CN106710297A - 基于雷达传感的智能停车位管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于雷达传感的智能停车位管理系统，该系统利用雷达传感器进行停车位信息感知，继而实现对停车位的智能管理。该主要包括：发射雷达调制信号；接收停车位的回波信号；对回波信号进行处理和分析；根据特定的计算和判定方法得到停车位有无车辆的判定信息；将该信息通过无线和有线网络传送到系统平台，以实现信息显示、信息发布、设备设施控制等针对于停车的智能管理和服务。本发明采用雷达传感的方法，可以实现全天候、高准确度和灵敏度、实时的停车位智能管理和服务。

Description

基于雷达传感的智能停车位管理系统

技术领域

本发明属于停车管理技术领域，具体涉及的是一种利用雷达传感的智能停车位管理技术。

背景技术

随着我国社会经济和科技的快速发展，机动车保有量迅速增加，在未来10～15年内，汽车市场每年还将保持高速增长，交通拥挤、停车难、管理困难已经成为很多城市面临的共同难题。然而，城市的交通基础设施、管理设施和管理能力的提高跟不上交通需求的发展速度，原有的基础设施缺陷和弊端不断暴露，交通管理的科技化、智能化水平越来越显不足。在此大背景下，对智能交通应用系统的研究和开发，就具有很重要的意义和切实的价值。

中国发明专利申请号201510414486.8，公开了一种智能停车位管理系统及方法，通过建立手机APP和后台管理服务器及停车位装置的信息链接，实现用户选择并提前预约停车位，再由手机控制开启车位锁，来提高停车位的使用效率。然而该申请主要关注于对停车位信息的共享和服务，对停车位的占用信息主要通过后台数据库获取，而对此信息的检测和获取是实现停车智能服务的前提，如何实现对停车位信息的全天候实时准确灵敏检测在整个停车位智能管理服务系统中具有关键作用。

中国发明专利申请号201510785484.X，公开了一种针对于小区智能停车的管理系统，该系统利用红外传感实现对停车位的检测，而红外检测对相对运动或纵向运动探测不佳，且受天气因素影响大，如下雨等天气，并且测量精度不高及前端检测器件安装距离受限于其检测距离。目前对停车位信息的检测和获取方法还包括采用视频抓拍、线圈技术及地感线圈感应的方法来实现信息获取。

视频探测技术可测车流量，占有率等基本交通信息参数，但是难以实现多车道同时探测，且视频抓拍极大的依赖于外部照明状况和能见度。线圈技术可测车流量、占有率等基本交通信息参数，但是其也不能多车道同时探测，且该方法成本高、布设工程量大、维护不方便。地感线圈技术的安装采用埋设式，需要检测的车道中央开孔￠100mm/H 120mm，注入环氧树脂或沥青等，缺点是易受电磁干扰或冰冻等环境影响，不能多车道同时探测。

相比于以上的传感方法，雷达传感器可以实现对目标的探测、测距、测角、测速、跟踪、成像等，获取信息数据全面，另外它具有对环境影响不敏感、更好的抗干扰能力、可穿透性强、无死角探测、感应灵敏、准确度高、可同时探测多车道等诸多优点。如果将雷达传感的方法引入到智能停车位的管理，无疑节省了智能化成本，降低了工程量，且可以实现不依赖于外部光线和条件的全天候实时灵敏感应。

发明内容

本发明所提出的基于雷达传感的智能停车位管理系统及实现方法，针对目前智能停车服务系统所存在的问题，充分利用雷达传感技术、信息技术、数据通信传输技术等的集成及应用，实现对停车的更有效监控、方便的智能管理和准确的智能服务。

本方案采用可靠的微波雷达探测技术，对每个车位的占用或空闲状况进行检测。由于雷达传感具有探测距离远和精度高的优点，所以雷达传感器与停车位的布局采用一雷达同时探测多车位的“一对多”布局结构，如附图1所示。该方案实现了相比其他检测方法的高效探测，并且具有前端器件少成本低的优点。雷达传感器感知车位状态信息，采用短距离无线模块将信息发送到数据集中器，集中器和雷达传感器间采用“主从通信模式”，一个主站控制附近的数个从站。通过集中器来实现对数据接收、集中、打包、转发，集中器再将收集的此探测信息，采用DTU模块，GPRS 3G网络和因特网等公网发送给系统平台，以上的网络原理拓扑如附图2所示。最终信息用于进行车位的智能管理和维护，如自动计算剩余车位及显示各个车位的占用状态，及时刷新车位显示信息，进行停车位信息的发布，反映到使用者或管理者的终端信息平台上。

