基于​NI Single Board RIO 实现​停车​场​诱导​与​管理

于 守​元, 中科院​深圳​先进​技术​研究院 山东​大学

"Single Board RIO​是​基于​NI RIO​架构​的​嵌入式​工业​测​控​平台,​不仅​具备​工业​级​的​可靠性,​还​拥有​丰富​的​模​块​连接​各种​现场​信号,​借助​于​灵活​开放​的​LabVIEW​开发​环境,​可以​快速​方便​的​实现​车​牌​识别。​基于​LabVIEW​的​开发​环境​不但​简化​了​FPGA​开发​的​复杂​度,​并​确保​在​硬件​平台​上​通过​交互​式​的​调​试​实现​最优​性能。" ​

- 于 守​元, 中科院​深圳​先进​技术​研究院 山东​大学

The Challenge:

目前​的​停车​场​一般​采用​进​出​道​闸​刷卡​计​时​系统​进行​管理,​需要​司机​在​进​出​道​闸​时​开车​窗​进行​取​卡、​刷卡,​需要​停车​场​管理​人员​人工​收费,​车辆​进入​停车​场​后,​有​的​停车​场​是​人工​引导​车辆​泊​车,​有​的​停车​场​需要​车​内​配置​信息​收​发​装置,​这些​过程​繁​琐​耗​时,​很多​地方​如​取​卡、​刷卡​需要​司机​进行​额外​操作,​且​司机​无法​实施​掌握​停车​场​的​泊位​信息。 ​

The Solution:

项目​使用​NI sbRIO-9631​硬件​和​LabVIEW2011​软件​开发​工具​实现​停车​场​停车​诱导​与​管理。​针对​现有​停车​场​存在​的​一些​不足,​系统​提供​一种​新的​停车​场​管理​系统,​力图​解决​现有​停车​场​管理​系统​中的​不足​之​处。 ​

 

一、​【项目​应用​背景】

项目​使用​NI sbRIO-9631​硬件和LabVIEW2011​软件​开发​工具​实现​停车​场​停车​诱导​与​管理。

目前​的​停车​场​一般​采用​进​出​道​闸​刷卡​计​时​系统​进行​管理,​需要​司机​在​进​出​道​闸​时​开车​窗​进行​取​卡、​刷卡,​需要​停车​场​管理​人员​人工​收费,​车辆​进入​停车​场​后,​有​的​停车​场​是​人工​引导​车辆​泊​车,​有​的​停车​场​需要​车​内​配置​信息​收​发​装置,​由​停车​场​内​与​车​内​配置​收​发​装置​对应​的​无线​收​发​装置​引导​车辆​泊​车,​这​两​种​方法​引导​的​泊位​一般​是​随机​的,​有些​泊位​往往是​司机​不​喜欢​的​泊位。​这些​过程​繁​琐​耗​时,​很多​地方​如​取​卡、​刷卡​需要​司机​进行​额外​操作,​且​司机​无法​实施​掌握​停车​场​的​泊位​信息,​如果​缩短​用户​在​进​出​道​闸​和​到达​泊位​的​时间,​让​司机​自己​在​停车​前​就​能​掌握​停车​场​信息,​减少​停车​场​工作​人员​数量,​乃至​达到​无人​监管,​将​大大​提高​停车​场​的​使用​效率。

 

针对​现有​停车​场​存在​的​一些​不足,​系统​提供​一种​新的​停车​场​管理​系统,​力图​解决​现有​停车​场​管理​系统​中的​不足​之​处,​并​达到​如下​目标:​在​布线​简单​的​情况​下​找到​一种​比较​理想​的​传感器​进行​泊位​检测;​在​不需要​司机​配置​额外​的​车​载​装置​下​自动​引导​车辆​泊​车,​引导​过程​可以​对应​到​单​个​车辆,​且​根据​对​司机​停车​喜好​的​观察,​引导​司机​到​司机​比较​喜欢​的​泊位​泊​车,​司机​在​体验​停车​的​过程​中,​基本​不需要​额外​的​操作;​系统​自动​统计​车辆​停车​时间,​自动​扣​费,​杜绝​人工​收费​透明度​不高​的​弊端。

 

二、​【项目​创新​点】

(1) 系统​使用​的​检测​泊位​状态​的​传感器​为​磁​阻​传感器。

(2) 车辆​进入​停车​场​前​进行​车​牌​采集,​根据​采集​的​车​牌号​引导​车辆​泊​车​和​费用​管理。

(3) 引导​车辆​到达​的​泊位​为​根据​司机​习惯​选择​的​最优​泊位。

 

