停车场智能管理系统总体方案设计

　　本方案致力于设计出达到目前自动化程度最高和安全防盗性能最优的停车场管理系统，设计以提高系统自动化、人性化程度和安全性为主。

　　传统的停车场管理系统重点均放在计费收费管理功能上，关注的是各个车辆进出的时间以便于收费，而在停车场的安全性、运行效率和针对顾客的人性化要求方面考虑得较少。针对这种情况，该停车场管理系统既保留了传统停车场管理系统的所有功能，又以原有收费介质为依托，对管理介质进行了改进，增加了基于遗传算法的自动泊车引导系统和基于数字图像与处理的车辆识别安全监控系统。当车辆进入停车场时，系统自动摄取车辆图像，经计算机处理后得到车辆型号信息、车辆牌照信息、车辆颜色信息，并将这些信息与用户卡唯一的对应起来一同存入用户数据库中。当车辆驶离停车场时，用户卡、车牌号码或车辆图像等相关指标匹配后才能放行。另外每次停车过程中，管理系统都会根据当时停车场的实时停车情况为用户指定一个符合最短路径的有效停车位，并在整个停车过程中，系统都将通过电子显示屏对顾客给予路径信息指示。

　　本系统采用“一车一卡一位”的管理模式，即从车辆进入停车场一直到车辆驶离停车场，与这辆车相关的所有数据均与卡的ID号唯一相关，通过这个唯一的ID号，我们可以将诸如用户信息、车辆型号信息、车辆牌照信息、车辆颜色信息、车辆图像、车辆进出场时间、停车时长、指定停车位编号、泊车路径、应缴费用等信息在数据库中统一起来，便于查询和存储。这样便使收费管理、泊车引导和车辆识别安全监控子系统的数据信息建立在同一个数据平台上，从而将各子系统有效的集成为一个统一的停车场智能管理系统。

　　2.1 功能需求分析

　　系统分析也称为逻辑设计，是系统开发周期的一个重要阶段，系统分析的主要任务包括可行性研究和需求分析。需求分析是整个系统分析的基础，是指用户要求系统必须满足的所有功能和限制。

　　在智能交通系统中，对智能停车场的要求是既作为整个交通系统中的一个子系统，又作为一个相对独立的系统。前者指的是作为整个智能交通系统的一部分，要求它能与智能交通系统进行信息互动，即停车场不但能实时提供停车位的状态信息，为整个交通系统的疏导和指挥提供参考，又能接收来自交通指挥中心的指令信息，接受统一调度安排；后者指的是它能独立运行，具备诸如计费收费、控制车辆出入、满足用户停车需求等停车场的基本功能。硕士学位论文要建立智能停车场的体系结构，首先应确定系统的用户服务要求，也就是明确停车场管理系统所应具备的功能。对于停车场的功能需求分析本文从以下三个方面进行考虑：交通管理部门、停车场管理者和用户。交通管理部门对停车场的功能需求是满足停车需要、调节交通，能够让需要停车的车辆进入停车场停车，避免车辆在道路上滞留，以此来缓解交通压力，使整个交通有序运行。因此，停车场必须具有方便停车、提供停车场停车位状态信息的功能。停车场管理者对停车场的功能需求是保证车辆安全、计费收费、方便用户停车等，这样停车场应该具有车辆出入控制、停车时长统计、费用计算、泊车引导、车辆识别的功能。从用户这一方面来说，车辆安全是第一位的，对于费用收取的透明度和停车、取车的方便快捷也是一个重要考虑因素。因此，综合以上三方面对停车场管理的功能需求，把智能停车场中的停车服务功能和交通导行服务功能归纳起来，智能停车场应至少具备以下几个功能：

　　(1)车辆的出入控制功能；
　　(2)计费、收费功能；
　　(3)车辆识别功能；
　　(4)泊车引导功能；
　　(5)安全监控功能；
　　(6)停车场状态信息收集、处理功能；
　　(7)与智能交通系统进行通信的功能。

　　2.2 管理介质的确定

　　对各种类型用户进行的管理标识，对出入车辆进行的识别验证，对用户的计费、收费以及泊车引导等过程都存在着大量的数据信息，为了将这些功能集成到同一系统中，这就要求存在一种介质将各种信息关联起来，以实现数据的集中管理。

