路边停车泊位监控系统的研究与设计

宗 琳，宗 玮，戴海燕

（1.中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430079；2.上海师范大学旅游学院，上海 200234；3.湖北省超高压输变电公司，湖北 武汉 430050）

现在大型停车场的管理模式已非常成熟，但是大型停车场的数量有限，且主要分布在商业中心和写字楼附近，对短时间停车的车主而言，路边停车泊位是最佳的选择，因此路边停车泊位的管理对静态交通的影响非常重要［1－2］。

由于路边停车泊位所处环境的复杂性，对泊位的监控也会受到很多因素的影响，例如，路过的车辆、行人、天气、温度、湿度等都会对不同的泊位监控方式产生不同的影响，选择正确的监控方式是一个非常重要的环节。笔者设计的系统采用地磁场监控方式，其在路边泊位监控中的优点将会详细叙述［3－4］。

一个路边停车场的泊位数量一般为10～50个不等，因此需要诱导基站通过LED显示屏实时显示当前空闲的泊位数以提高车主找到合适停车泊位的效率，从而缓解由于车主寻找泊位而带来的交通压力。

收费方式主要依靠收费人员通过收费手持终端对停车的车辆进行签到和按时收费，所有的收费信息都会发送到泊位信息管理中心，中心对收费人员的上下岗位和收费情况进行管理和特殊情况的及时处理。

1 系统结构

路边停车泊位监控系统由泊位传感器、泊位中继基站、泊位诱导基站、收费手持机、用户手机客户端和信息管理中心等6个部分组成。该系统中，信息管理中心是系统正常运转的核心，通常安装在监控室。泊位传感器通过443 MHz的无线射频方式进行信息的传输，泊位中继基站通过无线射频的中继接收各个传感器发送的数据，经过处理后，再通过GPRS/3G的远距离无线方式将整合后的信息发送到信息管理中心，同时泊位中继基站通过串口总线的方式传输给泊位诱导基站，诱导基站可以实时监控泊位上是否有车，最后信息管理中心将停车位信息通过Internet公布到互联网上［5－6］。管理人员利用 WIFI的通信方式在有限的通信范围内通过手持设备进行路边停车收费，而用户可以通过手机客户端或智能终端对路边泊位情况进行实时查询，也可以对用户自由确定区域里所有泊位的实时情况进行查询。系统的结构示意图如图1所示。

该系统中各部分的功能如下:

（1）泊位采集。泊位采集由泊位传感器和泊位中继基站构成。泊位传感器采用AMR磁阻传感器，可以很好地感测地磁范围内低于1高斯的磁场，根据一些铁、磁物体对地磁的扰动检测车辆的存在，从而对泊位是否被占用进行监控。

图1 路边泊位监控与诱导系统结构图

泊位中继基站首先从接收中继获取所有传感器的实时数据，然后进行数据处理，将所有的传感器数据按照确定好的协议组成通信帧进行发送，通过GPRS/3G的方式传输到信息管理中心［7］。

（2）支撑平台。支撑平台主要由各类虚拟服务器构成云平台，该云平台对大量的泊位相关信息进行分类处理，并提供各种服务，用户可以使用手机终端来获得所需的各种服务［8－9］。

通信服务器与所有的路边泊位监控基站进行通信，单独设立一个服务器以保证通信的质量，通信的成功是整个系统运行的基础。

应用服务器是提供给应用程序的服务器，例如，智能手机安装了用户客户端应用程序，就可以实时查看自己当前位置附近的空闲泊位情况，以及从自己当前位置到达目的地的最优路线［10］。

LDAP（lightweight directory access protocol）与关系数据库联合使用，数据库的调用通过LDAP方式，该存贮模式和访问协议可大大优化查询数据库的时间。

数据集群主要用于数据的存储和备份。运行与维护管理和资源与安全管理是管理员直接控制服务器的渠道，在需要进行服务器的更改、维护和修理等情况时进行人为控制。

（3）路边停车。路边停车由路边停车收费终端、监控系统和路边诱导基站构成，各自的功能分别为完成停车收费、所有泊位的总体监控管理和对车辆进行路线引导。

（4）停车场加盟。虽然该系统主要是针对路边泊位停车系统而设计的，但是随着系统的完善，停车场的加盟会为用户的出行停车带来更大的方便，用户可根据自己的停靠时间来自由选择停车的位置，如长时间停车就选择停车场，短时间停车就选择路边停车泊位。更加灵活的停车方式选择和更加全面的停车信息会对用户产生巨大的吸引力，商家也会由此加入，从而使系统更完善。

停车场与路边泊位的最大区别是收费方式大大简化，基本可以脱离人员操作收费，节省人力。

（5）公众服务。跨平台的各种终端应用为使用不同平台的用户提供了便捷的出行体验，无论是智能手机、平板电脑，还是车载终端都可以方便地查看任意停车场或者路边泊位的实时情况，并且可以查看自己的实时消费记录、历史记录、所剩余额等个人信息。

2 硬件设计

2.1 传感器选型和设计

为了准确地获得泊位信息，每一个泊位的状态都应有效、可靠和稳定地被检测到，因此选择一个适合的传感器非常重要，除了可以完成上述要求，还要考虑成本因素。路边泊位传感器可选类型及其优缺点比较如表1所示。

表1 路边泊位传感器可选类型及优缺点

由于路边泊位周边可能有大量行人和车辆经过，以及四季变化和天气影响都会对泊位信息采集产生干扰，将这些干扰最小化的传感器类型才是所需要的，虽然磁阻传感有一些缺点，但是它对路边的干扰因素并不敏感，因此选择磁阻传感器进行泊位采集。

在铁磁材料中会发生磁阻的非均质现象（AMR），当沿着一条长而薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场时，合金带自身的阻值会发生变化。

