基于物联网的智能小区车位管理系统报告.docx

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基于物联网的智能小区车位管理系统报告

基于物联网的智能小区车位管理系统

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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日期：

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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日期：

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导师签名：

日期：

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

摘要

本课题主要是构建一个智能化的车位管理模拟系统，帮助各大停车场在节省资源的情况下做好车辆的引导与管理。

本项目小组在“物联网”的基础上，以32位微控制器作为主机硬件平台，使用非接触式射频卡作为每辆车的身份证，使用NRF24L01模拟zigbee作为无线通信模块，通过32位微控制器作为控制中心模拟设计了一套小区智能管理车位系统。

系统通过对车位信息进行采集分析处理后，实现车辆识别，智能引导车辆，显示车库内外信息，以及系统的安全预警等功能。

从而真正实现系统的智能管理。

系统可以实现如车库内的车位余量、实时剩余车位分布、车场温度、是否有火情等实时信息的发布以及语音引导车辆出入库。

该系统可应用于城市综合停车管理、大型停车场管理、小区停车场管理等方面，具有很好地推广前景及经济效益。

关键词：

车位管理;物联网;射频卡

ABSTRACT

Thisdesignisabouttheintelligentparkingsystem,tohelptheparktocontrollingandmanagingtheautomobiles.

ThesystemisbasedontheThingsofInternet（whichisshortfor'TOI'）.UsingtheRadioFrequencyCardtorecognizingtheuser.ThecommunicatingmoduleisusingthenRF24L01.Thesystemcanmakethecarrecognition,leadingcaralsoprintingthedataafteranalyzingtheinformation.Alsothesystemcanensurethesafetyoftheautomobiles.Thesemakethewholesystemintelligent.

Withmonthsofhard-working,wefinishtheperfectcarcontrollingsystem.Thisdesigncanachieveallofthefictionsweexpected.Thissystemcanbeusedineveryparkingsystemincity.Anditcanbringhugeeconomicbenefitforthecountry.

keywords:

IOT;RFcard;Intelligenceparkingsystem

1项目概述

1.1立项依据

随着车辆的增加和停车位数量的缺少,停车难成为日趋严重的问题。

并且往往投入大量的人力物力仍然无法有效的掌握具体的车位情况，调度存在低效的问题。

本研究小组希望能够构建一个智能化的车位管理的系统，帮助各大停车场在节省资源的情况下做好车辆的引导与管理。

在与导师经过仔细讨论后，本课题研究小组经探讨决定结合学校所设题目，以物联网为基础，使用32位微控制器作为主机控制中心，对小区内的车位管理智能进行系统性的研究。

1.2课题研究的目的和意义

传统的停车场，管理系统大多依靠人工登记。

车位数量与车位的位置要靠人工掌握，很容易出现错误信息的判断，并且需要投入大量的人力物力，在车辆进出高峰期经常出现人力不足调度失效的情况，存在极大的安全隐患；在车辆数量的低谷时期又存在人员冗杂的问题。

由于车场与车位间无法实现信息的在线更新，车场缺乏统一管理。

最重要的是，由于工作人员不能及时获取车场的全部信息，一旦发生突发状况，例如，火灾等，不能对突发状况做出及时的处理，容易造成较大的人员伤亡和财产损失。

为了避免和解决这些问题，方便用户的生活并且维护用户的生命安全和财产安全，亟待我们能够构建一个智能小区车位管理系统。

本研究小组基于物联网技术，开发智能车位管理系统，结合了无线传输，将车位信息收集整合传送给车场的控制主机，控制主机通过对数据的分析处理后，对整个系统进行智能宏观控制。

