舒華文，周 鵬

（1.中石化勝利油田有限公司 濱南采油廠，山東 濱州256606；2.中國(guó)石油大學(xué) （華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 青島266580）

0 引 言

現(xiàn)有城市智能停車系統(tǒng)采用的基本架構(gòu)類似，大致由信息采集、信息傳輸、中央管理和信息發(fā)布4個(gè)子系統(tǒng)組成［1－3］。信息采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集車位當(dāng)前是否被占用、駛?cè)爰榜偝鐾＼噲?chǎng)的車輛數(shù)目等相關(guān)數(shù)據(jù)；信息傳輸子系統(tǒng)用于將采集到的信息傳輸給中央管理子系統(tǒng)，以及將中央管理子系統(tǒng)發(fā)布的信息傳輸給各類顯示裝置，通信方式多采用GPRS、CDMA、3G 等移動(dòng)通信方式；中央管理子系統(tǒng)是整個(gè)架構(gòu)的核心，它對(duì)信息采集子系統(tǒng)送來(lái)的信息經(jīng)過(guò)綜合處理后，再將這些信息通過(guò)信息傳輸子系統(tǒng)及時(shí)輸送給各類顯示裝置［4，5］。

上述架構(gòu)的共同點(diǎn)是需要建設(shè)并維護(hù)一個(gè)城市級(jí)的管理控制中心，導(dǎo)致系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本較高。信息采集、信息發(fā)布兩個(gè)子系統(tǒng)與管理控制中心間的通信多采用GPRS、CDMA、3G 等方式，需由運(yùn)營(yíng)部門長(zhǎng)期繳納不菲的移動(dòng)通信費(fèi)用。此外，駕駛者在駕駛過(guò)程中一直只是被動(dòng)接受系統(tǒng)所提供的信息，缺乏與系統(tǒng)的主動(dòng)交互。

為解決上述不足，本文提出一種用戶智能手機(jī)與停車場(chǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的架構(gòu)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由部署在各停車場(chǎng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)和用戶車輛上隨身攜帶的智能手機(jī)兩大類部分組成。每個(gè)停車場(chǎng)所部署的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，又由一個(gè)中心結(jié)點(diǎn)、若干個(gè)路由器結(jié)點(diǎn)以及更多數(shù)量的終端結(jié)點(diǎn)組成。其中的終端結(jié)點(diǎn)又包括全功能結(jié)點(diǎn)和精簡(jiǎn)功能結(jié)點(diǎn)兩種。精簡(jiǎn)功能結(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，全功能終端結(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是通信范圍內(nèi)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間可直接進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的通信。每個(gè)終端結(jié)點(diǎn)又都分別連接一個(gè)車位狀態(tài)檢測(cè)傳感器。圖1給出了系統(tǒng)的總體架構(gòu)。

整個(gè)系統(tǒng)的大致工作流程是：

（1）所有終端結(jié)點(diǎn)定期采集車位狀態(tài)檢測(cè)傳感器獲取的車位狀態(tài)信息。當(dāng)車位狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)路由器結(jié)點(diǎn)傳給中心結(jié)點(diǎn)并在其嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。

（2）當(dāng)汽車行駛至某地時(shí)，用戶利用語(yǔ)音輸入等方式提出尋找車位的請(qǐng)求，智能手機(jī)軟件根據(jù)車輛的當(dāng)前位置確定最優(yōu)的停車場(chǎng)。

（3）智能手機(jī)軟件與最優(yōu)停車場(chǎng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的中心結(jié)點(diǎn)進(jìn)行GPRS／CDMA／3G 等方式的通信，中心結(jié)點(diǎn)查詢當(dāng)前的車位狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)行確定最優(yōu)停車位的算法，將最優(yōu)車位的信息反饋給智能手機(jī)。

（4）智能手機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃，將車輛引導(dǎo)至最優(yōu)車位。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

在上述架構(gòu)中，運(yùn)營(yíng)部門無(wú)需建設(shè)城市控制中心，也無(wú)需長(zhǎng)期繳納停車場(chǎng)到城市控制中心，以及城市控制中心到各級(jí)顯示裝置的移動(dòng)通信費(fèi)用。只有用戶發(fā)出停車請(qǐng)求時(shí)，停車場(chǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心結(jié)點(diǎn)才和用戶進(jìn)行GPRS／CDMA／3G 等方式的通信，所產(chǎn)生的少量費(fèi)用由用戶進(jìn)行付費(fèi)。此外，在上述架構(gòu)中，用戶通過(guò)自己的智能手機(jī)可與系統(tǒng)進(jìn)行良好的交互。

