基于Zigbee的超声波车位检测诱导系统设计
第一章 绪 论
近年来，国民消费新热点之一为汽车消费，这是我国经济快速发展、居民收入持续增长，生活水平显著提高，生活质量明显改善的具体表现。汽车不再是有钱人的标志也不再是普通百姓的梦想。2012 年底，国家统计局统计公报显示，我国私人汽车保有量同比增长 18.3%已达到 9 309 万辆；民用轿车保有量增长 20.7%已达到 5 989 万辆，其中私人轿车增长 22.8%达到 5 308 万辆。然而停车场的配套并不足够，私家车的拥有量的急剧增加与停车位的严重不足之间的矛盾十分突出。以北京、上海为例，截止到 2011 年 5 月，北京机动车保有量491 万，而机动车停车位仅 248 万，缺口达 50%；上海紧随其后缺口达到 40%，据相关部门统计，上海中心小区配备车位数量约为 44.6 万而夜间停放的车辆总量是 74.3 万辆，只能满足 60%左右的车辆停车需求。“车多位少”的困境迫使许多车主直接把车停在道路上，许多私家车主“见缝就钻”，甚至在马路上玩起“抢车位”。对于社会来说这种现象造成了交通阻塞，让行人产生焦虑心情，容易造成交通事故。对于车主来说车辆随意摆放缺少统一管理很容易被刮蹭，甚至有可能被不法分子破坏或偷盗，给其精神和财产都带来损失[1]。除此之外，落后的停车场技术及相应管理系统使得原本不足的停车资源更加紧缺，停车难的问题更加突出。在这个背景下，80 年代末 90 年代初，将车辆监控、车位检测、显示屏诱导等技术有机结合起来的车辆智能化管理系统应运而生。
停车场的智能化研究至少具有以下意义：
(1)随着经济发展，私家车数量与日俱增，然而由于大多数城市土地资源的稀缺，停车位大大不足，所以在可利用资源有限的前提下建立完整的智能化停车场具有巨大的市场效益。
(2)智能化停车场可以提高提车场的运营效率，增加车位和停车场设施的实际使用率；增强停车场的安全性和可靠性最大程度的降低车辆损坏甚至丢失的可能性。吸引更多的用户从而具有很大的经济效益。
(3)智能化的管理使城市交通效率提高，提高减少车主寻车时间，避免因停车造成的交通拥堵，降低交通污染增强城市的生命力，也使它具有良好的社会效应。
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1.2.1 我国停车场发展现状与存在问题
除了上述理论研究，我国还有很多实践成果。自 2001 年，停车诱导系统先后出现在北京的王府井、北京站以及西单等地区，其中北京西单的停车诱导系统，可以通过显示屏发布采集到的 10 个地下停车场约 15 000 个车位的诱导信息，从而给驾驶员提供快速，准确的交通信息。上海黄浦中心区域的 “停车诱导系统示范”工程对解决停车难的问题起到了一定的辅助作用，该工程起始于2002 年，包括 39 个停车场 5 900 多个停车位，使用了 64 块停车诱导信息牌。随后几年，停车诱导系统出现在青岛、太原、沈阳、广州等一些城市并对发展智能交通和建设智能停车场起到了一定促进作用。然而由于我国起步较晚，智能停车系统还存在许多问题，总体来说仍处于发展阶段，要想和国外技术同步还有许多方面需要发展和完善。智能停车管理系统主要包括车辆检测系统、车辆进出控制及缴费管理系统、车位检测及最佳车位诱导系统、车牌识别系统等。我国主要存在以下问题：
(1)由于土地资源稀缺，车位与车辆不成比例，缺乏大量停车位。
(2)信息化程度不足，还不能实现随时随地对车位进行预约。
(3)管理者对停车场内有多少空位一无所知，只能人工勘察从而无法及时统计不同时期的车流量，不能实时优化车位资源配置，最终降低了停车场的利用率。
(4)停车诱导系统不够完善，引导标志不清晰，无法及时告诉车主最近车位，加快车流疏散。
(5)无法实现自主缴费，车俩不能快速进出停车场。
(6)车辆不能自动定位，方便车主寻找爱车，快速驶离停车场。
(7)基于线方式组建的停车场系统成本较高且开放性、拓展性较差。
1.2.2 国外停车场发展现状与最新技术
