潘宇 張葉茂 莫淑賢

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，并在很多行業(yè)領(lǐng)域普及，在實際技術(shù)應(yīng)用中大大提高了工作效率，節(jié)省了人工成本。本文設(shè)計了一個基于云平臺的物聯(lián)網(wǎng)停車場管理系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件可以在PC機(jī)WEB端以及手機(jī)APP上應(yīng)用。系統(tǒng)創(chuàng)新點基于安放在停車場的傳感器，用戶可以通過手機(jī)APP實現(xiàn)車位查詢、車位預(yù)訂、自動導(dǎo)航路線并引導(dǎo)到預(yù)訂停車位泊車。出入停車場門禁前可以通過APP掃碼驗證，驗證通過后門禁會自動開啟，停車場管理人員還可以通過系統(tǒng)接入安防監(jiān)控攝像頭實時查看停車場狀況，一旦有火災(zāi)事故發(fā)生時，系統(tǒng)APP第一時間產(chǎn)生警示信息。

關(guān)鍵詞：停車場管理系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);云服務(wù)

中圖分類號：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-1472（2021）-04-51-04

Abstract： With the rapid development of Internet of Things technology and its applications in many fields， it can greatly improve work efficiency and save labor costs in actual technical applications. This paper proposes to design a cloud platform-based Internet of Things parking lot management system. Software of the system can be applied on PC （personal computers）， WEB ends， and mobile phone APP （Application）. The innovation of the system is the sensors placed in the parking lot. Users can enquire and reserve parking space， and can be automatically navigated to the reserved parking space through mobile phone APP. Before entering and exiting the parking lot， users can be verified by scanning a QR Code （Quick Response Code） through the APP. After verification is passed， access control will be automatically opened. Management personnel of the parking lot can monitor the entire parking lot in real time with an access to the security surveillance camera through the system. Once a fire accident occurs， the system APP will generate warning information at the first time.

Keywords： parking lot management system; Internet of Things; cloud service

1? ?引言（Introduction）

當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，汽車保有量不斷增加，智慧停車已被納入新型智慧城市建設(shè)的重要參考依據(jù)，各地城市要解決“停車難”的痛點，有意識地將智慧停車作為發(fā)展智能交通的“引爆點”，開啟未來城市智慧交通新時代[1]。

對車主而言，泊車有幾大困擾：一是要高峰找停車位;二是停車收費(fèi)付款。找停車位難的主要原因是被困于停車位的供求平衡，除了提升停車位數(shù)量外，導(dǎo)向性尋找停車位是提高停車效率的有效解決方法。

停車難的問題不僅困擾著車主，也困擾著交通管理執(zhí)法人員。首先，停車警情占比過高，嚴(yán)重影響警務(wù)效能，2015年我國機(jī)動車不按規(guī)定停放違法行為占全國交通違法量的14.2%，位列城市道路交通違法類型首位;其次，停車管理體制不順，相關(guān)管理缺少規(guī)范。

我國的交通設(shè)施還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前城市化發(fā)展的需要，設(shè)計一個依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的停車管理系統(tǒng)，將使車主和停車場以新的方式進(jìn)行互動，實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確、安全、高效的智能管理，有效解決停車收費(fèi)、停車?yán)щy等問題，提升車主停車體驗。

2? ?系統(tǒng)設(shè)計方案（System design scheme）

本系統(tǒng)利用HTTP和MQTT協(xié)議，實現(xiàn)硬件設(shè)備、APP端、WEB端、云服務(wù)器端之間信息交互的功能。車主通過掃描停車場二維碼進(jìn)入/離開停車場，同時智能硬件向服務(wù)器發(fā)送更新數(shù)據(jù)并由云服務(wù)器向APP端和PC端實時更新用戶車輛信息、停車場車位信息。

系統(tǒng)主要功能特點如下：

（1）使用手機(jī)APP進(jìn)行車輛停車位管理，方便快捷。

（2）手機(jī)定位停車場位置，車主容易找到停車場，停車場內(nèi)有相關(guān)LCD顯示屏來指引用戶停車位的位置，大大節(jié)省了用戶的時間，也使停車更有序。

（3）系統(tǒng)有WEB端和手機(jī)端，可供用戶提前預(yù)訂。

（4）在停車場門口，采用高精度的掃碼識別技術(shù)控制停車場的門禁系統(tǒng)。

（5）采用云服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)通信，用戶可以了解停車位的當(dāng)前狀況，并且APP還具有用戶與管理人員相互聯(lián)系的功能，實現(xiàn)用戶遠(yuǎn)距離對停車位的管理。

