務(wù)、移動客戶端等關(guān)鍵技術(shù)。
3.1ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)
在智能停車系統(tǒng)中，下位機(jī)采用超聲波傳感器探測距離，從而判斷車位上是否有車輛泊入。通過Arduino控制器操縱傳感器采集數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞至PC上位機(jī)，數(shù)據(jù)在上位機(jī)上進(jìn)行預(yù)處理（消除噪聲）后，最終遞交至服務(wù)器。另一方面，除了接收和處理來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)，上位機(jī)也可以接收服務(wù)器控制信息，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制信息至Arduino控制器，最終由Arduino來控制硬件動作，實(shí)現(xiàn)反向控制，因此，系統(tǒng)中不僅可以通過移動終端獲取傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)在線查看車位的功能，也能通過手機(jī)操作控制系統(tǒng)硬件，實(shí)現(xiàn)預(yù)約車位的功能。超聲波傳感器與Arduino控制器、 ZigBee與上位機(jī)均采用串口通信協(xié)議交換數(shù)據(jù)。
3.2MQTT消息推送
智能停車系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)能自主雙向流動，即上位機(jī)與服務(wù)器通信過程中，一方面當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)由于車輛位泊入或者離開發(fā)生變化時，上位機(jī)能主動通知服務(wù)器，服務(wù)器接收新數(shù)據(jù)并存儲。另一方面，用戶發(fā)送反饋數(shù)據(jù)去操作車位時，服務(wù)器能主動通知上位機(jī)，上位機(jī)再將用戶控制指令數(shù)據(jù)傳遞至ZigBee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通知Arduino控制器操作相關(guān)硬件。由于HTTP協(xié)議具有被動性，在此過程中，單純地使用HTTP協(xié)議只能保證傳感器數(shù)據(jù)被正確提交至服務(wù)器，但無法保證服務(wù)器數(shù)據(jù)變化時能主動通知服務(wù)器，除非使用客戶端長輪詢的方式，即在上位機(jī)不斷地發(fā)送HTTP請求獲取最新的服務(wù)器數(shù)據(jù)。但是這種方式非常耗費(fèi)系統(tǒng)資源，對一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)代價(jià)比較大，因此選用擁有“消息訂閱機(jī)制”特點(diǎn)的MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)服務(wù)器到上位機(jī)的通信更加合理。
消息隊(duì)列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）采用輕量級發(fā)布和訂閱消息傳輸機(jī)制，支持雙向消息推送［7］。在MQTT協(xié)議中有訂閱者、發(fā)布者和代理三類角色，前兩種以MQTT客戶端的形式來展現(xiàn)，后一種以MQTT代理服務(wù)器的形式展現(xiàn)。訂閱者和發(fā)布者的通信由MQTT代理來協(xié)調(diào)，具體運(yùn)行機(jī)制是：MQTT代理服務(wù)器維護(hù)各個MQTT客戶端之間的關(guān)系，當(dāng)某一客戶端發(fā)布消息時，代理服務(wù)器會首先接收消息，查詢訂閱該類型消息的用戶，并將消息轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱者，訂閱者便可主動收到消息推送。智能停車系統(tǒng)中采用MQTT協(xié)議進(jìn)行服務(wù)器到上位機(jī)的反向通信，PC上位機(jī)訂閱服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)庫更新的消息，一旦數(shù)據(jù)庫更新事件發(fā)生，便發(fā)布消息主動通知上位機(jī)，上位機(jī)再做相應(yīng)處理。通信模型如圖3所示，上位機(jī)PC和服務(wù)器均運(yùn)行著MQTT客戶端，用于消息的訂閱或發(fā)布，某個MQTT客戶端一旦發(fā)布消息，MQTT代理服務(wù)器便會將其轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的訂閱者。
本系統(tǒng)在上位機(jī)上采用基于Python的開源工具Paho實(shí)現(xiàn)MQTT客戶端，與運(yùn)行于服務(wù)器中的MQTT代理服務(wù)器進(jìn)行交互，完成服務(wù)器到上位機(jī)的消息推送；使用HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)到服務(wù)器的通信，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)的變化超過一定閾值時發(fā)送HTTP請求，將數(shù)據(jù)提交給服務(wù)器。總的來說，通過HTTP協(xié)議與MQTT協(xié)議，數(shù)據(jù)可以在服務(wù)器與上位機(jī)之間自主雙向流動。
