基于物联网的城市停车场智能管理系统.docx
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基于物联网的城市停车场智能管理系统
安徽建筑大学
毕业设计(论文)
专业通信工程
班级11通信2班
姓名王珊珊
学号1**********
课题基于物联网的城市停车场智能管理系统
——停车场管理及信息发布平台设计
指导教师夏巍
2015年6月4日
摘要
随着我国的汽车市场的高速发展,汽车对其配套设施尤其是停车场提出了更高的要求。
为了降低运营成本,提高停车场的管理效率和服务质量,RFID(无线射频识别技术)和Web等技术被越来越多的应用于停车场管理系统。
本课题的主要目标是设计并实现一个基于RFID、ZigBee无线传感网络的物联网技术和Web技术的停车场管理系统。
结合实践,利用成熟的RFID读写技术,基于SpringMVC整合Hibernate的设计模型,使用Oracle数据库管理系统来完成上位机与下位机串口通信的功能并设计出停车场管理平台。
实现用户刷卡入库登记和管理,并自动计费以及停车场管理员应对特殊情况能控制闸门开关,查看停车场车位状况(包括是否被占用、湿度、温度和可燃气体浓度),并通过无线网络在手机等智能终端上进行实时发布,也可以通过手机等智能终端对区域内的停车场的车位进行查询、充值和支付。
关键词:
物联网;上位机;串口通信;停车场管理平台
Abstract
WiththedevelopmentofChina'sautomarket,thecarhashigherrequirementsforitsfacilities,especiallytheparkinglot.Inordertoreducetheoperatingcosts,improvethemanagementefficiencyandservicequalityoftheparkinglot,RFID(radiofrequencyidentificationtechnology)andWebtechnologyaremoreandmoreappliedtotheparkingmanagementsystem.
ThemaingoalofthisthesisistodesignandimplementaparkingmanagementsystembasedonZigBeeandRFIDwirelesssensornetworktechnologyandWebtechnology..Combinedwithpractice,usingmatureRFIDtechnologytoreadandwrite,springmvchibernateintegrationdesignmodelbasedonusingOracledatabasemanagementsystemtocompletetheuppermachineandthelowerpositionmachineserialcommunicationfunctionanddesignoftheparkinglotmanagementplatform.Realizetheusercardwarehousingregistrationandmanagement,andautomaticchargingandparkingadministratortodealwithspecialcircumstancescancontrolopeningandclosingofthegate,viewparkingparkingstatus(includingisoccupied,humidity,temperatureandconcentrationofcombustiblegas)andthroughawirelessnetworkinmobilephonesandotherintelligencecanterminalreleaserealtime,youcanalsoquery,reservation,rechargeandpaymentbyintelligentterminalssuchasmobilephonewithintheareaofparkingspaces.
Keywords:
TheThingsOfInternet;UpperComputer;SerialCommunication;ParkingManagementPlatform
基于物联网的城市停车场智能管理系统
——实现上位机的串口通信和软件设计
电子与信息工程学院通信工程专业2011级2班王珊珊
指导教师夏巍
