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基于无线传感网络和超声波传感器的停车引导系统

摘要：本研究介绍了一种通过使用装配有超声波传感器的无线传感网络（WSN）科技的停车系统新思路。该系统同时也实现了最短路径算法去计算从车位到最近的入口的最短距离。该系统通过监视有效的泊位和为车主和停车场管理人员收集有效信息来运行。信息是通过检测传感器和用于引导车主到泊位的最短路径的计算获得的。停车场管理人员使用传感信息去帮助全部的管理和计划。使用无线传感网络是因为其适合实际获取和测量的信息被用于在无线信道中传输，不需要安装新的网络电缆就可以到达各个传感设备。

关键字：智能停车系统，A-STAR算法，无线传感网络，超声波传感器

介绍

随着新注册车辆数目不断增长，马来西亚政府交通部门的统计数据清楚表明了，在2006年有458293辆的新注册车辆，相较于1999年296716辆的新注册车辆。这产生的迅猛的增长大约有54.5%的增长是在7年的时间跨度里。在大多数主要城市停车空间不足的挫折推动下，一种有组织且有效的停车系统对于保证交通平滑流动和路面情况缓解问题来说十分重要。

相较于西方，亚洲的路面状况十分狭窄，引发了许多诸如交通拥挤等问题（Inaba以及其他人，2001）。一种智能停车管理系统可以帮助解决这些问题，比方说当车主到达停车场有段时间可以花费更少的时间去找车位。这同时极有效减少了耗油量和尾气排放量（Smith和Roth，2003）。

无线传感网络（WSN）的出现组成了使用传感器的空间分布自治设备用于宽泛多样的各类应用。有能力提供低功耗的局部无线测量技术已经引导作者们将目光瞄向使用无线传感网络科技的智能停车系统。无线传感网络科技将被用于发现停车位和向推荐的系统提供信息来实现最短路径计算。此系统可以引导车主到离出入口最近的停车位。传感器采集的信息也可以被用于实现更复杂的任务，比如说统计采样。

本研究，介绍最近流行的智能停车系统。此外，推荐系统方法论是介绍展示一个智能停车系统是怎样把无线传感网络技术，超声波传感器和最短路径算法融合成一个整体的。

智能停车系统

通常使用的有5种智能停车系统，分别是停车诱导信息系统，基于交通信息系统，智能支付系统，移动互联网停车系统和自动化停车系统（Shaheen等人，2005）。

停车诱导信息系统（PGI）是一种使用可变信息显示（VMS）和其他包括广播和手机等设备传播信息给车主的系统。这些系统可以在城市范围内或者限制在一个特殊停车场内被实现，而且可以提供给车主大量停车位信息或者交通状况信息（Sakai等人，1995）。作为跟停车诱导系统（PGI）功能相似的基于交通信息系统，同样也可以提供给车主交通状况的信息。这两类系统主要的区别在于基于交通信息系统一般引导车主前往乘坐公共交通最近的停车场。这类系统主要目标是为了鼓励公民使用公共交通通过提供车位停放私家车并转换乘坐公共交通出行（Chinrungrueng等人，2007）。

另一种类型的智能停车系统就是使用各种技术诸如非接触式感应产品和移动技术的智能支付系统。移动互联网停车系统可以查看并修改车位占用信息，使用移动手机来预订车位。自动化停车系统利用计算机控制通常包括重机械来自动停放车辆进去停车空间，依据预订来节省空间。

停车诱导系统

此处，作者来详细介绍这个目的系统设计。本研究延续了Idris等人（2005-2008）的关于停车诱导系统的项目。这个项目旨在引导车主前往就近的空闲停车区域。无线传感网络被应用于最近的项目实现。此系统可以被分为如图1所示的几个部分。此系统开始时向车主提供一个界面来挑选合适的建筑入口。用户选择界面在车主进入停车场内时显示。根据选择的目的地，系统会使用最短路径算法计算最近的空车位和就近出口的路程。此设计的前提是假设车主会选择停车在离建筑物出口需要步行距离最短的地方。

寻找算法显示了一种重要的规则来决定顶层系统的效率。启发式算法更适合作为需要的一种直接结果，而最短路径需要被多次重复的计算（Fu等人，2006）。延迟可以被默许因为这可以明确地缓解入口处交通，达到系统的目的。各类评价已经引导了在不同的算法中寻找最适合的算法可以交付所需的性能。在这个系统中，最短路径的计算是使用A-STAR最短路径算法。A-STAR算法是一种双向启发式寻找算法可以来在系统中达到最优解。这是一张最佳优先图表寻找算法可以在多条可能的节点中找到最少开销路径从初始节点至目的节点。