整个系统包括：系统前端、数据传输和系统平台三个组成部分，建立一个以系统平台为中心的可覆盖整个区域的机动车占用车位资源情况的精确管理体系，并利用所掌控的数据信息提供效率更高的增值服务。系统采用模块化结构，扩展性好，可靠性高，更便于维护，可与市政网络直接融合，它把物联网延伸到了机动车车位的管理体系。

所述系统前端，包括FPGA芯片、CPU芯片、D/A转换器、调制信号的放大电路、雷达传感器、回波信号的滤波放大电路、A/D转换器和无线发射模块。其主要完成两个功能，即雷达调制信号的发射和雷达回波信号的采集与处理。整个系统前端集成于一块专用集成电路板上。FPGA芯片可以实现数字时钟管理、VCO控制电压产生、IQ数据采集、傅里叶变换处理等功能。FPGA通过DAC产生一定周期的三角波数字信号，由其输出接口通过引线接入到D/A转换器的输入端口，转换后的模拟三角波信号接入到一个二级放大电路的输入端口。然后从放大电路的端口输出到雷达传感器的VCOin接口，实现雷达传感器调制信号的发射。雷达传感器可以接收I/Q两路回波信号，两路信号分别由Iin和Qin输入接口接入到两路相同的滤波/放大电路，输出信号要先经高通滤波处理滤掉调制信号后再进行二级放大处理，否则会使得调制信号被过分放大导致信号饱和失真，外接滤波放大电路的目的主要是为了去掉调制信号和进一步放大输出信号。经过滤波放大后分别接入到A/D转换器的I和Q两路输入端口。然后FPGA通过同步串口选择性读取A/D转换器的I信号和Q信号，通过FPGA嵌入式处理实现对信号的傅里叶变换处理。该信息继而通过FPGA的输出接口发送到CPU输入端，做进一步的DSP处理，包括数字滤波、目标信号频率识别和量化判定等，最终提取和判定所检测的每个停车位车辆的有无状态。FPGA和CPU两者的对应接口之间通过埋线彼此连接，之后CPU将信号传送到无线发射模块。

所述数据传输，是CPU中存储的停车位判定信息，通过无线发射模块发送到数据集中器，然后由数据集中器整理、汇总后，发送到系统平台的过程，即整体实现系统前端和系统平台之间的通信。通过短距离无线模块实现系统前端到集中器的信息传输，通过DTU模块，GPRS 3G网络或因特网等公网实现集中器与系统平台的数据传输。

所述系统平台，是进行数据接收与分析、信息显示与发布、智能控制、增值服务等来实现智能服务；通过运维中心保证系统的运行和维护管理。从硬件构成上，其包括基础硬件设施、网络及安全系统、数据存储备份系统、应用系统平台、监控中心应用软件等组成部分。

有益效果

(1)采用集众多优越性能的雷达传感的感知方法，实现具有高速、准确、灵敏、稳定、明暗适应、无干扰、低成本的停车位全天候实时检测；

(2)一个前端系统可以同时感知多个停车位，大大减小工程量及成本；

(3)通过传感技术、信息系统和网络化通信技术，建立起基础交通设施、交通车辆和交通参与者的网络互联，交通参与者通过网络平台实现智能停车的实时使用和管理。

附图说明

图1为基于雷达传感器的智能停车位布局结构示意图；

图2为系统网络原理拓扑图；

图3为系统的结构原理图；

图4为系统平台的功能示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施参数等对本发明作进一步描述。

图1所示为智能停车位的布局结构示意图。图3描述了系统的具体结构和原理。

本系统可以采用一雷达多车位的探测技术，将雷达置于车位路灯杆或天花板，采用一定的数据分析算法，可实现对每个停车位信息的准确判断。

雷达传感器工作时，采用调频连续波(FMCW)的调制方式，由FPGA编译产生具有一定幅度和频率的三角波调制信号，压控振荡器VCO在调制信号的作用下产生一定范围内的发射信号(调频连续波信号)且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，从而实现FMCW工作模式。该发射信号经定向耦合器后一路通过发射器辐射至空间，另一路则与反射回来的回波信号进行混频，此时的回波信号与之前的发射信号相比，其频率已经发生变化，经混频器之后所得到的信号就是差频信号。所探测的目标信息就包含在此差频信号中，该差频信号经过FPGA和CPU的嵌入式系统处理之后便可得到目标的距离、速度等相关信息。采用FMCW三角波调制的雷达，发射信号的频率为对称三角形，在单个周期内，前半个周期为正向调频，后半个周期为负向调频。回波信号经过与发射信号的混频，得到差频信号，我们用T表示发射信号的调制周期，ΔF表示调频带宽，f表示差频信号的频率。那么差频信号的频率f与目标物距离满足下面的线性关系公式：