1绪论
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,车辆出入感应等功能。
在一定程度上实现了停车场的监控与管理。
但针对于目前越来越严重的车位紧缺、车位浪费等情况,现有的管理系统并不能有效解决。
物联网技术现在是国内外研究的热点,国外已经在物流管理、超市等领域尝试性的运用了物联网技术。
而在我国国内,物联网的应用仍是不多。
我国与国外相比,在车辆管理方面存在巨大的差异。
国外发达国家,类似于美国等,地广人稀,在可预见的未来,并不存在车辆车位、车库紧缺的情况。
因此将物联网技术运用于车辆管理方面的仍然少。
由于我国人口众多,且随着人民生活水平的提高,汽车的数量也逐年增长,这给有限的城市空间带来了巨大的挑战。
现在出现的车位费用上涨,无车位等现象皆缘于此。
目前政府仍没有针对此问题提出十分恰当的解决办法。
基于物联网技术的智能车位管理系统首次将RFID技术、Zigbee无线传感器网络技术、数据库技术、嵌入式技术等技术综合运用于一体,有效的实现了用户车位预约查询、停车场车位具体信息、环境参数等信息实时上传、车辆身份自动识别认证、收费计时等“无人化”管理。
最大程度4的降低了停车场的成本,有效地解决了车位的紧缺与浪费等问题。
该系统设计新颖,技术独特,管理更加科学性、人性化。
在上海,首个物联网停车场也将现身新天地太平桥停车场。
这是上海政府主导的一项物联网应用示范工程,完工后将提供200个智能停车位。
驾驶者可以提前一天在网上预定停车位,如果没有预订到车位,新天地停车场也将协助驾驶者向周边停车场提出车位预定申请,实现“停车场车位联网预订”。
这项服务目前在欧美国家的许多停车场已成熟应用。
而加载了RFID技术的会员卡免去了停车刷卡开闸的麻烦,能够自动计算出停车费用,并通过会员卡与银行卡的绑定,自动完成扣款。
此外,停车场内架设的超声波车位探测装置,也解决了驾驶者在停车场内找不到空位的尴尬。
本次设计的初衷是减少车位的浪费和实现停车场智能化管理,便于用户及时查看实时的停车场车位状态,并可随时预约、取消预约、充值、支付、查看余额,方便停车场服务人员的查看和管理。
1.1选题背景
随着工业化对城市交通的影响、经济的迅速发展、城市机动车保有量的猛增、特别是大量私有汽车的出现,使得包括中国在内的很多国家的大城市的停车问题日趋严重。
车辆停放是交通过程不可分割的组成部分。
世界上许多大城市的交通阻塞,其重要原因之一就是停车紧张对动态交通的影响。
一方面动静态的交通相互干扰造成道路通行能力的下降,增加了运输成本;另一方面长期低速、怠速行驶的汽车排放出的废气又给城市环境带来严重污染。
较长时期以来,我国大中城市的停车设施建设相对滞后于机动车辆的快速增长,致使停车矛盾愈加严重,“停车难、乱停车”的恶性循环成为城市交通管理的难点和热点问题。
停车位供给短缺直接引发出行不便、堵塞交通、损毁绿化、破坏环境、威胁安全等问题,从而影响生活质量,提高生产成本,阻碍社会经济的正常发展,其危害不言而喻。
如果不早采取措施,将不利于城市有序、健康、可持续的发展。
因此,建设现代化的停车场,增加城市有效停车位对于城市交通的畅通意义重大。
车场的智能化管理,是指利用现代高新科学技术对停车场进行自动化管理,提高管理的有效性、安全性、可靠性和停车场运行自动化程度。
由于尽量减少人工的参与,从而最大限度的减少人员费用以及由于人为失误或舞弊造成的损失,大大提高整个停车场的经济性、安全性与使用效率。
但由于目前智能化停车场需要的相关技术要么没有成熟运用于停车场智能管理系统中,要么只是实现了局部的智能化,例如单纯的自动计费系统等。
所以目前的停车场管理系统综合自动化程度和智能化程度还不是很高。
在本课题主要是利用RFID技术、ZigBee无线传感网络技术和Web技术实现智能化的停车场管理系统。
希望能给当今的城市停车场系统带来灵感和启发。
1.2停车场管理系统发展现状
智能交通系统ITS(IntelligentTransportationsystem)是目前世界交通运输领域研究的前沿课题,其核心是针对日益严重的交通需求、资源过度开发和环境保护的压力,采用信息技术、数字通信传输技术、计算机技术、电子控制技术及系统集成等高新技术对传统交通运输系统进行深入的改造,以提高整个交通运输系统资源的使用效率、改善和提高交通运输系统的安全性、减少资源的消耗和减轻环境污染。
智能停车场是智能交通系统ITS的重要组成部分。
它采用先进技术和高度自动化的机电设备、图像处理设备、数据处理设备并结合用户在停车场收费管理方面的需求,以及交通管理方面的经验而开发的系统。