根据计算，被计算出来的空车位用内部唯一的编号被保留到射频识别（RFID）标签。然后，这个唯一的编号和对应的空车位会在数据库中更新。车主可以通过售票机拿到射频识别标签，并通过触摸屏来获取预订车位信息，如图2。至于被预定的车位不会被占用，预约将会保留至少10分钟。系统计算每个车位的预定时间，当车位时间满了，将会重置为可停靠车位状态，系统会判定车主占用了他人车位。

射频识别标签被用于审计时间来计算车位的占用和空闲时间，并向车主生成支付费用信息。这同时也可用于引导车主前往停靠的车位。同时也方便车主通过缴费机进行支付。如图3中显示，当车主插入射频识别标签时，缴费机屏幕上将会立即显示前往停车位的路线。这个功能可以方便帮助在建筑物中停留一段时间后忘记了车子停泊位置的车主。当车子离开停车位，无线传感网络传输数据，系统数据库将重置停车位状态为可用。

此系统开发具有很强的特征，表现为其允许停车场操作者可以根据不同级别的停车场定做停车场地图。停车场操作者可以在系统中对停车位、停车场入口、建筑物入口进行添加、移动、删除的操作。图4是布局设置的自定义界面。这种特征增强了系统的可用性，即其可用于大多数建筑甚至是室外停车场。如果有停车场有任何改动，停车场操作者可以多次编辑停车场布局。系统的可重用性大大减少了停车场的总成本。

车位占用检测

各类检测系统被广泛应用于智能停车系统，主要是用于进行车位占用的检测。作为实现智能停车系统的重点就是哪个检测器被选中。当有多个传感器可用时，关键需要考虑的问题就是为智能停车系统挑选合适的传感系统。多方面因素需要被考虑，温度变化敏感性，尺寸，可靠性和健壮性以及融入总体系统的设计（Masaki，1998）。通常有两大传感科技类型，即侵入式式传感器和非侵入式式传感器（Scheeling，2002）。

侵入式传感器有感应涡流，磁力计，输气管，压电电缆和动态称重传感器。侵入式传感器被安装在路面上的洞中，需要进行在路面下钻洞，固定传感器在路面的侵入性的安装过程（Scheeling，2002）。非侵入式传感器是那些相比于侵入式传感器而言安装过程简单的传感器，一般架置底座在路面或者天花板上。非侵入式传感的个例包括视频图像采集，微波雷达，被动红外探测器，超声波探测器，激光雷达以及被动声阵列传感器等（Mimbela和Klein,2007）。

在研究中，超声波传感器被选中用于探测空闲停车位。超声波传感器发射声音能量波或者发出频率在25至50赫兹之间的波形脉冲。被发射的能量被一个会接收的传感器对象反射。被反射的能量被信号处理机用于分析车位的占用状态（Mimbela和Klein，2007）。

超声波传感器可以提供车辆计数，车辆状态以及车位占用状态。使用超声波传感器可以缩减总开发成本，因为超声波传感的价格低廉，维护费用少（Kim等人，1998）。除此之外，超声波传感器可以胜任检测超重车辆的工作。然而，超声波传感器的性能表现受温度改变和极端动荡的影响。图5是一份超声波传感检测模块原理图，表1是原理图中所需的元件清单。

多路复用超声波传感器

在系统中，超声波传感器的存在意义是作为无线传感网络的节点。当大量超声波传感器被使用时，使用微控制器和无线传输模型去刺激数据库不会起到显著的效果。一种电子多路转接器使几个输入不同信号的超声波传感器分享价格高昂的微控制器设备并输出单一信号线成为了可能。这些多路转接器被RabbitCore微控制器模块控制，循环挑选超声波信号。RabbitCore模块允许超声波传感器的输入发送重复的信号至多路转换器。图6显示了RabbitCore微控制器模块，超声波传感器模块和ZigBee无线模块之间的互相联系。在这个例子中，9个74HC151型号的8通道信号输入转换器被用于选择64路的超声波传感器信号输入或64个停车位。这个选择器被3个RabbitCore微控制器输出端口控制，即A端口（即）和B端口（即），如表2中显示。B端口对应的是控制8个子选择器（即选择器1，选择器2hellip;hellip;选择器8）的总选择器。A端口对应的是控制64个停车位（即IFG1,IFG2,Lfg3 hellip;hellip;IFG64）。如图7所示是一种使用继电器作为触发转换器的开关的示例原理图。RabbitCore微控制器模块控制节点的数目主要由RabbitCore微控制器模块的引脚数决定。