利用AMR磁阻效应生产的AMR磁阻传感器将三维方向（x，y，z）的单个传感器件集成在同一个芯片上，并将传感器与调节、补偿电路集成一体化，可以较好地感测地磁范围内低于1高斯的磁场，根据一些铁磁物体对地磁的扰动来检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的不同扰动来识别车辆类型。其灵敏度可以达到1 mV/V/高斯，线性度误差达到0.05%FS，迟滞误差和重复误差也很小，都可以达到0.08%FS。

AMR磁阻传感模块的原理示意图如图2所示。系统采用HMC1022磁阻传感器，它是一种双轴传感器，可以同时检测到两个垂直方向上的磁场变换，磁场范围达到±6高斯（地磁场为0.5高斯）。如果需要同时检测3个方向上的磁场变化，可以采用单轴和双轴结合的方式。在路边泊位中，一般只要考虑两个方向上的磁场变化，因此采用一个HMC1022双轴传感器即可满足需求。

图2 ARM磁阻传感模块原理图

HMC1022感应到水平或者垂直方向上的磁场强度的变化，产生变化的信号，通过运算放大器、滤波器的放大滤波作用，进入A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号，进入MCU（micro control unit），然后经过进一步处理，变为RS232信号。

2.2 泊位监控和诱导基站

泊位监控基站主要是将在该基站监控下的所有泊位信息进行整合，然后通过GPRS/3G的方式远程发送到信息管理中心。泊位监控基站的结构如图3所示。

图3 泊位监控基站结构图

在图3中，主控芯片采用 ARM7架构的LPC2368微处理器，它具有512 kb的内嵌式高速闪存，基本可以满足30～50个泊位的数据存储，如果数据量过大，还可以通过SD/MMC读卡器进行扩充存储空间；具有双串口，满足与中继和GPRS/3G模块的数据交换；功耗较小，采用小面积的太阳能电池板供电基本可满足基站的续航，同时也简化了安装的过程，不需要使用市电而减小了工程量。

泊位诱导基站主要的功能是从信息管理中心获取实时泊位剩余信息，并通过LED显示屏显示，可为车主的停车位置和线路选择带来方便，提高停车效率，泊位诱导基站结构如图4所示。

图4 泊位诱导基站结构图

泊位诱导基站的功能并不复杂，由于其与监控基站并不是安装在一起，并且LED的耗电量较大，无法使用小面积太阳能电池板供电，因此选择一款具有基本功能，并且耗电量较低的单片机即可。STC12C5A60S是一款8位单片机，具有双串口，既可以向LED屏幕发送剩余泊位数，还可以与信息管理中心通过GPRS/3G模块进行通信，成本也较低［11－12］。

3 软件设计

3.1 诱导基站协议

诱导基站协议如表2所示。

表2 诱导基站协议

3.2 传感器通信协议

传感器通信协议如表3所示，命令标识如表4所示。

表3 传感器通信协议

3.3 信息管理中心

信息管理中心是对路边停车泊位监控与诱导系统所有信息存储、显示与处理的核心，因此界面要非常醒目和便捷地显示所有泊位信息，以便管理员及时发现问题所在。笔者采用B/S（Browser/Server）模式，管理员通过网页的形式对系统进行监控，网页的界面如图5所示。

表4 命令标识

图5 信息管理中心的城市停车管理系统操作界面图

在界面图中可以看到所有加盟的停车场和路边泊位的剩余情况，点击任一剩余泊位数字，就可以出现该停车场的详细泊位剩余情况，以图像的形式显示出来。

3.4 手持设备收费软件

手持设备收费软件是一款完成停车收费功能的软件，其不但要高效稳定地完成收费过程，还要便捷易懂，方便收费人员操作。

收费主要有签到和收费两个过程。系统的收费方式由收费卡来完成。路边收费与停车场不同，停车场有进场和出场两个过程，这两个过程的时间差，通过两次刷卡完成收费，而路边停车没有明确的入口和出口，因此系统采用签到的方式，当泊位检测到车辆驶入时，手持机的该泊位图标闪动，管理员需要将驶入车辆的停车卡卡号和车牌号与该泊位签到绑定，图标不再闪动，变为静止的绿色，表示已经签到。当泊位检测到车辆驶出时，就不用再次刷卡，后台将自动对已绑定卡的账户进行扣费，图标同时变灰，表示泊位空闲，用户可以用自己的账号在手机、平板电脑等客户终端上查看自己的消费记录。

4 实验结果与分析

路边停车泊位监控与诱导系统是一个以路边泊位为基础的城市停车监管系统，笔者针对泊位传感器和433 MHz无线射频传输做了大量可靠性试验，其试验结果如图6所示。

图6 无线射频传输丢包率

基站的安装位置与传输效率有着直接的关系，在试验中，监控基站安装在1号泊位附近，因此丢包率是随着传输距离的增加而增加的，如果提高无线射频的功率，可以增加有效的传输距离，但是会对生物产生较大的伤害，因此在距离和功率两个点上达到平衡才可以更加有效地解决丢包的问题。除此之外，在大型车辆驶入泊位时，例如SUV，信号马上就会减弱，可见障碍物的体积也会对传输带来一定的干扰。

5 结论

笔者介绍了路边停车泊位监控与诱导系统的设计与实现方法，它是一个以路边泊位为基础的城市停车监管系统，使用磁阻传感器和无线射频的方式进行泊位信息采集，通过单次签到的方式进行收费，在路边泊位的基础上，允许停车场加盟。在服务方面，整合多方面的咨询与信息，例如天气、消费咨询、实时路况等，提升用户体验，让整个系统更加完善。该系统高效可行，可以在更多的城市得到推广与使用。

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