　　收费是停车场最基本的一项功能，停车场收费管理系统是伴随着公用收费停车场这一新生事物而诞生的。它也是停车场管理系统中发展得最早、最快和最完善的一个部分。传统停车场的收费都是采用人工方式，收费过程繁琐，工作人员劳动强度高，停车场利用率低下，票款易流失。随着经济的发展以及技术的进步，为了克服这些缺点，各种新技术、新材料的应用使停车场收费系统的功能逐渐完善，可靠性逐步提高，计费收费方式也发生了改变。收费介质的变化使得停车场的自动计费收费成为可能。随着停车场朝着大型化、现代化方向发展，许多现代控制领域及智能交通领域的前沿技术在停车场管理系统中得到了广泛应用，从而使当今停车场管理系统呈现功能多样化的特点。各种子系统的出现和发展使停车场的功能越来越丰富的同时，也使管理的难度加大了。这就需要有一种介质将停车场智能管理系统各子系统联系起来，这里我们以发展相对成熟的收费介质作为管理介质的平台和依托，以便对各子系统进行统一管理。

　　管理介质是停车场管理系统用来标识每辆车及车主的唯一标志，介质中储存有一组标明车辆身份的数字标识(ID)。管理系统中的数据库以此ID作为主键记录和查询车辆的用户类型、使用权限、进出时间、车辆牌照、车辆图像等特征信息，从而实现对出入车辆的计费收费、出入控制、身份验证、泊车引导，以达到将各子系统集成为一个整体的停车场综合自动化管理系统的目的。

　　管理介质是管理系统的重要技术特征。通过使用何种管理介质可以反映其系统的技术先进程度。以停车场管理系统使用的管理介质为核心特征，停车场管理系统历了磁卡、条形码、接触式IC卡以及非接触类型管理介质等几个发展阶段。每个阶段的停车场管理系统都是在克服其上一代系统在管理介质不足的基础上，进一步提高了管理系统的工作效率和可靠性，并丰富了管理系统的管理服务功能。

　　2.2.1 各种管理介质性能对比

　　停车场管理系统中曾经出现过的管理介质有磁卡(纸质)，条形码(纸质)，接触式IC卡等多种，其优缺点各有不同。

　　1．纸质磁卡

　　纸质磁卡70年代开始应用，是最早出现的停车场管理介质。优点：生产成本较低(0.1元以下)，结构简单，体积小巧，便于组成大容量发卡系统(数千张)，设计灵活。

　　缺点：数据存储容量小，不易保存(折损或磁化后数据即破坏)，无法重复使用，安全保密性差(数据未加密容易复制)，读写设备复杂且维护费用高(接触读写，需要经常清理维护)，对使用环境要求较高(对灰尘、温度、湿度有要求)。

　　2．条形码

　　常见的二维条形码是PDF417码，在1997年底被定为我国国家标准。优点：实现计算机管理，收费全部自动化。成本低，即使票据污损或者残破，也可以使丢失的数据100%恢复。

　　缺点：信息是一次性的，不能改写。

　　3．接触式IC卡

　　近几十年发展起来的一种集成电路芯片技术。

　　优点：相对磁卡安全可靠(数据加密存储，加密读写)，数据存储容量大，可以一卡多用，可靠性及寿命比磁卡高，读写机构比磁卡读写机构简单，造价便宜，维护较方便。

　　缺点：成本略高，由于触点外露而容易导致污染、损伤及静电损毁。多次读写时会造成触点磨损损坏，卡本身寿命低。用户使用时需要将IC卡插入读卡器的-插卡口中才能实现读写过程，造成系统对卡的识别时间较长。读卡器的插卡口外露，易受污染，造成读卡困难，需定期清理。

　　4．射频卡(简称RF卡)

　　射频卡是近十几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源(卡中无电池)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。
优点：

　　(1) 可靠性高、使用寿命长、维护成本低。射频卡与读卡器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。此外，射频卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏而使卡片失效等问题，适应各种恶劣环境。因此，在正常使用的情况下，可以保证IC卡的使用寿命在10年以上。

　　(2) 操作方便、快捷。由于非接触通信，读写器在5cm～10m甚至更远的范围内都可以完成对卡片的操作，避免了灰尘、油污等外部恶劣环境对读写卡的影响。射频卡使用时非常简单，不需固定方向和位置，没有方向性，卡片以任意方向掠过读写器表面，都可以完成操作，大大提高了每次使用的速度。

　　(3) 加密性能好、安全可靠。每张卡片在出厂时都写有不可更改的唯一编号(全球唯一的序列号，制造厂家在卡片出厂前已将此序列号固化，不可再更改)。射频卡与读卡器之间采用双向验证机制，即读卡器验证射频卡的合法性，同时射频卡也验证读卡器的合法性；处理前，卡要与读卡器进行三次相互认证，而且在通讯过程所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。这些都确保了系统的安全性和可靠性。

　　(4) 抗干扰性强、防冲突。射频卡中存在快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此终端可以同时处理多张卡片。

　　(5) 多种权限级别管理。可设置多个权限级别，增加了整个系统运行的安全性。

　　通过各种管理介质的对比，我们不难发现，射频卡拥有其他几种介质不可比拟的优势。目前，使用以射频卡为代表的非接触类型作为管理介质的收费管理系统已经成为建设的主流方向。从操作简便性、系统可靠性和管理的有效性角度出发，本设计选用射频卡作为系统的管理介质。