无线传感网络停车系统架构

停车场通常是很宽敞的。为数据传输安装电缆和电线是十分复杂而且具有挑战性的。另外，电缆和电线需要经常性维护，并且比无线环境需要更多的开销。ZigBee是一种低开销，低功耗的无线网状网络通信标准。低开销的性质允许现有的技术可以被部署在停车场的各个区域以保证可靠的数据传输能力。低功耗的性能允许很长时间的持续工作，甚至只需要一个小尺寸的电池，这同时也极大的缩减了设备的尺寸。网状网络可以提供很高的可靠性和较宽的波段范围可以保证数据在发射机间按路线发射。

作者极力推荐的停车系统由几个不同的硬件组件构成。不同的硬件组件相互联系，形成了各个片段部分共同组成了整个系统。系统由这几部分组成，包括选择器部分，RabbitCore微控制器模块，ZigBee无线网络部分和超声波传感器。图8展示了一种系统架构的拓扑结构。超声波传感检测电路能检测出停车位状态，并发送数据至选择器。RabbitCore微控制器模块通过使用无线ZigBee发射机的无线环境进行数据收集和发送。在数据管理方面，无线ZigBee协调器会接收从传感器部分发送过来的信号，并在数据库中更新至最新的所有停车位状态。中央计算机可以控制这些节点执行时间同步，调试和发送状态报告。

停车位的状态由以下显示的3个部分构成。FSKTM是针对数据库快速存取的存取关键字。RabbitID是RabbitCore微控制器模块的识别号。这种识别号被用于识别不止个位数的RabbitCore微控制器模块，且每个模块可以检测64个停车位。每个部分结尾，64个停车位状态在这里标志显示。通常用于停车位状态标志的惯例是：1代表占用中，0代表空闲。这类数据通过ZigBee发生器传输至中央计算机的Digi USB接口。此数据在接收后作为串行数据显示，如图9所示。

在接收到的数据基础上，数据库被更新，并且显示在如前面图2所示的用户界面上。总供应量和前往被预定的停车位的路线被显示在界面上。数据库激活了用户界面，如图10所示LotNumber表示唯一的停车位编号（主关键字），CarSituation表示停车位车位状态，Timespan表示车位状态被触发的时间。

系统评估

本研究提出的基于无线传感网络的停车引导系统用于方便车主。系统是通过预订一个空车位并引导车主前往预订的车位来工作的。为解决等待车位内车辆退出时间过长问题，系统可以计算出离出口最近的可用停车位来节省到达时间。

系统同时可以帮助车主定位他们停好的车辆位置。由于大多数停车场很大且有多个出口，有一个常见的问题就是车主经常忘记了他们把车停放在哪个地方了。此外，从其他出口的视角去看也会误导车主寻找停放车辆的位置。因此，射频识读机（在付款台可用）可以通过提供到停放车子的停车位的路线来帮助车主。当车主把射频识别标签加入到射频识读机后，标签中的识别码会进入中央计算机的数据库。最短路径算法使用数据库的内容进行计算和显示从付款台到停车位的路线。

在此系统中，使用的是无线传输技术。在使用无线传输技术时不需要布线，因此进行维护更加简单，总开销也减少了。系统中使用ZigBee无线传输协议来把停车位状态传输至中央计算机的单一管理节点。每个车位可用的状态建立在安装在各个停车位的超声波传感节点上。数据库同步时，每个车位的可用性会进行更新。

无线传感网络技术在停车系统中的实现对于停车场管理者非常有利，他们可以利用系统中的数据来预测之后来停车的车辆，帮助他们发展和提高价格策略。系统同时可以提高停车位的利用率，提高收益。此外，非法停车现象可以减少，停车空间有效率也得到提高了。

虽然系统有这么多有利的方面，但是同时也存在局限性和约束性。系统给了不遵守指定路线的车主机会选择另外的停车位代替本已分配的车位。这样的结果是系统预订给车主的停车位变得不可用直到占用时间结束。最短路径算法的实现引导车主前往指定的车位，并将这种非法停车现象最小化。最短距离可以提供车主最快到达停车位的优势。减缓这种问题的另一种方式通过实行通知甚至给不遵守规则的车主罚单。

未来展望

为确保系统可靠性仍有很多可以提高之处。例如在ZigBee发射机和接收机间的数据丢失问题有待解决。例如遗留管理系统的综合的可能性有待考虑。另一种有待考虑的方面是适当方式为车主展示信息。

一种潜在的增强系统的途径是实现图像采集技术来进行车位检测。监视闭路电视摄像头可作为图片接收机，RabbitCore模块用于通过比较多次采集的图像分析停车位是否空闲。除了监视作用，使用图像传感器的优势是其视野可以

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