三、​【作品​功能​简介​及​图片​说明】

 (一)、​系统​总体​结构

整个​系统​运行​的​流程​如​图​一所​示。

 

(二)、​系统​功能

该​系统​主要​有​以下​几个​功能:​实​时​监测​停车​场​内​所有​泊位​使用​情况;​根据​当前​停车​场​使用​情况​寻找​最优​泊位​并​引导​当前​用户​快速​到达​最优​泊位;​车辆​自动​记录​以及​费用​自动​管理;​将​停车​场​使用​情况​发布​供​司机​停车​前​预定​泊位。

 

 

 

  1. 管理​中心

管理​中心​采用LabVIEW软件​开发,​其​主要​功能​包括​管理​无线​传​感​网络​传来​的​泊位​信息,​实​时​统计​停车​场​内​剩余​泊位​数量,​通过​建立​停车​场​泊位​选择​模型​及​最优​泊位​选择​算法,​实​时​计算​最优​泊位,​并​将​最优​泊位​及其​对应​的​引导​信息​通过​无线​传​感​网络​发送​到​停车​场​中,​帮助​司机​最快​选择​到​最优​泊位;​根据​sbRIO​识别​出​车辆​车​牌号,​对​车辆​出入​进行​记录,​并​进行​费用​管理;​同时,​对​停车​场​的​使用​情况​进行​总结,​记录​当天​整点​剩余​泊位​整数,​当天​停车​场​总​吞吐量,​当天​泊位​最高​使用​率​出现​时间​段​等​信息,​从而​帮助​停车​场​管理​人员​分析​该​系统​的​有效性,​并​利用​LabVIEW​的​报表​生成​工具​Report Generation Toolkit for Microsoft Office​以​报表​形式​体现,​另外,​还​可以​设定​一个​提示​值,​当​停车​场​剩余​泊位​低于​提示​值​时,​会​提示​停车​场​管理​人员;​建立​管理​中心​与​城市​停车​诱导​系统​之间​的​信息​交互,​可以​将​停车​场​泊位​情况​发送​到​城市​停车​诱导​中心;​接收​用户​泊位​预订。

 

 

管理​中心​包括​一个​数据​库​系统,​该​系统​记录​已​登记​车辆​的​信息,​如​车​牌号、​有效​时间​等​信息;​还​包括​车辆​进​出​停车​场​的​时间​信息,​以便​管理​中心​计算​停车​时间​进行​自动​扣​费。

 

  1. 停车​场​泊位​使用​情况​监测

主要​包括​两​个​部分:​无线​传​感​网络​和​泊位​检测​传感器。​其中​无线​传​感​网络​包括​三​种​节点:​泊位​检测​节点、​路​由​器​节点​和​协调​器​节点。​泊位​检测​节点​的​主要​功能​为:​检测​泊位​信息​和​向​协调​器​节点​发送​检测​到​的​信息;​路​由​器​节点​的​主要​功能​为:​协助​协调​器​节点​建立​无线​网络、​寻​径​及​作为​检测​节点​到​协调​器​节点​信息​传输​的​中继​节点、​接受​协调​器​发​来​的​停车​引导​信息​并​通过​LED​显示;​协调​器​的​主要​功能​为​建立​无线​网络、​接收​检测​节点​发​来​的​信息​通过​RS232​传送​到​管理​中心​以及​通过​串​口​接受​管理​中心​发​来​的​信息​并​发送​到​路​由​器​节点。​泊位​检测​传感器​用​来​检测​泊位​状态​的​变化,​将​泊位​状态​变化​转化​为​电压​变化,​进而​将​该​变化​传输​到​管理​中心​以便​进一步​处理。

 

 

管理​中心​在​管理​泊位​时,​除了​需要​知道​泊位​的​状态,​还​需要​知道​泊位​的​具体​位置。​检测​节点​在​向​协调​器​发送​泊位​状态​信息​时,​同时​将​其​自身​的​物理​地址​发送​到​协调​器,​物理​地址​是在​烧​写​程序​时​烧​写​进去​的,​所以​在​使用​的​过程​中​是​固定​且​唯一​的,​不同​的​检测​节点​的​物理​地址​不同,​且​节点​的​物理​地址​为​64​位​的​IEEE​地址,​其​有效​地址​数量​远大​于​一个​停车​场​内​可用​泊位​数量,​这样​一个​检测​节点​的​物理​地址​对应​停车​场​内​一个​泊位,​上位​机​在​收到​泊位​状态​的​时候,​也可以​通过​分析​物理​地址​知道​泊位​的​具体​位置,​进而​在​后​续​最优​泊位​选择​的​过程​中​使用。