目标物距离越远，差频信号的频率越高，反之越低。分析雷达传感器所输出的差频信号，得到目标的f信息，再根据公式，即可得到目标的距离信息。以上就是本系统的基本工作原理。

(1)雷达传感器

雷达传感器采用世界最先进的平面微带技术，具有体积小、集成化程度高、感应灵敏等特点。产品工作于FMCW模式，功能应用多样。选用RFBEAM 24GHz雷达传感器，其探测距离可以从几米到上百米。

雷达调制信号的发射是由调制信号模块来实现，如图3所示。FPGA通过DAC产生周期为12.8ms的三角波数字信号，采用调制信号的带宽为250MHz，差频信号经过处理后的频率和目标物距离呈线性关系，再根据每一个停车位与前端雷达器件的距离不同，从而判断每个被测车位的车辆有无信息。在该条件下，测距的分辨率可达0.6米左右。

(2)信号采集及信号处理

雷达信号处理和数据处理技术是雷达的神经中枢。该功能主要是由信号采集处理模块来实现的，参照图3系统的结构原理示意图，其中最核心的为FPGA芯片，其选用XilinxSpartan 6系列的XC6SLX9-2TQ144I。FPGA通过SPI接口读取的转换数据，ADC的采样率为250kSPS。FMCW每个调制周期(三角波周期)为13ms，采样点数为13*250＝3250点，直接做4096点快速傅里叶变换。通过对雷达回波信号的分析处理可以精确得到目标的运动速度，运动方向，目标与雷达之间的距离以及目标方位等信息。如今，雷达的应用需求和技术发展促进了雷达信号处理和数据处理技术的飞速发展。无论在信号形式、处理算法，还是在信号处理和数据处理系统的设计方法、硬件的结构和实时处理软件编程等方面都有了长足的进步。

雷达传感器工作时输出的中频信号需经一系列滤波、放大和DSP处理后，才更易于从中分析得到我们所需的目标信息。当雷达工作于FMCW模式时，输出信号要先经滤波处理滤掉调制信号后才能进行放大处理，否则会使得调制信号被过分放大导致信号饱和失真。

DSP即数字信号处理过程包括有A/D转换、数字滤波、快速傅里叶变换、目标回波频率识别等部分，测距应用中还可以进行线性调频Z变换(chirp-z)来提高测距精度。

(3)数据传输

经过处理后的有效信息，将通过数据链路定时传送给数据集中器。图2所示为系统网络传输的拓扑图。雷达传感器与数据集中器之间距离一般在百米以内，采用无线数据通信比较好，可选择蓝牙、Wifi、ZigBee、FM等通信方式；集中器与系统平台可通过DTU，利用因特网、2G/3G/4G公网进行通信。每个数据集中器将临近的系统前端数据接收、汇总后，利用公网发送至系统平台。

下面以ZigBee的通信方式为例做进一步说明。

采用无线ZigBee传输方式传输数据，此方案传感器直接可以成为网络节点传输信息，例如，当传感器1与数据集中器出现网络故障无法通信时，可以将数据传给传感器2，然后发送给集中器，传感器7与集中器距离太远无法通信，可以将数据通过传感器2发送给集中器。无线传输模块使用Modbus传输协议封装数据。Modbus是一种单主站的主/从通信模式，Modbus网络上只能有一个主站存在，主站在Modbus网络上没有地址，从站的地址范围为0-247，其中0为广播地址，从站的实际地址范围为1-247。

采用主从通信模式，即整个系统中只有一个节点为主节点，总线上的所有其他节点都是从节点。通信方式一般是主节点循环轮询(POLL)各个从节点。各个从节点都有自己的网络通信识别号，当主节点的轮询信息中包含自己的网络通信识别号时，此从节点则对此帧进行应答，其他节点则忽略此帧，不做任何处理。设计5s轮询一次，用户实际传输的比特率可达到11.5Kbps,也就是50毫秒发送一个60字节的包,一帧间隔时间为2.4ms，T＝50+2.4+50+2.4ms＝104.8ms，若一共有20个传感器，在T总＝104.8*20＝2096ms。可以将轮询时间设置为5s。若集中器发送数据发送命令，在规定的时间50ms没有收到数据，重新询问发送，如果3次时间都没有成功，则记录事故，继续轮询下一个传感器。并在下次轮询上忽略出问题的传感器，如果后台发送指令给集中器复位全部轮询表示传感器问题已经解决，下次轮询时即全部轮询。