2 硬件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中包括中心結(jié)點(diǎn)、路由器、終端三類結(jié)點(diǎn)。三類結(jié)點(diǎn)的電路中都應(yīng)包括ZigBee處理器及其外圍電路，以及ZigBee射頻功放、USB轉(zhuǎn)串口、JTAG 調(diào)試等模塊。

終端結(jié)點(diǎn)需配備車位狀態(tài)檢測(cè)傳感器。考慮到可能缺乏供電條件或布線困難、布線量大等原因，終端結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為采用電池供電，因此應(yīng)配備電量監(jiān)視模塊以便在需要時(shí)及時(shí)更換電池。

因?yàn)樾枰S護(hù)車位狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，中心結(jié)點(diǎn)應(yīng)額外配備嵌入式處理器及其外圍電路，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)還應(yīng)外接E2PROM。為和用戶手機(jī)通信，中心結(jié)點(diǎn)應(yīng)配備GPRS／CDMA／3G 通信模塊。對(duì)于路邊停車區(qū)域，考慮到可能缺乏供電條件，對(duì)于路由器結(jié)點(diǎn)和中心結(jié)點(diǎn)也應(yīng)支持電池供電，同時(shí)配備電量監(jiān)視模塊。另外，如果希望不通過(guò)上位機(jī)就可直接操作中心結(jié)點(diǎn)，還需配備觸摸屏。

圖2給出了終端結(jié)點(diǎn)的硬件，與路由器結(jié)點(diǎn)類似，只是無(wú)需連接車位狀態(tài)檢測(cè)傳感器。

圖2 終端結(jié)點(diǎn)的硬件

中心結(jié)點(diǎn)的硬件電路包括嵌入式處理器及其外圍電路、ZigBee處理器及其外圍電路兩部分。這兩部分之間可通過(guò)串口進(jìn)行通信。

圖3給出了中心結(jié)點(diǎn)嵌入式處理器部分的硬件。中心結(jié)點(diǎn)ZigBee處理器部分的硬件與圖2類似，只是無(wú)需連接車位狀態(tài)檢測(cè)傳感器。

圖3 中心結(jié)點(diǎn)嵌入式處理器部分的硬件

車位狀態(tài)檢測(cè)傳感器的選取和低功耗設(shè)計(jì)是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的兩大關(guān)鍵。

目前常用的車位檢測(cè)方法有超聲波感應(yīng)技術(shù)［6］、紅外探測(cè)技術(shù)、感應(yīng)線圈技術(shù)［7］、視頻檢測(cè)技術(shù)［8］、地磁檢測(cè)技術(shù)等［9］。其中，超聲波感應(yīng)技術(shù)通常需要在車位上方安裝傳感器，一般僅適用于部分室內(nèi)停車場(chǎng)，且成本較高；紅外探測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，但比較容易會(huì)受到光源、熱源等的干擾而引起誤判；感應(yīng)線圈技術(shù)的檢測(cè)精度較高，可靠性好，但安裝維護(hù)復(fù)雜，會(huì)對(duì)路面造成破壞；視頻檢測(cè)技術(shù)直觀可靠，但數(shù)據(jù)量大，檢測(cè)的實(shí)時(shí)性差，特別是會(huì)受到灰塵、光線不足、氣候條件差的影響；地磁檢測(cè)技術(shù)是基于磁阻傳感器的車位檢測(cè)技術(shù)，具有尺寸小、安裝方便、對(duì)非鐵磁性物體無(wú)反應(yīng)、可靠性高等特點(diǎn)，目前受到國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。綜上分析，車位狀態(tài)檢測(cè)傳感器選用霍尼韋爾公司的HMC5883L地磁傳感器。

為保證系統(tǒng)的低功耗，主要芯片的選型非常關(guān)鍵。Zig－Bee處理器芯片選用TI公司的CC2530芯片。CC2530具有Idle、PM1、PM2、PM3等多種功率控制模式，其電流消耗可分別低至24 mA、0.2mA、1μA、0.4μA［10］。ZigBee射頻功放芯片選用TI公司的CC2591芯片。CC2591在將輸出功率提高22dBm、接收靈敏度提高6dBm 的同時(shí)，在Idle、PM1、PM2、PM3模式下增加的消耗電流分別不超過(guò)4mA、0.05 mA、1μA、0.05μA［10］。中心結(jié)點(diǎn)的微控制器選用恩智浦公司的LPC11C14芯片。該芯片基于Cortex－M0內(nèi)核，在功率控制方面具有睡眠模式、深度睡眠模式和深度掉電模式等，其電流消耗可分別低至2mA、6μA、240nA［11］。

3 軟件及算法設(shè)計(jì)