 

  1. 最优​泊位​寻找

假设​停车​场​中有​N​个​可用​车位,​每​个​车位​有​若干​属性,​这些​属性​是​司机​在​选择​车位​时​会​关心​的​问题,​如​车位​距离​停车​场​入口​的​距离,​车位​离​电梯​或​停车​场​出口​的​距离,​车位​的​安全​性,​车位​的​遮阴​时间、​车道​占用​情况​以及​泊位​两侧​是否​有​车​停放​等​几个​属性。​安全​性​可以​用​车辆​距离​车库​监​控​的​距离​来​衡量,​泊位​位置​分为​泊位​两侧​均有​车辆​停放,​一​侧​有​车辆​停放,​两侧​均​无​车辆​停放,​有效​泊位​位于​边​侧​几​种​情况。​我们​根据​司机​对​这些​属性​的​偏好,​利用​基于​组合​权​重​的​多​属性​决策​方法​来​寻找​停车​场​最优​车位。

 

最优​泊位​寻找​是​基于​对​司机​在​寻找​泊位​习惯​的​观察,​找到​司机​关心​的​问题,​并​根据​司机​的​喜好​程度​构造​决策​矩阵,​比较​各个​泊位​的​合适​程度,​然后​根据​各个​泊位​自身​特点​对​比较​进行​修正,​从而​找到​最​适合​司机​的​泊位。​当​管理​中心​找到​最优​泊位​后,​便​通过​搜索​数据​库​找到​该​泊位​对应​的​引导​信息,​然后​通过​无线​传​感​网络​系统​将​引导​信息​发布​到​停车​场​中。

 

 

  1. 车辆​记录​与​费用​管理

车辆​记录​与​费用​管理​属于​管理​中心​的​一部分,​包括​车​牌​识别​与​数据​库​系统。​车​牌​识别​是​由​Single Board RIO-9631​实现​的,​sbRIO​控制​摄像​头​采集​车​牌​图像,​然后​由​sbRIO​快速​自动​识别​出​车辆​车牌号码。​数据​库​系统​记录​对应​车辆​出入​时间​和​车辆​登记​信息,​自动​计算​停车​费用,​自动​扣​取​费用,​整个​过程​基本​实现​无人​值​守​式​管理,​另外​识别​出​的​车​牌号​与​上面​计算​出​的​最优​泊位​结合,​真正​达到​一对​一​的​指引。

 

 

该​部分​使用​的​硬件​包括​摄像​头、​sbRIO-9631​和​测​距​传感器,​使用​的​软件有LabVIEW2011,FPGA Module,Real-​Time ModuleVision Development Module。车​牌​识别​部分​的​程序​分为​三​个​部分:

  1. FPGA上​的​VI:​该​VI​用于​控制​测​距​传感器,​测量​是否​有​车辆​到达。​测试​过程​为​采用FPGA上​的​一个​数字​I/​O​发送​与​接收​测量​数据,​并​将​测​到​的​数据​转换​为​距离,​若​测​得​的​距离​满足​一定​要求​则​认为​有​车辆​到达,​然后由FPGA控制​摄像​头​采集​一帧​车辆​图像,​将​采集​到​的​图像​数据​完整​的​送​入​DMA FIFIO,​用于​后​续​图像​处理。FPGA上​的​VI​可以​先​设置​为​Execute VI on Development Computer with Simulated I/​O,​通过​仿真​查找​错误,​功能​验证​良好​后​再​下载​到​FPGA​硬件​上。​这样​可以​节约​很多​编译​的​时间。
  2. RT​上​的​VI:​车​牌​识别​的​功能​由​该​部分​VI​实现。​该​VI​首先​接收​读​取​FIFO​中的​图像​数据,​然后​经过​图像​预​处理、​车​牌​定位、​倾斜​校正、​字符​分割​和​字符​识别​几​步​完成​车​牌​识别。​图像​预​处理​包括​直方​图​均衡​化​和​高斯​滤波,​可以​提高​车​牌​识别​的​正确​率,​减少​光线​的​影响。​车​牌​定位​实用​小波​变换​和​EMD​分析​实现,​其余​几​步​的​实现​由​LabVIEW​的​机器​视觉​工具​包​中​函数​完成,​字符​识别​前​需要​先​使用​机器​视觉​工具​包​中​OCR​函数​进行​字​库​训练。​在​使用​机器​视觉​工具​包​中​函数​识别​车​牌​前,​可以​先用​Vision Assistant​进行​验证​再​自己​编写,​也可以​直接​由​视觉​助手​生成​所需​程序。​程序​软件​架构​如​图​五所​示。
  3. PC​上​的​VI:​在​数据​库​中​检索​识别​出​的​车​牌号,​若​车​牌号​为​已​记录​车​牌号​则​记录​车辆​进入​时间​后​放行​车辆,​在​车辆​离开​时​可​进行​自动​扣​费​操作;​若​车​牌号​为​未​记录​号码,​则​将​车​牌号​记​入​临时​数据​库​中,​车辆​离开​时​由​人工​进行​收费。​同时​管理​中心​找出​当前​最优​泊位,​引导​当前​车​牌号​车辆​快速​到达​该​泊位。

