隨著經濟水平和人們生活質量的不斷提高，機動車數量迅速增加，傳統停車系統無法滿足高速增長的停車需求，智能停車管理系統的研究勢在必行。通過對傳統停車系統的分析，研究了智能停車系統需具備的基本功能，并以ZigBee傳感網絡、MQTT協議、Node．js與O2O模式等作為關鍵技術，提出系統的整體架構、系統組成和實現技術，該系統可有效利用城市停車資源，減輕停車壓力。
王中生，韓康
（西安工業大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安 710021）
智能停車；ZigBee；MQTT；Node．js；O2O
隨著我國經濟高速增長、城市化進程不斷加快，機動車的數量迅速增加，日益增長的停車需求與城市所能提供的停車位數量之間的矛盾越來越突出，停車問題已經成為影響城市交通可持續發展的瓶頸。然而，傳統停車場由于功能單一、效率低下、自動化程度低，己經不能滿足人們的停車需求，因此發展城市各處停車場的智能化建設對于改善整個城市的交通管理狀況起著至關重要的作用［1］。
傳統停車場在停車效率、能源消耗、安全性能、車場管理運營等方面已不能滿足現代化的停車發展需求，多數傳統停車系統存在以下問題。
（1）停車系統僅記錄停車場內車輛數目或剩余車位數目，無法提供具體的停泊位置信息。如果停車場規模較大，車主很難快速找到合適的停車位。
（2）無法提供空余停車位在線顯示功能。對于一個開放性停車場，車主無法了解到該停車場是否會有空余車位，等到車主到達該停車場時才發現已經停滿，這無疑是對時間和資源的浪費。
（3）停車系統之間很少進行資源共享。當前各個停車場的系統是各自分離的“信息孤島”［2］，停車系統之間無法進行數據共享，即使某些停車場爆滿，而另一些停車場有大量空余車位，系統也無法為用戶提供來自其他停車場的可選停車方案。
因此，開發和設計一套完整的智能停車管理系統非常必要。智能化的停車管理系統成為大中型綜合商業建筑物、學校以及居民小區必備的配套設施［3］，它可以有效減輕人們出行的壓力，緩解現代城市堵車及停車難的問題。
1、系統功能
智能停車管理系統針對傳統停車場的缺陷，結合國內外智能停車系統的研究現狀，采用O2O模式，為系統添加了以下幾方面功能。
1．1空余車位在線查看功能
在O2O（Online to Offline）模式下，用戶可以通過PC網頁或者手機等終端遠程查看停車場的空余車位信息，車位上有車泊入或離開時，車位狀態變化都會及時顯示在用戶終端上。如果用戶想要在某個停車場泊車，可提前通過手機等移動終端查看信息并預定車位，進行有計劃的安排，消除尋找車位的盲目性。
1．2車位預約功能
通過移動終端查看空閑車位，用戶可以對其進行標記和預約，對于被用戶標記過的車位系統會限制其他車輛泊入，待用戶到達自己預約的車位時，可以通過移動終端操作，解除限制，泊車入位。
1．3停車引導功能
用戶可以通過移動終端查看停車場布局圖和停車情況，并根據引導找出事先預約或者空閑的車位。當停車場規模較大時，清晰的停車分布圖可以引導用戶快速泊車。
1．4停車場信息共享和停車位推薦功能
當用戶通過移動終端預約車位時，系統控制硬件，采取強制措施保護車位，例如升起一排地樁或者檔桿，阻止其他用戶進入。但是這顯然是對公共資源的一種浪費，更好的做法是，僅對被預約的車位進行標記，當用戶預約的車位被其他用戶占用時，系統可為用戶推薦車位，提供可選的停車方案。停車位推薦的功能是依賴于信息共享的，各個停車系統之間能夠信息共享，才能提供合理的車位推薦。
2、系統架構
該智能停車系統整體上劃分為三大部分［4］：數據源層、數據服務層和發布層，如圖1所示。