系统将各个车位与车场联系起来，互相提供实时信息，并且通过TFT显示屏输出给系统管理人员和用户。

使车位系统的管理人员轻轻松松了解到车场内的各种信息，如：

车位剩余情况，剩余车位的位置，车库内是否有火情，甚至是当天的气温。

这样的智能化系统管理不仅节省了人力物力，还大大提高了车位的管理效率，并且使系统管理人员和用户简单明了的接收到车场的信息。

方便了管理人员的管理，也为用户找车位判断是否停车提供了便利。

智能车位管理大大节省了人力，即使是一个可容上千辆汽车的超大型车库，通过其系统的管理也能做到井井有条，不再像单纯的人工管理那样费时费力。

智能车位管理系统，作为一个时代的产物，不仅可以推动经济的发展，更能提高人们的生活质量，其研究意义非同凡响。

在节能减排的号召下，智能车位管理系统可以辅助减少车辆尾气的排放，很好的回应了党的走环保的建设路线的方针。

1.3国内外研究状况

目前市场上的相对先进的停车场管理系统配置大部分实现了远距IC卡的读取，车辆出入感应，摄像监控等功能。

在一定程度上实现了停车场的监控与管理。

但是对于车辆缺乏智能引导和有效管理，用户消耗大量时间寻找车位。

若在停车高峰期，车场在车辆拥堵时无法给出有效的解决方案。

因此，针对于目前越来越严重的车位紧缺、车位浪费等情况，这样的管理系统并不能有效解决。

在国外，对于停车的问题的解决方案更加倾向于增加停车面积和减少停车数量上。

例如，在日本，政府鼓励经营者多建立体停车场；在英国、意大利等欧洲国家，用户先在网上预订车位，再决定是否开车出行。

这些措施并不适应我国人口众多的情况。

并且对于单一确定的车场管理也缺乏有效方案，其管理的重点在于用户的个人素质上。

所以针对停车场问题，我国需要自主开发一套合理有效的闭环控制系统。

新兴的物联网技术，就是对一个对系统内部全面获取数据，进行调控的闭环控制系统。

在国外物联网技术也仅是尝试性的运用在物流管理、超市等领域。

而在国内，物联网的应用仍几乎是空白。

因此将物联网技术运用于车辆管理方面的仍然很少。

1.4拟解决的主要问题

本小组基于物联网技术的智能车位管理系统主要解决以下问题：

1）实现用户车位查询、停车场车位具体位置、环境参数等信息实时上传。

2）车辆身份自动识别认证、停车路线交付并引导等“无人化”管理。

3）将物联网无线通讯技术、数据库技术、嵌入式技术、语音播报引导等技术综合运用在一起。

2方案的确定

2.1设计方案论证

一、开发板的选择

STM32微控制器：

该开发板是32位ARM-cortex单片机，具有大量引脚可外接大量外设，功能强大；时钟最高可达72MHz，运行速度快；功耗小，易于安装；C语言编程操作简单。

缺点价格较高。

MCS-51：

该开发板是8位单片机，体积小易于携带，功耗低；价格低廉使用范围广；C语言编程操作简单。

其缺点是管脚太少，若外挂模块则容易发生混乱。

在经过讨论后本课题小组决定使用32位微控制器STM32F103神州II号开发板。

选用32位微控制器，首先确保智能车位系统的稳定运行，以及各无线模块的稳定通讯；再者车场功能复杂需要外接大量外设，便于系统的开发；MCS-51因为性能限制正逐渐被淘汰，选用32位微控制器也大大延长了系统被淘汰的时间。

二．通信模块的选择

Zigbee模块：

使用规范的Zigbee通信协议，低功耗，网络容量大，有保密协议，信息传输精确。

缺点是，价格较高，开发难度较大。

nRF24L01模块：

价格低廉，开发简单，易于操作。

但是nRF24L01射频芯片自身没有集成任何协议，其信息传输方式为幅散式信息传播，所以基于nRF24L01模块的无线通信需要自定义通信协议来使用，控制的方式也有很多种。