3.3Node.js數(shù)據(jù)服務(wù)
服務(wù)端采用Node.js技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)服務(wù)掛載、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)分發(fā)等多種功能。
(1)服務(wù)掛載。在Node.js環(huán)境中可以同時掛載MQTT代理服務(wù)器和HTTP服務(wù)器，滿足服務(wù)器自主推送消息到上位機(jī)的需求，也允許上位機(jī)發(fā)送HTTP請求來提交傳感器數(shù)據(jù)。在Node.js環(huán)境中，可采用Mosca［8］搭建MQTT代理服務(wù)器，同時創(chuàng)建MQTT客戶端，在數(shù)據(jù)庫更新時發(fā)布消息，通知上位機(jī)執(zhí)行執(zhí)行相應(yīng)動作。
(2)數(shù)據(jù)操作。MongoDB是一種NoSQL數(shù)據(jù)庫，基于分布式文件存儲，可以存儲比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，適用于大數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。在智能停車系統(tǒng)中，服務(wù)器接收到傳感器數(shù)據(jù)后按照一定規(guī)則將傳感器數(shù)據(jù)映射為車位的占用狀態(tài)信息，以JSON格式表示，存儲于MongoDB。
(3)數(shù)據(jù)分發(fā)。Webservice為運(yùn)行于不同系統(tǒng)或平臺的應(yīng)用提供了一套交互規(guī)范，RESTful Webservice因其輕量、高效、易用、易設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，在移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用廣泛。使用Node.js平臺的輕量級Web框架Express，可設(shè)計(jì)符合REST規(guī)范的API，方便快捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)和共享。手機(jī)等移動客戶端調(diào)用REST API可以從數(shù)據(jù)庫中獲取車位信息，展示在移動設(shè)備上。
總之，在Node.js環(huán)境下，各項(xiàng)功能可以便捷地實(shí)現(xiàn)［9］，其整體組織結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3.4移動客戶端技術(shù)
使用Java、Swift、React Native［10］等技術(shù)可開發(fā)各個平臺的App，通過調(diào)用服務(wù)器提供的REST API 獲取車位狀態(tài)，并使用第三方SDK集成一些實(shí)用的功能，例如，使用百度地圖SDK為App集成地圖和導(dǎo)航功能［1112］；使用支付寶SDK可以為App集成在線支付功能，停車收費(fèi)通過移動支付技術(shù)完成。因此，用戶通過App可以快速查看停車場的布局圖和停車位的當(dāng)前占用信息，提前預(yù)約車位，進(jìn)行高效的停車管理，緩解城市停車壓力。
4結(jié)論
本文通過對現(xiàn)有停車系統(tǒng)的分析，結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)O2O模式提出了一種智能停車系統(tǒng)的整體架構(gòu)，并重點(diǎn)對其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)可提供空余車位在線查看、車位在線預(yù)約、用戶停車引導(dǎo)、附近停車場推薦和智能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等功能，實(shí)現(xiàn)停車場自動化管理，緩解日益增長的汽車保有量帶來的城市停車壓力。
依據(jù)信息技術(shù)的發(fā)展趨勢，未來智能停車場主要從以下幾個方面進(jìn)行深化。
（1）打破信息孤島。依賴于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，停車場之間數(shù)據(jù)共享，構(gòu)建統(tǒng)一物聯(lián)平臺，進(jìn)行資源整合，使停車資源得到有效利用。
?。?）實(shí)現(xiàn)高度自動化。通過移動支付自助繳費(fèi)，使用傳感器技術(shù)感知車輛泊入并自動計(jì)費(fèi)，使用計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速識別。逐漸實(shí)現(xiàn)停車場無人化管理，節(jié)省人力資源。
（3）精確的停車誘導(dǎo)。通過傳感器定位技術(shù)自動生成停車場布局圖，為用戶提供更精確的停車誘導(dǎo)、車位引導(dǎo)和反向?qū)ぼ嚨裙δ堋?/p>
?。?）移動終端支持更多功能，如停車位自動導(dǎo)航、自動繳費(fèi)、按照停車位反向?qū)ぼ嚨裙δ堋?/p>
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，停車系統(tǒng)會變得越來越智能，“城市停車難”的問題也會逐步減緩。
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