首先，系統中原始數據均來源于數據源層，通過紅外、超聲波等設備采集車位傳感數據，采用ZigBee傳感網絡作為中間層進行通信，依照ZigBee協議進行組網和發送數據［5］。采集到的傳感器數據可通過ZigBee傳感網絡傳送至PC上位機進行數據的集中預處理。其次，數據服務層運行于服務器中，接收來自PC上位機的傳感器數據，對其進行處理，最終轉換為車位狀態信息存儲于數據庫內，并使用Webservice規范發布數據接口，提供數據共享功能。最后，在發布層，系統支持多種客戶端，用戶可方便地查看停車場車位信息，并使用車位預約、停車引導等功能。
3、系統設計與關鍵技術
系統整體實現思路是：按照O2O理念［6］，線下使用ZigBee進行數據采集，配合Arduino控制器控制硬件，線上使用Node．js處理數據存儲與數據分發，配合手機等移動端App，管理停車位資源。通過線上線下的有序配合，為用戶提供空閑車位查詢、車位標記預約、停車引導等功能。
系統主要采用ZigBee數據傳輸、MQTT消息推送、Node．js數據服務、移動客戶端等關鍵技術。
3．1 ZigBee無線傳感網絡
在智能停車系統中，下位機采用超聲波傳感器探測距離，從而判斷車位上是否有車輛泊入。通過Arduino控制器操縱傳感器采集數據經由ZigBee網絡傳遞至PC上位機，數據在上位機上進行預處理（消除噪聲）后，最終遞交至服務器。另一方面，除了接收和處理來自下位機的數據，上位機也可以接收服務器控制信息，并通過ZigBee網絡發送控制信息至Arduino控制器，最終由Arduino來控制硬件動作，實現反向控制，因此，系統中不僅可以通過移動終端獲取傳感器數據實現在線查看車位的功能，也能通過手機操作控制系統硬件，實現預約車位的功能。超聲波傳感器與Arduino控制器、 ZigBee與上位機均采用串口通信協議交換數據。
3．2 MQTT消息推送
智能停車系統要求數據能自主雙向流動，即上位機與服務器通信過程中，一方面當傳感器數據由于車輛位泊入或者離開發生變化時，上位機能主動通知服務器，服務器接收新數據并存儲。另一方面，用戶發送反饋數據去操作車位時，服務器能主動通知上位機，上位機再將用戶控制指令數據傳遞至ZigBee網絡，進而通知Arduino控制器操作相關硬件。由于HTTP協議具有被動性，在此過程中，單純地使用HTTP協議只能保證傳感器數據被正確提交至服務器，但無法保證服務器數據變化時能主動通知服務器，除非使用客戶端長輪詢的方式，即在上位機不斷地發送HTTP請求獲取最新的服務器數據。但是這種方式非常耗費系統資源，對一個物聯網系統代價比較大，因此選用擁有“消息訂閱機制”特點的MQTT協議實現服務器到上位機的通信更加合理。
消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）采用輕量級發布和訂閱消息傳輸機制，支持雙向消息推送［7］。在MQTT協議中有訂閱者、發布者和代理三類角色，前兩種以MQTT客戶端的形式來展現，后一種以MQTT代理服務器的形式展現。訂閱者和發布者的通信由MQTT代理來協調，具體運行機制是：MQTT代理服務器維護各個MQTT客戶端之間的關系，當某一客戶端發布消息時，代理服務器會首先接收消息，查詢訂閱該類型消息的用戶，并將消息轉發給訂閱者，訂閱者便可主動收到消息推送。智能停車系統中采用MQTT協議進行服務器到上位機的反向通信，PC上位機訂閱服務器發布的數據庫更新的消息，一旦數據庫更新事件發生，便發布消息主動通知上位機，上位機再做相應處理。通信模型如圖3所示，上位機PC和服務器均運行著MQTT客戶端，用于消息的訂閱或發布，某個MQTT客戶端一旦發布消息，MQTT代理服務器便會將其轉發給相應的訂閱者。