当然，通过编程可以模拟实现zigbee协议来进行通讯，实现一套基于nRF24L01模块的模拟Zigbee无线通信系统。

在经过讨论后本小组决定暂时使用nRF24L01模拟无线zigbee无线模块。

本系统采用32位微控制器开发板作为总控平台，以物联网技术作为系统支撑，nRF24L01模块作为信息交换的通道。

通过各个模块之间的信息交互与数据判断来执行各种指令，实现系统与外界的交流。

工程模型如下图2-1所示

图2-1系统模型框图

2.2工作原理

在本系统中，采用两块32位微控制器F103作为控制总机。

多个车位即为一个信息交互的终端，在车位进口处我们设置了红外二极管作为感知车辆进出车位的信息收集处，当有车辆进出车位时，红外模块向车位处的车位控制总机发送信息，而接收到红外模块信息的车位总机向nRF24L01无线模块发送数据。

接收到数据的nRF24L01再将信息发送给车场大门处的上位机决策终端进行判断后，将已确认的天气，温度，剩余车位信息显示在TFT液晶上，并令上位机决策终端执行后续工作。

当有车辆进入车位前，TFT显示屏显示当前剩余车位分布情况，并且对此车辆进行导航。

当有车辆入库后，放置在门口的红外二极管检测到信号并发送给上位机决策终端，根据已有的数据比较及修改。

当车场内的车位未满时，上位机决策终端控制阻拦杆抬起，并将信息通过nRF24L01发送给车位处的车位控制总机，亮起路灯为车辆导航。

若车场内的车辆已满，大门处的上位机决策终端不发送相关信息。

所有车场内的实时信息显示在TFT液晶显示屏上。

2.3功能模块简介

2.3.1烟雾监测模块

烟雾监测模块，用来检测车库内是否存在易燃气体。

每一个车位都安装了一个烟雾监测模块。

当烟雾检测模块，检测到有可燃气体就会给车位控制主机给出预警信号。

车位控制主机通过无线通讯向上位机综合决策终端提出预警。

智能小区车位系统采取预警措施，并在TFT屏上显示灾害情况。

2.3.2火焰监测模块

火焰监测模块用来检测车场内的火灾。

火焰传感器模块被安装在每一个车位上确保火灾能够精确预警。

当火焰监测模块检测到火灾，其输出引脚的电位由高电位变为低电位，给车位控制总机送出预警信号。

车位控制总机通过无线通讯向上位机综合决策终端提出预警。

智能小区车位系统采取预警措施，在TFT屏上显示火灾情况，协助工作人员控制火灾。

2.3.3温度监测模块

温度监测模块，用来检测当天的温度。

温度传感器模块被安装在车场的出入口处。

温度检测模块通过对监测到的温度的模拟量信息进行数字化处理，转化成数字信息输出到上位机决策终端，并通过安装在出入口处的TFT屏进行显示。

为用户提供天气信息，方便用户外出车场后的着装等。

实现车场使用智能化和人性化。

2.3.4红外监测模块

红外监测采用的是红外感器。

当检测到前方有障碍物，其输出引脚由高电位变为低电位向控制主机送出处理信号，控制主机进行处理。

系统中红外监测模块主要有两个主要的功能。

一、在车场出入口处安装红外监测模块，用来检测车位是否有车辆要进入车场。

假设有车辆要进入车场，红外监测模块给上位机决策终端送出决策信号后，上位机进行决策处理。

二、在车位处安装红外监测模块，监测车场的停车信息，实现车场的车位信息的在线显示，并通过安装在出入口处的TFT屏进行显示。

2.3.5物联网信息共享模块

本系统采用nRF2401作为信息的共享模块，模拟Zigbee协议进行无线信息传输。

当车位控制总机接收到了外接的各种器件发出的实时信息，进行处理后便通过nRF24L01无线模块向位于上位机决策终端发送信息。

上位机将信息汇聚后，进行统一操作，并将实时信息显示在TFT屏。

2.3.6TFT触摸屏

上位机对系统信息综合处理后，由上位机向TFT发送信号，显示车位信息，温度信息，以及火灾等安全预警信息。

TFT屏是该系统的一个人机交互的窗口，方便系统工作人员和用户对系统信息进行宏观把握。

2.3.7射频卡门禁系统

本系统采用射频技术，可完成对射频卡的识别，读取与写入功能。