本系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計（Hardware design of the system）

硬件系統(tǒng)主要由STM32F103主控芯片、ESP8266模塊、繼電器、傳感器、LCD液晶顯示屏組成，電源控制系統(tǒng)主要是交流220 V經(jīng)過AC-DC電路穩(wěn)壓至5 V、12 V供電，數(shù)據(jù)通信使用云服務(wù)器實現(xiàn)PC、APP與MCU之間的通信[2]。

手機(jī)APP擁有控制單片機(jī)的功能和控制所確定的停車位的權(quán)限。在停車場停留了車輛后，車輛在主人離開后出現(xiàn)的異常（如車輛著火或有人進(jìn)行盜竊）都能通過ESP8266發(fā)送到手機(jī)APP，讓車主及時了解并且進(jìn)行下一步操作防范，如圖2所示。

3.1? ?STM32F103主控芯片

STM32F103主控芯片基于ARM架構(gòu)，可以進(jìn)行高速運(yùn)算，有128 kB字節(jié)的flash程序內(nèi)存，集成了I2C通信方式、串行通信等功能，能夠與傳感器模塊進(jìn)行實時通信并采集數(shù)據(jù)。ESP8266模塊通過串口與STM32F103通信，通過路由器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器端，車主用戶通過PC機(jī)或者手機(jī)登錄網(wǎng)頁WEB端進(jìn)行控制、查詢，從而實現(xiàn)對停車位本地與遠(yuǎn)程功能的控制操作[3]。

3.2? ?WIFI通信模塊

ESP8266模塊擁有完整且成體系的WIFI網(wǎng)絡(luò)功能，既能夠獨(dú)立應(yīng)用，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行。當(dāng)ESP8266獨(dú)立應(yīng)用時，能夠直接從外接flash中啟動，通過UART串口與主控芯片STM32F103連接，以MQTT協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到服務(wù)器端。

3.3? ?門禁自動控制

系統(tǒng)通過APP端發(fā)送的指令傳送到ESP8266，然后單片機(jī)再接收指令執(zhí)行下一步操作，這一流程是在用戶用手機(jī)掃描停車場的二維碼后進(jìn)行的操作。在這一系列的操作之后，停車場的大門便會自動打開，并且指引車主到達(dá)指定的停車位[4]。

3.4? ?防火安全提示

通過驗證進(jìn)入停車場的用戶停放好車輛之后，停車管理系統(tǒng)便開始對這個停車位進(jìn)行監(jiān)視工作準(zhǔn)備，采用溫度傳感器對車輛進(jìn)行溫度監(jiān)視，以防出現(xiàn)著火的危急情況。只要檢測到的溫度達(dá)到閾值，便會通過APP發(fā)出語音安全提示音，通知停車場管理員以及車主及時來處理，紅外傳感器采集到的數(shù)據(jù)會回傳到STM32F103中[5]，同時，溫度數(shù)據(jù)每隔一定時間通過MQTT方式傳送至WEB端，車主也可以借此來監(jiān)視車輛的狀態(tài)。

3.5? ?防盜入侵報警

防盜系統(tǒng)采用的是反射式紅外傳感器，安放在停車場無人值守且禁止出入的通道處，當(dāng)人經(jīng)過的時候，觸發(fā)紅外傳感器，紅外報警模塊立即返回數(shù)據(jù)給STM32F103主控芯片，通過判斷I/O返回的信息來決定是否啟動語音報警模塊進(jìn)行報警。與此同時，通過ESP8266模塊給停車場管理員以及車主的手機(jī)發(fā)送信息來提醒報警[6]。

4? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計（System software design）

4.1? ?軟件總體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用B/S和C/S兩種結(jié)構(gòu)來構(gòu)建軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件在PC的WEB端采用B/S結(jié)構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

在手機(jī)APP端上采用C/S架構(gòu)，即客戶機(jī)/服務(wù)器模式，如圖4所示。C/S架構(gòu)分為客戶機(jī)和服務(wù)器兩層：第一層是用戶表示層，第二層是數(shù)據(jù)庫層，一旦服務(wù)器程序被啟動，就隨時等待響應(yīng)客戶程序發(fā)來的請求。它的主要特點是交互性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)通信量低、響應(yīng)速度快，有利于處理大量數(shù)據(jù)。