世界公认的最早的停车诱导系统于 1971 年在德国亚琛市建立。为了能对需要停车的车主进行有效诱导，停车场信息诱导牌出现在了该市中心的 12 个停车场附近的交叉路口，这一举措大大节省了司机寻找停车场的时间。为了进一步减缓城市交通问题该市在 1980 年又新建了 28 个停车场同时为了充分利用现有停车场该市还对诱导信息进行了远距离控制[6]。在亚洲最早进行停车场建设的国家为日本，该国最早的停车诱导系统出现在 1973 年的柏市。此系统提供的诱导信息包括停车场地理位置、停车场剩余车位信息等。在新加坡，1981 年启用的樟宜机场配有三个停车场,共 3 300 个车位，完全自动化的智能停车系统使如此巨大的停车场内几乎没有管理人员，远程监控系统仅需几个值班者在办公室实时监控停车场的运行情况便可预防紧急情况的发生，大大减少了人力物力资源的浪费。1996 年，一个拥有 3 个停车场、7 个停车库的先进车位诱导信息系统出现在了美国圣保罗商业区。该系统为了清晰的显示出车位位置和车位空闲状态共采用了 56 个显示装置。为了方便诱导信息的统一管理让司机可以随时随地找到可用车位，日本警察厅成立了一个 UTMS(universal Traffic ManagementSystem)项目，该项目将诱导信息通过交通管理综合集成系统发布在区域、主要路口和停车场内的显示屏上，信息主要包括司机当前所在区域中停车场的位置、方向以及是否满位。这种三级引导方式避免了司机在不熟悉的环境中找不到停车场或者停车位的尴尬。大约同一时期法国、英国、瑞士等国也相继出现了这种将信息集成管理的智能系统
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第二章 系统的总体方案设计
智能化停车场以车位为中心，将进、出口自动控制系统、信息网络系统及服务、管理系统进行最优组合，旨在向用户提供一个安全、高效、便利、舒适的停车环境。所以本设计应遵循以下原则：
开放性和可扩展性。智能停车场的功能实现需要靠多个子系统集成完成，因此只有好的开放性才有利于系统的扩展和功能的扩大，才能降低停车场被淘汰的风险。当前科学技术日新月异，为了保证停车场的生命力，在进行设计时除了要有超前的系统规划还要优先采用创新技术。
人性化。系统设计最终的目的是服务于人，因此应将技术和人的关系协调。充分考虑到停车用户生活习惯，操作习惯，既能满足停车用户的功能诉求，又能满足消费者的心理需求。
整体性。停车场是由许多小系统组成的一个有机综合管理系统，将任何一个小系统孤立开来都没有意义，必须统筹考虑所有因素才能设计出符合需求的智能停车系统。
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智能化停车场车位诱导系统主要需要满足两方面的要求：对于用户来说，保障车辆安全出入停车场以及停车期间的安全，减少损失；提高找寻停车位的便利性，减轻交通污染；避免乱收费现象，提高停车收费的可信度。对于管理者来说，规范停车秩序，与动态交通和谐发展；高效实时监控车辆，使系统的操作简单维护方便，提高停车泊位利用率；用智能代替人工，改善工作环境从而减轻员工的劳动强度以提高其工作效率；本文以典型的一进一出式室内地下停车场为研究对象，设计出具有以下主要功能的停车场智能管理系统：
(1)非接触式 IC 卡控制车辆的进、出口
(2)车位 24 小时不间断实时检测。
(3)车位信息高效、可靠传输及记录。
(4)LED 实时显示车位信息并引导用户以最佳路线驶入当前最佳车位或驶离停车场。
(5)管理人员对停车场总况及每个车位使用情况的查询及操作。
(6)对车辆进行计费
(1)上位机处理子系统。如图 2-2 所示为上位机处理子系统，该子系统是设计整个停车场的灵魂所在，是处理信息的终端。出入口的 IC 卡信息和超声波检测到的车位使用信息均发送给它，经过一系列操作后控制车辆的进出并监控停车场每一个车位。该系统的软件界面以图像方式直观反映停车场各个车位的当前状态，系统拥有的数据库记录了 IC 卡信息、车位信息、操作人员以及整个停车场使用状况信息。操作人员根据不同权限对数据库进行操作。
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3.1 Zigbee 简介 ..............................................13
3.1.1 Zigbee 的来源 .............................................13
3.1.2 Zigbee 网络拓扑 ............................................13
第四章 车位诱导算法的研究.........................................37
4.1 最短路径简介 ................................................37
4.2 停车场车位诱导 ..............................................38