系统能提供一种效率的管理方式,为用户提供更方便、更有效的服务。
停车场智能管理系统采用图形人机界面操作方式,具有操作简单、使用方便、功能先进等优点,车场使用者可以在最短的时间进入或离开停车场,从而提高停车场的管理水平,取得更高的经济效益和良好的社会效益。
它一方面以智能化设备和完善的管理软件来简化或取代人的劳动,实现停车场车辆出入、场内监控以及计费收费等全过程的完全无人化管理:
另一方面通过网络化管理实现能够在一个相对广阔的地域内(例如一个城市)了解多个停车场车位情况,提前预定停车位,最终实现“随意”停车,这是停车场管理系统的最终目标,也是智能交通系统的目标。
1.3停车场管理系统研究内容
本课题的任务主要是设计基于物联网的城市停车场智能管理系统,主要运用应用RFID技术实现车辆不停车入库登记和管理,并实现自动计费;应用红外等传感器感知停车场车位状况,并通过无线网络在手机等智能终端上进行实时发布,也可以通过手机等智能终端对区域内的停车场的车位进行查询和预约,并实现实时提醒。
本课题中要求使用单片机通过红外传感器实时的监测停车场内车辆信息,要求单片机有较高的处理速度和较低的工作功耗。
采用基于ARM32-bitCortex-M3STM32F103处理器,最高运行频率为72MHz,超低功耗支持睡眠、停机、待机三种模式,以72MHz全速运行,功耗仅为22.5mA。
本课题中要求实现车辆不停车入库登记和管理、车辆进出库非接触识别,因此采用射频识别,RFID(RadioFrequencyIdentification)技术,又称无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
目前RFID技术应用很广,如:
图书馆,门禁系统,食品安全溯源等。
本课题中通过无线网络将车库内的信息发布在PC等智能终端,基于功耗问题,亦要考虑用于公寓、别墅等多遮挡多阻隔的环境,采用ZigBee作为无线通信方案。
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。
根据国际标准规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
对于终端和多个车库之间通信的采用星型拓扑结构也称主从结构,该拓扑网络属于集中控制型网络,整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理,各节点间的通信都要通过中心节点。
一般由主控制中心不断切换通信目标进行轮询控制。
本课题中采用上位机作为PC和手机智能终端的显示界面,实时显示车库内的车辆信息,并计时收费。
用户还可进行预约、取消预约、充值、支付的操作。
同时,管理员应对特殊情况可对某一车库的闸门控制打开或关闭。
2系统方案的设计
2.1系统功能
本次设计是基于物联网的城市停车场管理系统,利用web技术实现智能化的管理。
此次设计将平台用户和系统管理员分开管理。
平台用户的权限:
1)在平台上注册(用户名不可重复,一个ID号只能绑定一个用户)。
2)登陆后查看停车场车位的实时情况,如某个车位是否被预约、是否被占用,停车场是否已满。
3)可对指定车位进行预约(若不指定则由系统分配)、取消预约、充值和支付、查看余额。
4)可查看用户在本停车场的进出、预约、车费支付情况等记录,支持通过条件检索查询。
5)支持手机、PC等智能终端的注册、登录、浏览、操作。
系统管理员的权限:
1)在平台上注册(须填写邀请码)
2)登陆后查看停车场车位的实时情况,如某个车位是否被预约、是否被占用,停车场是否已满。
3)可查看所有用户在本停车场的进出、预约、车费支付情况等记录,支持通过条件检索查询。
4)可查看停车场所有车位的实时环境情况,如湿度、温度、可燃气体浓度。
5)应对特殊情况对某个车位闸门的开关控制。
6)支持手机、PC等智能终端的注册、登录、浏览、操作。
2.2系统框图
下图为软件部分的系统框图。
首先,上位机向下位机发送指令,下位机接收并执行命令后返回执行结果。
上位机接收到返回的数据后,根据通信协议判断是否属于一条完整且准确的命令,显示执行结果。
同时,也可通过手机和PC等智能终端进行查询和预约等操作。
图2-1系统框图
2.3系统方案选择
2.3.1选择B/S开发
C/S(Client/Server)结构,即大家熟知的客户机和服务器结构。
它是软件系统体系结构,通过它可以充分利用两端硬件环境的优势,将任务合理分配到Client端和Server端来实现,降低了系统的通讯开销。