当系统识别是小区业主时可向抬杆机发送指令——抬杆放行。

若不是本小区的业主则不允许进入。

基于射频卡的读写功能，还可以在后续开发中加入按时计费功能，当用户进入车场时记录时间，离开车场时记录时间。

根据停车时间进行收费。

也可以直接从卡中的预存金额中扣除费用，实现无纸化办公。

2.3.8智能语音系统

智能语音运用语音模块可根据车场当前情况实现播报剩余车位数，距离您最近的车位号，引导您进入车位等功能。

方便业主停车，提高停车效率。

3硬件设计

3.1车位系统构建

3.1.1车位系统简介

智能小区车位系统具体分为车辆信息监测模块，射频卡模块，智能语音模块，灾情预警模块和无线通信模块。

其功能主要是能过对系统内部的车辆信息进行实时监测，对灾情进行可靠安全预警，并且无线模块将车位系统与上位机决策终端联系起来，将采集起来的信息发送给上位机进行汇总处理。

图3-1车位系统框图

3.1.2模块分析及硬件选择

1）车辆信息监测模块

（1）车辆信息监测模块简介

为了实现车辆信息的实时监测和车位信息的有效把握，要求车位系统上的车辆信息监测模块能够及时有效的向车位系统反馈整个车辆信息。

因此在传感器选取上应遵循物体监测敏感准确，安装简单快捷，价格便宜的原则。

并且因为传感器需要长时开启，所以要求传感器功耗不宜过高。

（2）车辆信息监测模块的设备选择

根据车辆信息监测模块的要求，本课题小组经过讨论选择了E18-D80NK-N红外传避障传感器。

E18-D80NK-N这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。

检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。

当无车辆经过时输出引脚输出高电平，检测到车辆时输出引脚立刻输出低电平，发出处理信号。

图3-2E18-D80NK-N原理图

2）灾情预警模块

（1）灾情预警模块简介

作为一个智能的小区车位控制系统，不光能够对车位进行实时监测，还要随时监视车场内部是否有突发状况，例如火灾。

假如发生突发状况，应迅速采取应急预案。

因此灾情监测模块，要求对车场内部的灾情进行监管。

当有火灾时发出预警信号。

并且监管模块也需要对灾情的严重程度进行监管。

当火灾发生时，对车场内的可燃气体也进行监控。

从而协助工作人员控制火情，以及保护工作人员的生命安全，减少用户的财产损失。

（2）灾情预警模块的设备的选择

灾情预警模块主要要实现对火灾的监测和对可燃气体的监测。

所以主要使用火焰传感器和烟感传感器。

1　火焰传感器

本小组选用的火焰传感器是基于STC12C5A60S2开发的火焰传感器，为开关量传感器，操作简单，仅有一路输出。

并且感应灵敏。

2　烟感传感器

烟感传感器选用MQ系列气体传感器。

MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

图3-3MQ-2原理图

3）无线通信模块

无线通信模块是智能小区车位系统的信息采集与信息处理之间的桥梁。

将整个系统联系到一个统一的网络中。

这也是本小组基于物联网开发该系统的关键。

这就要求系统传输的无线信息能够可靠的传递。

无线通信模块采用nRF2401作为传输芯片。

nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

芯片能耗非常低。

能模拟Zigbee协议进行数据无线传输，确保数据可靠传输。

图3-3nRF2401电路图

4）射频卡模块

射频卡是一种成本低，可靠性高的数据传输媒介。

可以高效安全的实现数据的传输。

本小组采用的是RC522芯片。

MFRC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片，是一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。