3.1 車位數(shù)據(jù)采集過(guò)程

各停車場(chǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的三類結(jié)點(diǎn)平時(shí)相互配合，對(duì)停車場(chǎng)內(nèi)所有車位的狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)采集。為降低功耗，終端結(jié)點(diǎn)定時(shí)進(jìn)行休眠。另外，只有當(dāng)車位狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，終端結(jié)點(diǎn)才對(duì)外發(fā)送狀態(tài)變化的信息，進(jìn)一步降低了功耗。圖4給出了車位數(shù)據(jù)采集過(guò)程的軟件流程。

3.2 用戶停車申請(qǐng)及處理過(guò)程

圖4 車位數(shù)據(jù)采集過(guò)程的軟件流程

當(dāng)用戶有停車需求時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音等方式向智能手機(jī)發(fā)出停車申請(qǐng)，手機(jī)軟件根據(jù)用戶的當(dāng)前位置計(jì)算最優(yōu)停車場(chǎng)，接下來(lái)與該停車場(chǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，中心結(jié)點(diǎn)計(jì)算最優(yōu)車位信息后反饋給用戶手機(jī)，最后手機(jī)軟件將車輛引導(dǎo)至目的車位。圖5給出了用戶停車申請(qǐng)及處理過(guò)程的軟件流程。

圖5 用戶停車申請(qǐng)及處理過(guò)程的軟件流程

在上述處理過(guò)程中，其中的技術(shù)關(guān)鍵是最優(yōu)停車場(chǎng)與最優(yōu)停車位的確定，下面介紹所設(shè)計(jì)的算法。

3.3 停車場(chǎng)、停車位尋優(yōu)算法

有多種因素會(huì)影響人們對(duì)停車場(chǎng)及停車位的選擇。對(duì)于停車場(chǎng)的選擇，比較常見(jiàn)的因素有：收費(fèi)價(jià)格的高低、車輛當(dāng)前位置到停車場(chǎng)的行駛距離、停車場(chǎng)到目的地的距離、停車場(chǎng)的規(guī)模等。對(duì)于停車位的選擇，比較常見(jiàn)的因素有：車位到某步行出口的距離、從車輛入口到車位的距離、車位距停車場(chǎng)出口距離、左右兩側(cè)車位是否已被占用等。

由于有多項(xiàng)因素會(huì)影響到人們對(duì)停車場(chǎng)及停車位的選擇，因此該問(wèn)題屬于多目標(biāo)決策中的多屬性決策問(wèn)題。所謂多屬性決策，是指在考慮多個(gè)屬性的情況下，在多個(gè)備選方案中選擇最優(yōu)方案或?qū)Ψ桨高M(jìn)行排序的決策問(wèn)題。

在多屬性決策問(wèn)題中，各屬性權(quán)重的確定是其中的關(guān)鍵。比較常見(jiàn)的方法可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類，但這兩類方法都有一定不足。為此，在已有文獻(xiàn)方法［12］的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種基于熵權(quán)的多屬性決策方法。按照熵的思想，人們?cè)跊Q策中獲得的信息量的多少，是決定決策合理性的重要因素。按照信息論中的基本定理，均勻分布情況下的熵最大，但若各種方案在某指標(biāo)上的取值完全相同時(shí)，該指標(biāo)對(duì)決策者未提供任何有用信息。換而言之，熵值越大，提供給決策者的有價(jià)值信息量越小。由此，在m 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)、n個(gè)待評(píng)價(jià)方案的（m，n）問(wèn)題中，定義熵權(quán)為

式中：ωi——第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)，Hi——第i個(gè)指標(biāo)的歸一化熵值。Hi定義為

式中：r′ij為原始評(píng)價(jià)矩陣中的元素。經(jīng)過(guò)上述歸一化后，各方案在某指標(biāo)上的評(píng)價(jià)值中，收益性指標(biāo)中的最小值和最大值分別被歸一化為0和1，成本性指標(biāo)中的最小值和最大值分別被歸一化為1和0。歸一化后，rij值越大，則對(duì)應(yīng)方案在該指標(biāo)上越有利。

從熵權(quán)ωi的上述定義中可看出，當(dāng)歸一化熵值Hi因各方案在指標(biāo)i的評(píng)價(jià)值相同因而取得最大值1時(shí)，熵權(quán)值為0，這也意味著該指標(biāo)未向決策者提供任何有用信息。另一方面，當(dāng)各方案在指標(biāo)i的評(píng)價(jià)值相差較大時(shí)，Hi較小，ωi較大，這說(shuō)明各方案在該指標(biāo)的評(píng)價(jià)值上有明顯差異，該指標(biāo)應(yīng)重點(diǎn)考慮。為此，對(duì)歸一化后的評(píng)價(jià)矩陣，每行用ωi進(jìn)行加權(quán)后再進(jìn)行決策處理。這樣就保證了在各方案評(píng)價(jià)值上差異越大的指標(biāo)越受到重視。