4.2? ?PC機(jī)WEB端設(shè)計

系統(tǒng)軟件前端使用Vue框架向用戶展示數(shù)據(jù)，當(dāng)客戶發(fā)起請求時，則使用Ajax異步技術(shù)到達(dá)后端服務(wù)器，通過服務(wù)器對數(shù)據(jù)的處理，最后到達(dá)MySQL數(shù)據(jù)庫[7];再通過MySQL數(shù)據(jù)庫往回進(jìn)行對用戶的響應(yīng)，利用HTML5、CSS、JavaScript對界面進(jìn)行設(shè)計。HTML5用來對軟件界面進(jìn)行制作，實現(xiàn)顯示定位地點、停車場數(shù)量等功能，用戶進(jìn)行停車場的選擇后會顯示出停車位、地點距離、用戶評價、聯(lián)系電話等;CSS用來對樣式進(jìn)行控制，使得頁面更加美觀，可實現(xiàn)布局設(shè)計、顏色調(diào)整、字體大小選擇等樣式功能;JavaScript用來對功能進(jìn)行解析，例如登錄賬號會判斷賬號是否正確。軟件主界面如圖5所示。

點擊“停車場訂單管理”菜單，將會跳轉(zhuǎn)到停車場訂單管理頁面，顯示出存入數(shù)據(jù)庫里面的內(nèi)容，可進(jìn)行增刪改查操作。訂單管理頁面如圖6所示。

4.3? ?手機(jī)APP設(shè)計

手機(jī)APP與服務(wù)器的連接中使用okhttp框架，通過get請求向服務(wù)器發(fā)送請求。get請求用于查詢信息，用戶登錄時或本實驗中查詢作者id時就用的get請求，服務(wù)器會向Android端反饋一份含有作者信息的JSON文檔，該文檔需要在APP中進(jìn)行解析后顯示在界面上。向服務(wù)器中添加信息則使用pust請求，pust請求需要在HTTP請求報文body中提供相應(yīng)格式的JSON文檔;刪除服務(wù)器中的信息需要發(fā)送delete請求，服務(wù)器收到請求后就會根據(jù)請求中的信息刪除相應(yīng)文件;修改服務(wù)器中的信息需要發(fā)送put請求，與pust請求類似，put請求也需要向服務(wù)器中發(fā)送JSON文檔[8]。

APP主要設(shè)計有用戶登錄注冊、二維碼支付、車位查詢、車位導(dǎo)航、一鍵求助、防盜警報、計算停車時長等功能。在APP注冊界面注冊賬號的時候，進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)初始化，再向服務(wù)器發(fā)送JSON格式的記錄了用戶數(shù)據(jù)的表單，服務(wù)器接收后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，在登錄界面登錄時同樣將用戶輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JSON表單向服務(wù)器發(fā)送請求，進(jìn)行賬號、密碼的驗證。

進(jìn)入個人界面后，需要二維碼支付的時候，APP界面通過導(dǎo)航欄跳轉(zhuǎn)至微信掃碼支付，并且會為每個注冊用戶生成一個二維碼，該二維碼用于進(jìn)出停車場。

車位查詢和防盜警報功能通過本系統(tǒng)的硬件傳感器進(jìn)行反饋配合，當(dāng)車位為空或有車時，硬件向服務(wù)器反饋信息，當(dāng)用戶點擊查詢頁面查找車位時，APP向服務(wù)器發(fā)送請求，并接收車位信息。防盜警報則是在用戶停好車并確認(rèn)離車后，APP每一分鐘向服務(wù)器發(fā)送一次安全確認(rèn)請求，判斷警報有沒有響起。在用戶確認(rèn)停車后，開始計算停車時長，直至用戶安全駕車離開車位。通過高德API進(jìn)行停車場車位導(dǎo)航[9]，在準(zhǔn)確定位到停車場范圍、用戶位置、目標(biāo)車位的基礎(chǔ)上，自動生成導(dǎo)航路線。

當(dāng)在停車場發(fā)生危險的時候，可以一鍵求助，通過APP界面導(dǎo)航欄調(diào)用本地操作系統(tǒng)撥號界面，每一個停車場的管理員電話信息都會存儲于服務(wù)器中，并通過下拉刷新向服務(wù)器發(fā)送更新表單請求，進(jìn)行實時更新。用戶可以點擊一鍵求助按鈕，找到其所在停車場的管理員客服號，撥打過去求助。

4.4? ?數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫，支持所有的操作系統(tǒng)平臺，支持Apache、IIS等多種WEB服務(wù)器。MySQL是一個真正的多用戶、多線程的SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[6]，數(shù)據(jù)庫層操作功能強(qiáng)大，可操縱多種主流數(shù)據(jù)庫。SQL是世界上最流行的和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫語言，它使得存儲、更新和存取信息更加容易。MySQL是一個客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)[10]，它由一個服務(wù)器守護(hù)程序MySQL和許多不同的客戶程序以及庫組成[7]。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)平臺主要的數(shù)據(jù)表如圖7所示。