目前大多数应用软件系统都是Client/Server形式的两层结构,由于现在的软件应用系统正在向分布式的Web应用发展,Web和Client/Server应用都可以进行同样的业务处理,应用不同的模块共享逻辑组件;因此,内部的和外部的用户都可以访问新的和现有的应用系统,通过现有应用系统中的逻辑可以扩展出新的应用系统。
这也就是目前应用系统的发展方向。
功能强大,可以减轻服务器端压力,如果用户的需求特别复杂,用C/S。
B/S(Browser/Server)结构即浏览器和服务器结构。
它是随着Internet技术的兴起,对C/S结构的一种变化或者改进的结构。
在这种结构下,用户工作界面是通过WWW浏览器来实现,极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现,但是主要事务逻辑在服务器端(Server)实现,形成所谓三层3-tier结构。
这样就大大简化了客户端电脑载荷,减轻了系统维护与升级的成本和工作量,降低了用户的总体成本(TCO)。
以目前的技术看,局域网建立B/S结构的网络应用,并通过Internet/Intranet模式下数据库应用,相对易于把握、成本也是较低的。
它是一次性到位的开发,能实现不同的人员,从不同的地点,以不同的接入方式(比如LAN,WAN,Internet/Intranet等)访问和操作共同的数据库;它能有效地保护数据平台和管理访问权限,服务器数据库也很安全。
特别是在JAVA这样的跨平台语言出现之后,B/S架构管理软件更是方便、快捷、高效。
综上所述,B/S建立在浏览器上,有更加丰富和生动的表现方式与用户交流,为客户端免维护,适用于用户群庞大,或客户需求经常发生变化的情况。
符合本次设计的主题,所以选取B/S开发。
2.3.2采用Spring整合Hibernate框架
Spring为系统提供了一个整体的解决方案,开发者可以利用它本身提供的功能外,也可以与第三方框架和技术整合应用,可以自由选择采用哪种技术开发。
MVC的目的是增加代码重用率,减少数据表达、数据描述和应用操作的耦合度,同时也使得软件的可维护性、可修复性、可扩展性、灵活性以及封装性得到提高。
Hibernate是一个开放源代码的对象关系映射框架,它对JDBC进行了非常轻量级的对象封装,使得Java程序员可以随心所欲的使用对象编程思维来操纵数据库。
SpringMVC整合Hibernate的好处:
(1)通用的资源管理:
Spring的ApplicationContext能管SessionFactory,使得配置值很容易被管理和修改,无须使用Hibernate的配置文件。
(2)有效的Session管理:
Spring提供了有效、简单和安全的HibernateSession处理。
(3)IOC容器提高了DAO组件与业务逻辑层之间的解耦。
(4)DAO模式的使用,降低了系统重构的代价。
(5)方便的事务管理:
Hibernate的事务管理处理会限制Hibernate的表现,而Spring的声明式事务管理力度是方法级。
(6)异常包装:
Spring能够包装Hibernate异常,把它们从checkedexception变为runtimeexception;开发者可选择在恰当的层处理数据中不可恢复的异常,从而避免烦琐的catch/throw及异常声明。
所以,根据本设计的要求,选择SpringMVC整合Hibernate作为软件系统的开发框架比较合适。
2.3.3采用Oracle数据库
Oracle是甲骨文公司的一款关系数据库管理系统。
它是在数据库领域一直处于领先地位的产品。
可以说Oracle数据库系统是目前世界上流行的关系数据库管理系统,系统可移植性好、使用方便、功能强,适用于各类大、中、小、微机环境。
它是一种高效率、可靠性好的适应高吞吐量的数据库解决方案。
Oracle相对MySQL的优点:
(1)Oracle是大型数据库而Mysql是中小型数据库,Oracle市场占有率达40%,Mysql只有20%左右,同时Mysql是开源的而Oracle价格非常高。
(2)Oracle支持大并发,大访问量,是OLTP(联机事务处理)最好的工具。
(3)开放性:
Oracle能所有主流平台上运行(包括windows)完全支持所有工业标准采用完全开放策略使客户选择适合解决方案对开发商全力支持;可伸缩性。
(4)并行性:
Oracle并行服务器通过使组结点共享同簇工作来扩windowNTT能力提供高用性和高伸缩性簇解决方案windowsNT能满足需要用户把数据库移UNIXOracle并行服务器对各种UNIX平台集群机制都有着相当高集成度。
(5)安全性:
获得最高认证级别的ISO标准认证。
(6)性能:
Oracle性能高,保持开放平台下TPC-D和TPC-C世界记录;客户端支持及应用模式:
Oracle多层次网络计算支持多种工业标准用ODBC、JDBC、OCI等网络客户连接。
(7)使用风险:
Oracle长时间开发经验完全向下兼容得广泛应用地风险低。
从可用性、可扩展性、数据安全性和稳定性角度考虑,选择Oracle数据库能更快的保存、查询数据,且安全性能高。
2.3.4选取Eclipse作为开发环境
Eclipse,跨平台的自由集成开发环境(IDE)。
最初主要用Java语言开发,但是目前亦有人通过插件使其作为其他计算机语言比如C++和Python的开发工具。
Eclipse的本身只是一个框架平台,许多软件开发商以Eclipse为框架开发自己的IDE。
MyEclipse企业级工作平台(MyEclipseEnterpriseWorkbench,简称MyEclipse)是对EclipseIDE的扩展,也就是所说的插件,利用它可以在数据库和J2EE的开发、发布,以及应用程序服务器的整合方面极大的提高工作效率。
从功能上说,两者都符合我们对开发工具的选择,由于Eclipse是免费的,而MyEclipse是需要付费的,所以从成本的角度考虑,选择采用Eclipse。
2.2.5选取Tomcat7.0作为web服务器
Tomcat服务器是一个免费的开放源代码的Web应用服务器,属于轻量级应用服务器,在中小型系统和并发访问用户不是很多的场合下被普遍使用,是开发和调试JSP程序的首选。
因为Tomcat技术先进、性能稳定,而且免费,因而深受Java爱好者的喜爱并得到了部分软件开发商的认可,成为目前比较流行的Web应用服务器。
Tomcat7.x是目前的开发焦点。
它在汲取了Tomcat6.0.x优点的基础上,实现了对于Servlet3.0、JSP2.2和EL2.2等特性的支持。
所以,我们选取Tomcat7.0为web服务器比较合适。
2.2.6选取JDK6.0作为软件开发工具包
JDK(JavaDevelopmentKit)是Java语言的软件开发工具包(SDK)。
没有JDK的话,无法编译Java程序,如果想只运行Java程序,要确保已安装相应的JRE。
因为Tomcat7.0支持JDK6.0及以上版本,所以我们这里选取JDK6.0作为软件开发工具包。
2.2.7选取jQgrid作为Web前台表格控件
jqgrid是非常棒的Web前台表格控件,用它可以轻松的显示,格式化,与前后台通过ajax进行互动。
jqGrid包主要用于将需要展示的数据动态的展示在页面的上,即动态画出表格,并封装了增、删、改、查、分类显示、在线编辑修改等功能。
下面的图是利用jQgrid的表格效果图。
图2-2jQgrid的表格效果图
2.2.8选取artDialog作为web对话框组件
artDialog是一个精巧的web对话框组件,压缩后只有十多KB,并且不依赖其他框架。
artDialog的特殊布局结构能够原生的适应内容变化,不必去考虑消息内容大小,它能自己去适应内容。
当然它仍然可以接受一个固定高宽的参数,它能够防止内容溢出或截断,同时也不会产生难看的滚动条,甚至能够自动处理文本对齐方式。
artDialog所有功能是不需要其他库就可以使用的,但是如果页面引入了jQuery,artDialog会奉献自己成为它的插件,利用它增强自身功能。
下图是利用artDialog作为对话框的界面。
图2-3artDialog作为对话框的界面
3系统软件设计与实现
3.1上位机与下位机的通信协议
本次设计,上位机与下位机的通信协议有五种命令,命令的组成部分是:
A.协议头:
AA55(两个字节)
B.cmdlen:
一条命令的字节总长度(一个字节)
C.cmd:
属于几号命令(一个字节)
D.checksum:
除本字节外,其他字节的总和(一个字节)
E.主从判断:
00(上位机)/01(下位机)(一个字节)
F.车位号:
几号车位(一个字节)
G.data:
根据不同的协议有不同的数据和字节数
1号命令:
心跳检测。
上位机给下位机发送心跳检测命令,下位机返回湿度,温度和可燃气体浓度。
上位机校验是否符合通信协议,若符合则改变车位环境数据并显示出来。
图3-1心跳检测命令流程图
2号命令:
开关闸门
上位机发送命令控制指定车位的开/关闸门,下位机执行后原样返回给上位机。
00代表关闸,01代表开闸。
图3-2开/关闸门控制流程图
3号命令:
入库身份验
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