以停車位的選擇為例，為具體實(shí)現(xiàn)上述算法，在嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)了如表1所示的車位信息表。

表1 車位信息表的表結(jié)構(gòu)

在表1中，“兩邊車位的占用情況”和 “車位當(dāng)前是否占用”兩列的取值會(huì)根據(jù)車位及其周邊車位的實(shí)際占用情況，隨時(shí)間發(fā)生變化。另幾列的值可在初始化時(shí)一次性填好。

當(dāng)需要進(jìn)行停車位尋優(yōu)時(shí)，停車場(chǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心結(jié)點(diǎn)的嵌入式處理器查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中各車位的當(dāng)前信息，先排除掉已被占用的車位。接下來(lái)，對(duì)于所有空閑車位，按照式 （1）～式 （4），計(jì)算表1中編號(hào)為2、3、4、5 四列的熵權(quán)值。利用所得到的四個(gè)熵權(quán)值，對(duì)所有空閑車位2、3、4、5四列的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，之后就可利用傳統(tǒng)的多目標(biāo)決策方法確定最優(yōu)停車位。

4 實(shí)物展示及測(cè)試結(jié)果

4.1 實(shí)物展示

圖6為所開(kāi)發(fā)電路的實(shí)物展示圖。其中圖6 （a）為終端結(jié)點(diǎn)，圖6 （b）為路由器結(jié)點(diǎn)，圖6 （c）為中心結(jié)點(diǎn)。圖 （c）中，左側(cè)的電路板是LPC11C14板，右側(cè)的電路板是CC2530板。其中的部分電路采用了商品化的電路模塊。

4.2 測(cè)試結(jié)果

在某露天停車位進(jìn)行了車位狀態(tài)檢測(cè)傳感器的測(cè)試。根據(jù)該車位所在停車場(chǎng)的地理朝向，采集時(shí)將傳感器的X軸正方向朝正北，Y 軸的正方向朝正西。圖7中，圖7 （a）為有車時(shí)的場(chǎng)景，圖7 （b）為無(wú)車時(shí)的場(chǎng)景。對(duì)HMC5883L返回的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，在有車和無(wú)車的情況下，分別進(jìn)行了10次測(cè)試。在10次測(cè)試中，有車和無(wú)車時(shí)Z 軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度差都在500毫高斯以上，可以確保對(duì)有車和無(wú)車兩種情況準(zhǔn)確區(qū)分。

圖6 系統(tǒng)電路實(shí)物展示

圖7 車位狀態(tài)檢測(cè)傳感器的測(cè)試

為便于測(cè)試，在系統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中事先存入表1中所列的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，模擬如圖8所示的車位分布情況。在該圖中，有A2、A8、B8、B15、C3、C11、D4、E1、F11、G4、H4、H5共12個(gè)空閑車位。利用3.3節(jié)所設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行計(jì)算后，如圖9所示，智能手機(jī)選擇了H4車位作為最優(yōu)車位。所得結(jié)果符合人們的習(xí)慣。首先，該車位與停車場(chǎng)入口和出口間的距離都適中。其次該車位離電梯非常近。最后該車位旁邊還有1個(gè)空閑車位，空間相對(duì)寬裕。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有城市智能停車系統(tǒng)的不足，提出一種用戶智能手機(jī)與停車場(chǎng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的新型架構(gòu)。利用該架構(gòu)，城市智能停車系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)者無(wú)需建設(shè)和維護(hù)城市控制中心，也無(wú)需長(zhǎng)期繳納移動(dòng)通信費(fèi)用。此外，還實(shí)現(xiàn)了用戶通過(guò)自己的手機(jī)與系統(tǒng)良好交互。

給出了系統(tǒng)的硬件圖、軟件流程圖、停車場(chǎng)和停車位的尋優(yōu)算法以及系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，所選用的HMC5883L磁場(chǎng)傳感器用于車位檢測(cè)準(zhǔn)確可靠，所設(shè)計(jì)的停車場(chǎng)、停車位尋優(yōu)算法的運(yùn)行結(jié)果符合人們的生活習(xí)慣，所開(kāi)發(fā)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)與智能手機(jī)軟件之間能夠良好地通信，同時(shí)也驗(yàn)證了所提出架構(gòu)的可行性。

圖8 停車場(chǎng)車位分布模擬

圖9 智能手機(jī)上所顯示的車位優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

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