4.5? ?服務(wù)器數(shù)據(jù)處理

服務(wù)器數(shù)據(jù)處理主要由發(fā)布在服務(wù)器端的WebAPI服務(wù)程序和MQTT服務(wù)程序完成。其中WebAPI服務(wù)程序主要提供對網(wǎng)頁端、APP端、MQTT服務(wù)程序的HTTP響應(yīng)服務(wù);而MQTT服務(wù)程序主要完成軟件與硬件端的信息交互功能，充當(dāng)代理的角色[11]。

4.5.1? ?WebAPI服務(wù)程序

WebAPI服務(wù)程序由C#語言編寫，使用ASP.NET CORE WebAPI框架進(jìn)行開發(fā)，基于HTTP協(xié)議向軟件外部暴露接口的方式來向WEB端和APP端提供服務(wù)，通過訪問URI可以與其進(jìn)行信息交互。WEB和APP發(fā)送不同的請求報文，服務(wù)程序根據(jù)請求報文對數(shù)據(jù)庫中存儲的停車場相關(guān)信息進(jìn)行讀取、提交、刪除、修改等操作，并向用戶發(fā)送帶有相關(guān)數(shù)據(jù)的響應(yīng)報文，從而實現(xiàn)用戶在APP端或網(wǎng)頁端實時處理數(shù)據(jù)的功能。

例如，當(dāng)用戶使用APP注冊賬號時，APP端接收到注冊表單后把數(shù)據(jù)編碼為JSON格式即可通過HTTP協(xié)議將信息轉(zhuǎn)交給WebAPI，WebAPI通過調(diào)用相關(guān)注冊函數(shù)異步地更新數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息，并向APP端回復(fù)200，ok則響應(yīng)報文。WebAPI服務(wù)程序運(yùn)作過程如圖8所示。

4.5.2? ?MQTT服務(wù)程序

MQTT服務(wù)程序主要完成與硬件端的鏈接并提供服務(wù)，MQTT基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議，工作在TCP/IP協(xié)議族上。MQTT協(xié)議中有發(fā)布者、訂閱者和代理三種角色，而系統(tǒng)中的MQTT服務(wù)程序在其中扮演代理的角色，作為硬件與軟件溝通的橋梁。

系統(tǒng)軟件WEB或者APP端在服務(wù)程序上發(fā)布自己的內(nèi)容的時候，硬件端訂閱相應(yīng)主題即可收到網(wǎng)頁端或APP端發(fā)送來的信息;反之硬件也可以在上面發(fā)布主題，而軟件訂閱相關(guān)主題即可實現(xiàn)雙向信息交互[12]。

后臺服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫通過容器化部署技術(shù)部署在Docker容器中，容器使用沙箱機(jī)制，服務(wù)程序與服務(wù)程序、服務(wù)程序與數(shù)據(jù)庫互相隔離，并通過端口映射到服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)端口與外界進(jìn)行通信。云服務(wù)器的部署如圖9所示。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

停車場管理系統(tǒng)利用云平臺、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以比較新穎的架構(gòu)思想進(jìn)行設(shè)計，具有對車輛進(jìn)出的智能化管理、提前查詢車位、車位導(dǎo)航、掃描支付等功能，使車輛進(jìn)出井井有條，文明進(jìn)出;能夠接收在停車場放置的多種傳感器傳送來的信息，以確保車輛的停放安全，防止車輛丟失，如紅外檢測傳感器監(jiān)測車輛周邊溫度從而起到防火的效果，而停車場配置的超聲波傳感器可以監(jiān)測車輛信息，以達(dá)到防盜的功能。

系統(tǒng)軟件WEB端和APP的設(shè)計優(yōu)化了用戶的操作體驗，讓擁有不同終端的用戶都能體驗到停車場帶來的便利，用戶無須擔(dān)心找不到停車場，APP的引導(dǎo)功能可以提示用戶找到

目標(biāo)停車場;用戶更無須擔(dān)心車輛安全，APP實時向用戶更新車輛信息和停車狀態(tài)信息。軟件系統(tǒng)的應(yīng)用降低了人工成本，很好地提高了工作效率。

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作者簡介：

潘? ?宇（1988-），男，碩士，講師/工程師.研究領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，計算機(jī)應(yīng)用.

張葉茂（1983-），男，碩士，副教授/高級工程師.研究領(lǐng)域：智能控制技術(shù).

莫淑賢（1987-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：教育管理及信息化.本文通訊作者.