　　2.2.2 射频识别系统的介绍

　　最基本的射频识别系统由三部分组成：

　　(1)射频标签：在这个系统中即分配给用户的射频卡。由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。停车场智能管理系统

　　(2)读卡器(阅读器)：用来读取标签信息的设备，在停车场管理系统中，一般安放在出入口处，读取射频卡上的用户信息。另外它还可以用来初始化卡片和
当用户充值时对卡进行数据的写入。

　　(3)天线：在标签和读卡器间传递射频信号。

　　系统还通过读卡器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接，进行数据交换，将读取的信息上送至计算机进行处理或存储。

　　系统的基本工作流程是：读卡器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到读卡器，读卡器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。按照不同的方式，射频卡有以下几种分类：

　　(1)按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高；无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源，为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。

　　(2)按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡主要有125kHz和134.2kHz两种，中频射频卡频率主要为13.56MHz，高频射频卡主要为433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。

　　(3)按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器；被动式射频卡使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用中，因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作的射频卡主要用于有障碍物的应用中，距离更远(可达30m)。

　　(4)按作用距离可分为密耦合卡(作用距离小于1cm)、近耦合卡(作用距离小于15cm)、疏耦合卡(作用距离约1m)和远距离卡(作用距离至少1m以上)。

　　(5)按芯片分为只读卡、读写卡和CPU卡。

　　2.3 系统工作流程

　　停车场管理系统运行过程是以顾客停车取车的过程为基础的，停车场的工作流程也始终以用户车辆进出停车场的流程为中心。停车场用户一般分为临时用户和固定用户两大类。

　　1．临时用户

　　临时用户是指临时使用停车场停车的用户，这类用户的停车行为一般具有临时性，随机性，使用频次低的特征。临时用户潜在数量庞大且身份不确定。

　　2．固定用户

　　固定用户是指长期固定使用停车场停车的用户，这类用户的停车行为一般具有长期性、规律性、使用频次高的特征。固定用户一般是停车场附近单位的工作人员或生活区的住户，数量在一定时间内是确定的。

　　针对停车场用户一般分为临时用户和固定用户的实际情况，系统出入场工程流程也分为针对临时用户和固定用户的两种情况。

　　为了在方便管理的同时尽量降低成本，停车场管理系统针对不同用户采用不同的管理介质。由于临时用户使用的频率较低，针对这类用户一般采用的是入场时临时发卡，出场时即时收费并回收卡片的方式。这里临时用户选择采用近距离的无源射频卡(临时卡)；针对固定用户使用频率较高的状况，为了方便管理，简化收费手续，系统为这类用户建立个人档案，把用户的姓名、性别等个人基本资料以及包括用户车辆型号、车牌、品牌等在内的车辆信息存储在数据库内。另外，在我国2.4GHz～2.4835GHz的频段是无需向国家无线电管理委员会申请使用许可证的公用频段，所以系统选择给用户分配一张带键盘的远距离2.4GHz有源射频卡(长期卡)。带键盘主要是为固定用户在驶离停车场时作输入密码之用，通过密码确认的方式来杜绝因卡片被窃所导致的车辆被盗现象的发生。卡的ID作为数据库中各关联数据表的主键。收费一般采用按月或按年预充值的形式。远距离射频卡与自动化的出入口控制系统结合可以实现对于固定用户在不停车的情况下完成所有的操作，大大方便了用户的停车，提高了停车场的通行效率，减少了出入口的拥塞现象出现。

　　2.3.1入场工作流程

　　1．临时车辆入场工作流程

　　临时车辆进入停车场时，设在车道下的车辆感应线圈检测到车辆的到来。将有车信号传送给入口控制器，入口控制器获取车辆到来的信号后，向相关设备发出指令，启动摄像系统和车辆识别系统。经计算机对图像进行处理后，记录车辆的牌照信息、颜色信息、车型信息等。语音提示设备提示用户按动取卡按钮，入口控制器检测到取卡信号后，通过串口给发卡机发送发卡命令。发卡机接到命令停车场智能管理系统后，发出一张临时用户卡，刚才系统所获取的信息即与此卡的ID号对应起来。

　　同时语音提示器提示用户取走临时卡。如果用户在规定时间内不取卡，发卡机将自动吞回用户卡，入口控制器取消此次入场工作。用户取走卡后，发卡机发出用户已取走卡的信号给入口控制器，入口控制器抬起栏杆，用户驾车驶入停车场。入口电动栏杆检测到配套车辆检测器信号出现“有车→无车”变化后，才自动将栏杆放下，以杜绝砸车事件的发生。入口控制器接收到入口栏杆出现“抬杆→落杆”的动作后，确认本次入场过程已经完成。