(4)系统平台

系统平台包括基础硬件设施、网络及安全系统、数据存储备份系统、应用系统平台、监控中心应用软件等组成部分。基础硬件设施主要是为现场采集数据和图像提供处理和应用的一个可扩展、稳定可靠、安全的支撑平台。网络系统是用于传输数据和图像的通道，主要由交换机、路由设备和交换设备组成。安全系统由防火墙和入侵检测、防病毒网关软件等组成。数据存储备份系统是为现场采集数据和图像提供存储、数据备份恢复的硬件平台。系统架构主要包括应用架构和技术架构。系统采用基于组件的标准SOA应用架构，以及按照SOA方法构建的基于.NET标准的技术架构。

如图4为雷达传感智能停车位管理的系统平台功能意图，具体说明如下：

(a)停车位信息显示及智能控制

其采用雷达传感进行停车位信息采集，对雷达的回波信号进行一系列的处理，做出车辆有无的判别；通过系统的网络化传输，将结果呈现于信息显示系统；并根据结果触发控制停车场等的设备设施及信号灯。

(b)停车数据统计、交通大数据分析及诱导信息发布

将停车位信息结果进行数据统计分析，作为交通数据研判的一部分内容，为政府制定交通规划、预警、应急指挥提供决策依据。综合数据结果进行诱导信息的发布。统计任一点的停车数据分析结果，并生成报表，可选定雷达传感器、通道名称、统计类型、报表类型、统计时间等条件，统计指定时间段内的停车数据。

(c)增值业务服务

系统实行会员制或其他形式，开展预付费或用市民卡现场刷卡业务；会员可以提前预定车位，有些地域由于受条件限制，车位较少，有时不好停车，比如在停车位比较紧张的医院旁边和一些繁忙的办事机构就会有预定车位的需求；系统与导航关联，显示地段的车位信息情况，引导一些外地车辆停车入位。

(d)运维及配置管理

用户能够通过运维管理功能界面，实时了解系统及其中的设备当前的运行状况，当系统或设备运行异常时，系统能够将异常的情况反映在信息提示列表中，用户就能够根据异常设备的情况及时采取维护措施。

通过配置客户端子界面，用户能够实现对于组织资源、用户、报警、备份、系统设置和参数的配置管理，用户针对其实际需要，结合系统当前使用的实际情况，对系统的参数进行个性化的修改与配置，提高用户业务流程的针对性，并实现操作过程的便捷与高效。

Claims (1)

1.基于雷达传感的智能停车位管理系统，包括：系统前端、数据传输和系统平台三个组成部分，其特征在于，所述系统前端完成雷达调制信号的发射和雷达回波信号的采集与处理，包括：FPGA芯片、CPU芯片、D/A转换器、调制信号的放大电路、雷达传感器、回波信号的滤波放大电路、A/D转换器和无线发射模块；

FPGA芯片实现数字时钟管理、VCO控制电压产生、IQ数据采集、傅里叶变换处理功能；FPGA通过DAC产生一定周期的三角波数字信号，由其输出接口通过引线接入到D/A转换器的输入端口，转换后的模拟三角波信号接入到一个二级放大电路的输入端口；然后从放大电路的端口输出到雷达传感器的VCOin接口，实现雷达传感器调制信号的发射；雷达传感器接收I/Q两路回波信号，两路信号分别由Iin和Qin输入接口接入到两路相同的滤波/放大电路，经过滤波放大后分别接入到A/D转换器的I和Q两路输入端口；然后FPGA通过同步串口选择性读取A/D转换器的I信号和Q信号，通过FPGA嵌入式处理实现对信号的傅里叶变换处理；该信息继而通过FPGA的输出接口发送到CPU输入端，做进一步的DSP处理，包括数字滤波、目标信号频率识别和量化判定，最终提取和判定所检测的每个停车位车辆的有无状态；FPGA和CPU两者的对应接口之间通过埋线彼此连接，之后CPU将信号传送到无线发射模块。