 

 

四、​【运行​实例】

整个​停车​场​管理​系统​硬件​分为​停车​场​内​泊位​检测​节点,​ZigBee​无线​网络,​用于​显示​诱导​信息​的​LED​显示​屏,​停车​场​出入口​车​牌​识别​系统。​以​图​七​为​例​说明​系统​运行​过程

 

(a) 当​车辆​到达​停车​场​入口​在​距离​摄像​头​固定​距离​处,​超声​传感器​检测​到​车辆​到达​并​触发​摄像​头​采集​车辆​图像,​经过​一系列​快速​处理​分析​出​车​牌号​后​送​管理​中心,​对于​个别​识别​失败​的​车辆,​管理​室​的​工作​人员​可以​在​管理​软件​方便​看到​车辆​图像,​人工​记录​车​牌号,​同时​系统​会​自动​记录​车辆​到达​时刻。

 

(b) 管理​系统​计算​出​当前​最优​泊位​如​C1,​将​C1​对应​的​引导​信息​从​数据​库​中​检索​出,​然后​通过​ZigBee​无线​网络​将​对应​的​引导​信息​发布​到​对应​LED​引导​屏​中,​司机​在​各个​主要​路口​均可​看到​有​自己​车辆​号码​对应​的​引导​信息,​快速​找到​泊位。

 

(c) 当​司机​到达​C1,​或​司机​没有​遵循​引导​自己​停泊​在​另一​处​如​B3​泊位,​位于​该​泊位​处的​磁​阻​传感器​可以​检测​到​泊位​被​占用,​并​将​该​信息​通过​ZigBee​无线​网络​传送​到​管理​系统,​以便​管理​系统​计算​最优​泊位。

 

(d)​当​车辆​从​C1​离开​时,​位于​C1​处的​磁​阻​传感器​可以​再次​检测​的​泊位​状态​的​变化,​同​步骤​c​将​信息​发送​到​管理​系统。

 

(e) 当​车辆​到达​出口​时,​同​步骤​a​车​牌号​再次​被​检测​到,​并​检索​数据​库​找到​车辆​入​库​时间,​计算​此次​停车​费用,​若​车辆​已​登记,​则​自动​扣​费,​若​为​临时​车辆,​提示​管理​人员​进行​人工​扣​费。​至此​完成​一次​停车​管理。

 

五、​【结论】

Single Board RIO是​基于​NI RIO​架构​的​嵌入式​工业​测​控​平台,​不仅​具备​工业​级​的​可靠性,​还​拥有​丰富​的​模​块​连接​各种​现场​信号,​借助​于​灵活​开放的LabVIEW开发​环境,​可以​快速​方便​的​实现​车​牌​识别。​基于LabVIEW的​开发​环境​不但​简化了FPGA开发​的​复杂​度,​并​确保​在​硬件​平台​上​通过​交互​式​的​调​试​实现​最优​性能。FPGALabVIEW都​具有​极好​的​并行​运行​能力,​可以​最大​化​的​降低​车​牌​识别​所需​的​时间,​从而​达到​实​时​识别​的​程度。​同时​NI​公司​提供​的​用于在LabVIEW进行​图像​处理​的​机器​视觉​开发​模​块,​软件​包​包括​大量​适用​图像​处理​函数,​方便​对​采集​到​的​车辆​图像​进行​处理​从而​识别​出​车​牌号。

 

Author Information:

于 守元
​中科院​深圳​先进​技术​研究院 山东​大学
​China

​ ​图​二 车辆​记录 ​
​ ​图​三 车辆​统计 ​
​ ​图​四 检测​节点 ​
​ ​图​五 车​牌​识别​流程 ​
​ ​图​六 车​牌​识别 ​
​ ​图​七 停车​场​平面​图 ​
​ ​图​一 系统​框架 ​