本系統在上位機上采用基于Python的開源工具Paho實現MQTT客戶端，與運行于服務器中的MQTT代理服務器進行交互，完成服務器到上位機的消息推送；使用HTTP協議實現上位機到服務器的通信，當傳感器數據的變化超過一定閾值時發送HTTP請求，將數據提交給服務器。總的來說，通過HTTP協議與MQTT協議，數據可以在服務器與上位機之間自主雙向流動。
3．3 Node．js數據服務
服務端采用Node．js技術，可實現服務掛載、數據操作、數據分發等多種功能。
（1）服務掛載。在Node．js環境中可以同時掛載MQTT代理服務器和HTTP服務器，滿足服務器自主推送消息到上位機的需求，也允許上位機發送HTTP請求來提交傳感器數據。在Node．js環境中，可采用Mosca［8］搭建MQTT代理服務器，同時創建MQTT客戶端，在數據庫更新時發布消息，通知上位機執行執行相應動作。
（2）數據操作。MongoDB是一種NoSQL數據庫，基于分布式文件存儲，可以存儲比較復雜的數據類型，適用于大數據查詢服務。在智能停車系統中，服務器接收到傳感器數據后按照一定規則將傳感器數據映射為車位的占用狀態信息，以JSON格式表示，存儲于MongoDB。
（3）數據分發。Webservice為運行于不同系統或平臺的應用提供了一套交互規范，RESTful Webservice因其輕量、高效、易用、易設計等特點，在移動互聯網應用中使用廣泛。使用Node．js平臺的輕量級Web框架Express，可設計符合REST規范的API，方便快捷地進行數據分發和共享。手機等移動客戶端調用REST API可以從數據庫中獲取車位信息，展示在移動設備上。
總之，在Node．js環境下，各項功能可以便捷地實現［9］，其整體組織結構如圖4所示。
3．4 移動客戶端技術
使用Java、Swift、React Native［10］等技術可開發各個平臺的App，通過調用服務器提供的REST API 獲取車位狀態，并使用第三方SDK集成一些實用的功能，例如，使用百度地圖SDK為App集成地圖和導航功能［1112］；使用支付寶SDK可以為App集成在線支付功能，停車收費通過移動支付技術完成。因此，用戶通過App可以快速查看停車場的布局圖和停車位的當前占用信息，提前預約車位，進行高效的停車管理，緩解城市停車壓力。
4、結論
本文通過對現有停車系統的分析，結合當前物聯網和移動互聯網先進技術，根據O2O模式提出了一種智能停車系統的整體架構，并重點對其中的關鍵技術進行了研究。該系統可提供空余車位在線查看、車位在線預約、用戶停車引導、附近停車場推薦和智能計費系統等功能，實現停車場自動化管理，緩解日益增長的汽車保有量帶來的城市停車壓力。
依據信息技術的發展趨勢，未來智能停車場主要從以下幾個方面進行深化。
（1）打破信息孤島。依賴于互聯網技術，停車場之間數據共享，構建統一物聯平臺，進行資源整合，使停車資源得到有效利用。
（2）實現高度自動化。通過移動支付自助繳費，使用傳感器技術感知車輛泊入并自動計費，使用計算機視覺等技術實現快速識別。逐漸實現停車場無人化管理，節省人力資源。
（3）精確的停車誘導。通過傳感器定位技術自動生成停車場布局圖，為用戶提供更精確的停車誘導、車位引導和反向尋車等功能。
（4）移動終端支持更多功能，如停車位自動導航、自動繳費、按照停車位反向尋車等功能。
隨著物聯網技術的發展，停車系統會變得越來越智能，“城市停車難”的問題也會逐步減緩。
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