第五章 停车场诱导系统...........................................48
5.1 车位检测模块 .................................................48
5.1.1 车位检测方式选择 ..........................................48
5.1.2 超声波简介 .................................................49
第六章 上位机管理系统
本系统的上位机在开发工具 Visual Studio 2010 上通过 C#编程语言和 SQLSever 2005 数据库进行实现，下面将对它们进行具体介绍。
6.1.1 C#介绍
C#语言是微软公司的 Anders Hejlsberg 研究员和其团队在 C 和 C++的基础上研发出来的基于.NET Framework 框架之上的高级程序设计语言，它在 2001 年正是发布后便因安全可靠、稳定易操作而被广泛应用。C#是一种面向对象的编程语言。它比 java 的执行速度快、面向对象程度高功能更加强大，程序员可以通过它编写各种以 MICROSOFT.NE 为平台的应用程序。无论是高级的商业对象还是系统级的应用程序都可以使用它来构建各类组件。当需要在 internet 上进行调用时，只需要将这些组件转化为级 XML 网络服务，那么任何语言、任何操作系统都不再是问题。
6.1.2 .NET 框架介绍
.NET 框架(.NET Framework)是微软公司继 Windows DNA 之后推出的完全面向对象的以敏捷软件开发、快速应用开发、平台无关性和网络透明性为目标的软件开发平台。.NET 框架的体系结构由程序设计语言及公共语言规范、应用程序平台、类库、公共语言运行库和程序开发环境五部分组成。C#、C++、VB 等多种语言都可以通过公共语言运行库在系统虚拟机运行的编程平台上进行开发。研究人员可以通过.NET框架同时开发Windows应用软件和网络应用软件以及组件和服务(web 服务)。通过.NET 框架既可以在网络上存放用户数据又可以在与其兼容的设备上随时随地访问这些数据。多语言支持这个独特的特征让.NET 平台开发出的程序可以实现一次编写到处运行。
6.1.3 Visual Studio 2010 介绍
众所周知，好的开发环境可以提高开发人员的工作效率和灵活性，而微软公司作为全球最大的电脑软件开发商更是从 Visual Studio 的第一个版便致力于此。如同当年的 6.0 版本一样，Visual Studio 2010 也是一个经典。它增添的许多新功能如起始页的自定义、动态类型和动态编程可以再 C#4.0 中实现、Ribbon界面可以通过 C++创建等都明显提高了研发者中心最核心的开发体验。除此之外，它还支持 TDD、多显示器以及 Office。无论是学习者、研究人员还是企业管理者都可以通过 Visual Studio 2010 开发出令你满意的解决方案。
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第七章 总结和展望
以车位为中心，利用超声波在空气中遇到障碍物立刻反射回来的测距原理检测车位占用状态，为了保证其精确性还加入了温度补偿装置；采用 IC 卡作为进、出停车场的介质，减少工作人员劳动力度，节约车主等待时间；将停车场进行路网抽象并采用改进迪克斯特拉算法进行模拟仿真，从而得出最佳车位和最短诱导路径，并在 LCD 上对车主进行指引使其第一时间找到距离其最近的车位，避免车位的浪费和停车场的拥堵；采用 Zigbee 无线通讯技术，突破了传统的有线方式，避免了路面被破坏同时方便扩展和维护；最后通过 C#和 SQLServer数据库设计上位机软件，方便操作人员进行操作和数据存贮，并将停车场的使用情况在界面上实时显示。本文虽然在停车场车位诱导及智能化方面做了一些讨论和研究，但仍存在许多的问题和不足需要改进：
(1)在进、出停车场时仅采用 IC 卡作为门禁，却并没有实现 IC 自助充值缴费。
(2)采用迪克斯特拉算法求各车位最短路径时仅考虑了行车路径，未考虑拐弯难度、路径好坏程度等方面的影响。
(3)停车场的安全性仍需加强，可增加视频监测和图像识别。
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参考文献（略）
本文编号：40843
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/40843.html