MFRC522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。

支持14443A兼容应答器信号。

数字部分处理ISO14443A帧和错误检测。

此外，还支持快速CRYPTO1加密算法，用语验证MIFARE系列产品。

它与主机间通信采用SPI模式，有利于减少连线，缩小PCB板体积，降低成本。

5）语音模块

用于语音播报，对业主进行语音引导，方便业主停车，提高停车效率。

3.2上位机决策终端系统构建

3.2.1上位机决策终端系统

上位机决策终端系统是整个车位管理系统的控制中心。

该系统会对从车位系统收集的数据进行综合的整理分析。

通过处理后，其反馈信息会通过TFT屏显示出来。

该系统应包括车辆出入模块，显示模块，灾情预警模块和无线通信模块等。

图3-4上位机决策终端框图

3.2.2模块分析及硬件选择

1）车辆出入模块

1）车辆出入模块简介

车辆出入模块是在结合车场内车辆信息，即车场内是否仍有车位，判断是否允许到来的车辆进入车场停车。

当有车位时使能电机，车场抬杆抬起允许车辆进入车场。

2）车辆出入模块的设备选择

1　红外避障传感器

在车辆出入模块中同样选用了E18-D80NK-N红外传避障传感器。

因为在出入口处同样需要灵敏检测是否有车辆用过，提高工作效率，避免造成停车高峰期车辆拥堵的情况。

2　抬杆电机

当上位机允许车辆进入停车场时，上位机就使能电机，抬杆抬起放行车辆。

但是上位机并不是直接驱动电机的，而是通过一个电机驱动模块LM298，实现电机的稳定控制。

图3-5LM298原理图

2）显示模块

（1）显示模块简介

显示模块是系统的一个人机交互窗口。

当上位机将车位系统发送过来的信息集中出来后，呈现到显示屏上。

这也是系统对车位信息，灾情预警，实时温度，车辆引导的直接体现。

为系统管理人员的管理和用户的使用提供极大的便利。

（2）显示模块设备选择

系统通过外接一个TFT显示屏，实现屏幕显示。

图3-6TFT显示屏幕原理图

3）灾情预警模块

上位机决策系统中的灾情预警模块是通过蜂鸣器预警和TFT显示预警的结合。

当上位机决策系统接受到来自车位系统的火灾预警信号后，上位机使能蜂鸣器，使蜂鸣器发出预警警报；同时在在TFT显示屏上显示发生火灾的车位以及有无可燃气体信息。

为系统管理人员迅速把握火情提供充分的有效的信息。

为用户迅速逃生找到明确的道路。

4）无线通信模块

此处的无线通信模块和车位系统的通信模块功能相同。

只不过此处仅设置成接收模式。

4软件设计

4.1设计思想

此智能车位管理系统基于32位微控制器平台研发，以32位微控制器F103为控制总机，以红外传感器，火焰传感器，温度传感器，烟雾传感器等作为主要的信息采集模块，将采集的信息通过nRF2401无线传输给上位机，并进行输出显示，若采集值大于预设值，则报警、显示。

车位出与车场出口处的控制总机通过nRF24L01进行信息交流。

对车位，车场内的引导以及TFT显示屏进行控制。

4-1程序整体流程图

4.2主要程序设计

4.2.1车位监测程序

系统在车位监测模块使用的是E18-D80NK-N传感器。

当传感器的输出引脚初始状态是高电平。

当传感器检测到车辆时，输出引脚输出由高电平变为低电平。

若一直检测到车辆，则保持低电平输出并一直维持工作状态。

该传感器在车场中大量分布，若一直处于工作状态，其能量消耗巨大。

与目前倡导的绿色环保，节能减排的口号相违背。

并且增加企业的运营系统的成本。

为了克服这个难题，本小组研究讨论了如下车位监测方法及算法。

首先，更改传感器的工作位置。

将传感器由原来的放置在车位的顶部，换置到车位的入口处。

让传感器仅在车辆进入车位和离开车位的时候监测到车辆，平时处于待机状态。

然后，本小组以此构建数学模型，并对传感器检测到车辆进行计数，设计数变量为a。

假设第一次进入车位并且传感器检测到车辆，计数变量记为1；当第一次离开车位并且传感器检测到车辆，计数变量记为2；当第二次进入车位并且传感器检测到车辆，计数变量记为3；当第二次离开车位并且传感器检测到车辆，计数变量记为4，以此类推。

本小组发现只要是进入车位计数变量都为奇数，而离开车位计数变量都为偶数。

4.2.2无线通信程序

无线通信是整个系统能够正常运行的基础，是车位系统和上位机决策系统信息交互的桥梁。

所以确保无线通信准确可